宇宙射線導(dǎo)航技術(shù)：探索無GPS定位的新天地

　　“導(dǎo)航”這個(gè)詞容易引起誤解。按字面理解，“導(dǎo)航”似乎就是前面有個(gè)東西領(lǐng)著你走。但科技上所謂的“導(dǎo)航”，是讓你知道自己所處的地理位置的意思，是“定位”的同義詞。

　　GPS導(dǎo)航的缺點(diǎn)

　　我們現(xiàn)在用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)來導(dǎo)航。GPS是這樣工作的：假如你開著車，那么在太空中，至少有4顆以上的全球定位衛(wèi)星在同時(shí)向你車上的GPS接收器發(fā)射無線電信號(hào);不過，因?yàn)檫@些衛(wèi)星分布在太空的不同位置，與你的距離各有遠(yuǎn)近，所以你接收到的4顆衛(wèi)星的信號(hào)之間會(huì)有微小的時(shí)間差。根據(jù)這個(gè)時(shí)間差，可以精確計(jì)算出你此刻的位置，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的目的。

　　現(xiàn)在，GPS幾乎覆蓋全球，但它也不是萬能的。譬如，它就不能給水下的潛艇導(dǎo)航，因?yàn)镚PS發(fā)射的無線電波會(huì)被水吸收，到達(dá)不了水下。正是由于沒有精確的水下導(dǎo)航技術(shù)，潛艇觸礁的事件時(shí)有發(fā)生。

　　GPS在高緯度的北極地區(qū)也不能精確導(dǎo)航。這一方面是因?yàn)镚PS的定位衛(wèi)星大多數(shù)運(yùn)行在低緯度地區(qū)，在北極上空運(yùn)行的很少;另一方面也是因?yàn)閮蓸O上空來自太空的帶電粒子太多，對(duì)GPS信號(hào)的干擾太大?？墒?，隨著全球氣候變暖，很多船只和潛艇已經(jīng)開始進(jìn)入北極地區(qū)活動(dòng)，那里迫切需要一種精確的導(dǎo)航技術(shù)。

　　讓人意想不到的是，利用宇宙射線轟擊地球大氣時(shí)產(chǎn)生的μ子，也可以進(jìn)行導(dǎo)航，而且還可以補(bǔ)GPS導(dǎo)航之不足。這正是北極所需要的。

　　μ子定位的原理

　　宇宙射線是來自太空的高能帶電粒子。它們通常起源于太陽系外，甚至銀河系外。當(dāng)一陣宇宙射線粒子流撞擊上層大氣時(shí)，會(huì)像天女散花一樣，產(chǎn)生大量的μ子落下。平均而言，地面上只有你的拇指甲這么一丁點(diǎn)大的面積，每分鐘就有一個(gè)μ子穿過。

　　而且，我們可以認(rèn)為，在同一陣射線流中，不同粒子的撞擊時(shí)間先后可以忽略不計(jì)(換句話說，撞擊在同一時(shí)間發(fā)生)。因?yàn)樗鼈兗热粡哪敲创罄线h(yuǎn)的地方來，還能保持在同一支“隊(duì)伍”里，說明它們的速度幾乎完全相等，否則在途中有的早就落伍了。

　　由宇宙射線撞擊大氣產(chǎn)生的μ子是一種穿透力極強(qiáng)的粒子，可以穿透水甚至巖石。它是一種不穩(wěn)定的粒子，靜止壽命只有2.2微秒。但是，宇宙射線產(chǎn)生的μ子幾乎以光速運(yùn)動(dòng)，所以它的壽命可以延長到60微秒之多。在它衰變之前，可以飛行大約2萬米之遠(yuǎn)，足以穿透海洋的水體以及淺層的地表。

　　μ子定位的原理是這樣：在地面大范圍布置許多個(gè)μ子探測器，每個(gè)探測器還要配備一個(gè)原子鐘，用于校對(duì)μ子被探測到的時(shí)間。這相當(dāng)于GPS定位系統(tǒng)中的基站。然后，在移動(dòng)物體(如船只、潛艇)上也配備一套μ子探測器和原子鐘。當(dāng)高空中宇宙射線粒子流撞擊大氣時(shí)，會(huì)向地面傾撒大量的μ子。我們不妨把這當(dāng)作一次撞擊事件。當(dāng)來自同一次撞擊事件的μ子，一個(gè)被基站A探測到，另一個(gè)被移動(dòng)物體探測到，因飛過的距離不同，兩者會(huì)有一個(gè)時(shí)間差。根據(jù)時(shí)間差，就可以得知移動(dòng)物體距離基站A有多遠(yuǎn)，假設(shè)這個(gè)距離是r1?；蛘哒f，可以確定，移動(dòng)物體處在以基站A為圓心，以r1為半徑的圓周上。

　　假如移動(dòng)物體靜止不動(dòng)，過了一會(huì)兒，第二次撞擊事件發(fā)生。移動(dòng)物體又探測到第二陣宇宙射線流(可以與前一陣有不同的來源)撞擊產(chǎn)生的一個(gè)μ子，而同一撞擊產(chǎn)生的另一個(gè)μ子被基站B探測到了，我們又可以知道移動(dòng)物體距離基站B有多遠(yuǎn)，假設(shè)這個(gè)距離是r2?？梢源_定，移動(dòng)物體處在以基站B為圓心，以r2為半徑的圓周上。

　　移動(dòng)物體既要滿足離基站A距離r1，又要滿足離基站B距離r2，從幾何學(xué)上說，它必處于兩個(gè)圓周的交點(diǎn)中的一個(gè)上。這樣，理論上說，就能唯一地確定移動(dòng)物體的位置。當(dāng)然，你要是想提高精度，可以多探測幾個(gè)撞擊事件。實(shí)驗(yàn)室測試表明，探測10個(gè)事件就足以使定位精確到60毫米。進(jìn)一步的測量能將精度提高到10毫米或更少。

　　廣闊的應(yīng)用前景

　　從上述工作原理上，你或許已經(jīng)看出，這種定位方式也有不足之處：移動(dòng)物體要多次探測μ子才能定位，但這一次與下一次探測畢竟有時(shí)間間隔。這意味著，在定位時(shí)，移動(dòng)物體最好是呆在原地不動(dòng)，才能讓定位精確。因此，它不適合給那些在做高速運(yùn)動(dòng)的物體(如飛機(jī)、導(dǎo)彈等)定位。但考慮到船只和潛艇的移動(dòng)速度都比較慢，或者為了準(zhǔn)確定位，停一停都無妨，所以對(duì)它們倒是蠻合適的。

　　這套定位系統(tǒng)需要使用1平方米大小的μ子探測器，以及精確到100億分之一秒的原子鐘。這些設(shè)備每一樣都價(jià)格不菲，動(dòng)輒數(shù)百萬美元。但錢不是問題，真正的挑戰(zhàn)是，如何確保它們能夠在北極平均-20℃的低溫環(huán)境或者數(shù)千米深的水底下工作。

　　目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在英國一個(gè)大型水箱中通過測試，隨后將轉(zhuǎn)移到芬蘭一個(gè)覆蓋1米厚的冰的高緯度湖泊中進(jìn)行測試。如果成功，它將在軍事、海洋勘探等方面有著廣闊的應(yīng)用前景，甚至在GPS的定位衛(wèi)星受到攻擊的時(shí)候，暫時(shí)可以替代GPS進(jìn)行導(dǎo)航。