Une technologie révolutionnaire permet la navigation dans des endroits inaccessibles au GPS

Une technologie innovante permet la navigation dans des zones inaccessibles au GPS.

Dans le cadre d’une première mondiale, des chercheurs de l’Université de Tokyo ont utilisé des particules subatomiques ultrarapides connues sous le nom de muons pour naviguer sans fil sous terre. L’équipe a utilisé des stations au sol qui détectent les muons, en les coordonnant avec un récepteur souterrain de détection de muons pour localiser l’emplacement du récepteur dans le sous-sol d’un immeuble de six étages.

Depuis

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>GPS est inefficace à travers la roche et l’eau, cette technologie émergente est prometteuse pour des applications futures telles que les missions de recherche et de sauvetage, la surveillance des volcans sous-marins et la direction de véhicules autonomes dans des environnements souterrains et aquatiques.

Le GPS, le système de positionnement global, est un outil de navigation bien établi et offre une longue liste d’applications positives, depuis des voyages aériens plus sûrs jusqu’à la cartographie de localisation en temps réel. Cependant, il présente certaines limites. Les signaux GPS sont plus faibles aux latitudes plus élevées et peuvent être brouillés ou usurpés (un signal contrefait remplaçant un signal authentique). Les signaux peuvent également être réfléchis par des surfaces telles que les murs, perturbés par les arbres et ne peuvent pas traverser les bâtiments, les rochers ou l’eau.

Les muons n’existent que pendant 2,2 microsecondes (une microseconde équivaut à un millionième de seconde), mais comme ils se déplacent à la vitesse de la lumière dans le vide (300 000 kilomètres par seconde), ils ont suffisamment de temps pour atteindre la Terre depuis l’atmosphère et y pénétrer. profondément dans le sol. Crédit : 2015 Hiroyuki KM Tanaka

En comparaison, les muons ont fait la une des journaux ces dernières années pour leur capacité à pour nous aider à regarder au plus profond des volcans, à regarder à travers les pyramides et à voir à l’intérieur des cyclones. Les muons tombent constamment et fréquemment dans le monde (environ 10 000 par mètre carré par minute) et ne peuvent être altérés.

“Les muons des rayons cosmiques tombent de manière égale sur la Terre et se déplacent toujours à la même vitesse quelle que soit la matière qu’ils traversent, pénétrant même des kilomètres de roche”, a expliqué le professeur Hiroyuki Tanaka de Muographix à l’Université de Tokyo. “Maintenant, en utilisant les muons, nous avons développé un nouveau type de GPS, que nous avons appelé système de positionnement muométrique (muPS), qui fonctionne sous terre, à l’intérieur et sous l’eau.”

MuPS a été initialement créé pour aider à détecter les changements du fond marin causés par les volcans sous-marins ou les mouvements tectoniques. Il utilise quatre stations de référence de détection de muons en surface pour fournir les coordonnées d’un récepteur souterrain de détection de muons. Les premières itérations de cette technologie nécessitaient que le récepteur soit connecté à une station au sol par un fil, ce qui limitait considérablement les mouvements. Cependant, ces dernières recherches utilisent des horloges à quartz de haute précision pour synchroniser les stations au sol avec le récepteur. Les quatre paramètres fournis par les stations de référence ainsi que les horloges synchronisées utilisées pour mesurer le « temps de vol » des muons permettent de déterminer les coordonnées du récepteur. Ce nouveau système s’appelle le système de navigation muométrique sans fil (MuWNS).

Selon les chercheurs, lors de l’utilisation de MuWNS dans un environnement intérieur ou souterrain, il pourrait atteindre une précision plus élevée que celle des technologies d’identification par radiofréquence (RFID) et Zigbee, ainsi qu’une portée beaucoup plus large, bien que bien inférieure à celle du lidar et de la navigation acoustique. Crédit : 2023 Hiroyuki KM Tanaka

Pour tester la capacité de navigation du MuWNS, des détecteurs de référence ont été placés au sixième étage d’un immeuble tandis qu’un « navigateur » emportait un récepteur-détecteur au sous-sol. Ils arpentèrent lentement les couloirs du sous-sol tout en tenant le récepteur. Plutôt que de naviguer en temps réel, des mesures ont été prises et utilisées pour calculer leur itinéraire et confirmer le chemin qu’ils avaient emprunté.

“Le courant

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>précision de MuWNS se situe entre 2 mètres et 25 mètres, avec une portée allant jusqu’à 100 mètres, en fonction de la profondeur et de la vitesse de la personne qui marche. C’est aussi efficace, sinon meilleur, que le positionnement GPS en un seul point en surface dans les zones urbaines », a déclaré Tanaka. « Mais on est encore loin d’un niveau pratique. Les gens ont besoin d’une précision au mètre près, et la clé pour cela est la synchronisation de l’heure.

L’amélioration de ce système pour permettre une navigation en temps réel et précise au mètre dépend du temps et de l’argent. Idéalement, l’équipe souhaite utiliser des horloges atomiques à l’échelle d’une puce (CSAC) : « Les CSAC sont déjà disponibles dans le commerce et sont deux ordres de grandeur meilleures que les horloges à quartz que nous utilisons actuellement. Cependant, ils sont trop chers pour que nous puissions les utiliser actuellement. Mais je prévois qu’ils deviendront beaucoup moins chers à mesure que la demande mondiale de CSAC pour les téléphones portables augmente », a déclaré Tanaka.

MuWNS pourrait un jour être utilisé pour piloter des robots travaillant sous l’eau ou guider des véhicules autonomes sous terre. Outre l’horloge atomique, tous les autres composants électroniques du MuWNS peuvent désormais être miniaturisés. L’équipe espère donc qu’il sera éventuellement possible de l’intégrer dans des appareils portables, comme votre téléphone. Dans des situations d’urgence comme l’effondrement d’un bâtiment ou d’une mine, cela pourrait changer la donne pour les équipes de recherche et de sauvetage.

Référence : « Première navigation avec système de navigation muométrique sans fil (MuWNS) dans les environnements intérieurs et souterrains » par Hiroyuki KM Tanaka, Giuseppe Gallo, Jon Gluyas, Osamu Kamoshida, Domenico Lo Presti, Takashi Shimizu, Sara Steigerwald, Koji. Takano, Yucheng Yang et Yusuke Yokota, 29 mai 2023, iScience.
DOI : 10.1016/j.isci.2023.107000