Det går inte att förneka att GPS och kartapplikationer på våra mobiltelefoner har dramatiskt påverkat samhället, inklusive militären. Ändå har även deras användning gränser för räckvidd och kapacitet. Nu går vetenskapen utöver det vanliga för att komma till avlägsna platser där GPS inte har någon räckvidd. I slutet av september valde Office of Naval Research (ONR) Global ut och samfinansierade tillsammans med U.S. Army Development Command det vinnande förslaget från dess andra årliga Global-X Challenge, som krävde internationella projekt för att åtgärda kapacitetsbrister på höga breddgrader (Polar). regioner).

Det vinnande projektet är ett team bestående av forskare från Japan, Storbritannien, USA och Finland, ledd av Dr. Chris Steer från Geoptic Infrastructure Investigations Limited (Storbritannien), och kommer att försöka visa om nio månader ett proof of concept för ett alternativt navigationssystem i Arktis med hjälp av myoner med precision som är lika med GPS. De kommer att använda en naturlig strålningskälla som kallas kosmiska strålmyoner som ett alternativ till de satellitbaserade GPS-signalerna. Den unika aspekten av detta arbete är att dessa subatomära partiklar passerar genom sten, byggnader och jord – områden där GPS-kommunikation inte kan tas emot.

Den ledande ONR Global vetenskapschefen för detta projekt, Dr. Charles Eddy, sa:"Förmågan att navigera i polarområdena kommer att bli av allt större betydelse under de kommande decennierna eftersom klimatförändringarna öppnar upp arktiska vattenvägar för kommersiella och militära aktiviteter. Detta projekt , som använder kosmiska relativistiska partiklar som kontinuerligt träffar jordens hela yta, erbjuder ett innovativt tillvägagångssätt för utmaningen att navigera på höga breddgrader med liten eller ingen GPS-tjänst."

På samma linje kommenterade Dr. Steer, "Precis som ekolokalisering kan tidsskillnaden mellan 'ping' - signalerna från en korsande myon i våra detektorer - tillåta användaren att mäta avståndet från en detektor till en annan med flera detektorer som tillåter plats genom triangulering. Tekniken har redan testats i laboratoriet tidigare, där processen att omvandla partiklars korsningstider för att sluta sig till positionen för en detektor demonstrerades framgångsrikt."

Utmaningar, möjligheter och framtida tillämpbarhet

Efter att först ha testat systemet i en stor vattensänkningstank i Storbritannien, kommer projektet att flytta till Finland för att distribueras i en arktisk sjö som är täckt av en meter is. På dessa höga breddgrader är konventionella GPS-mätningar problematiska på grund av deras orbitala begränsningar.

Ur ett vetenskapligt perspektiv är en betydande utmaning utvecklingen av ett antal noggrant specificerade sensorer såsom en mycket synkroniserad uppsättning distribuerade klockor (till bättre än 10 miljarddelar av en sekund), för att minimera den härledda positionsosäkerheten och deras integration med myondetektorerna. För att göra saken ännu mer utmanande, sade Steer, "måste vi också distribuera vårt system i arktiska väderförhållanden (vanligtvis -20 grader Celsius), i en isolerad miljö och delvis under vattnet. Den kalla miljön har konsekvenser för många aspekter av projektet från personal för att säkerställa att elektroniken är robust mot kyla."

De vetenskapliga möjligheterna finns i överflöd och de sträcker sig långt bortom undervattensmiljön, eftersom det är ett så vanligt problem att arbeta i miljöer som nekas GPS. "Havet är i stort sett genomskinligt för kosmiska strålmyoner, så vi förväntar oss att det finns ett antal vetenskapliga undervattensnavigeringsmöjligheter. På samma sätt, eftersom kosmiska strålmyoner är mycket penetrerande och kan passera genom många tiotals till hundratals meter av sten, är det möjligt att se att den här tekniken också har stora möjligheter i tunnlar och andra underjordiska miljöer," fortsatte Steer.

Framtiden är extremt ljus för denna forskningslinje med tanke på att positionssökning är grundläggande inom många områden inom vetenskap, teknik och industri. Även om generellt sett är en mycket positiv aspekt, "kan den breda tillämpbarheten också vara en distraherande fråga, eftersom det ofta krävs en fokusapplikation för att göra framsteg", säger Steer. "Därför skulle nästa steg efter det här projektet vara att förstå slutanvändarnas positioneringsbehov, välja ned till den bästa passformen med vårt positioneringsmätningssystem och att mogna tekniken för deras behov."

Den potentiella räckvidden är bred och projektets teknik är transformerande för positionering i tunnlar, och på land eller under vattnet på höga breddgrader.

Om Global-X

Syftet med Global-X Challenge är att upptäcka, störa och i slutändan tillhandahålla en katalysator genom grundläggande och tillämpad forskning för senare utveckling och leverans av revolutionerande kapacitet till U.S. Navy and Marine Corps, den kommersiella marknaden och allmänheten.

ONR Global sponsrar vetenskapliga ansträngningar utanför USA, och arbetar med forskare och partners över hela världen för att upptäcka och främja marin kapacitet.