Quadkoptery z zegarem mogą zapewnić bardzo dokładny GPS

Globalny System Pozycjonowania stał się jednym z podstawowych filarów życia w XXI wieku. Większość ludzi w rozwiniętym świecie posiada odbiornik GPS i wiele branż polega na nim, czasami do zadań krytycznych dla życia.

Ten system jest tak ważny, że rządy, liderzy przemysłu i wojsko od dawna badają jego wady i martwią się, jak łatwo byłoby go obalić. Wyniki ich załamywania rąk w żaden sposób nie uspokajają.

Jednym z koszmarnych scenariuszy jest syndrom Kesslera, niepokojąca możliwość, że zderzenie na orbicie Ziemi może spowodować kaskadę dalszych zderzeń, które dramatycznie zwiększą gęstość kosmicznych śmieci. Może to zniszczyć całą konstelację satelitów GPS w ciągu zaledwie kilku godzin.

Tak wiele grup zaczęło zastanawiać się, jak przywrócić system GPS bez polegania na satelitach. A dzisiaj Narodowy Instytut Standardów i Technologii rządu USA publikuje wyniki jednego programu, który może to umożliwić.

Najpierw trochę tła. Satelity GPS to w zasadzie zegary na orbicie, które nadają precyzyjne, zsynchronizowane sygnały czasu. Odbiornik na ziemi może dokonać triangulacji swojej pozycji, porównując czasy nadejścia sygnałów z trzech lub więcej satelitów.

Orbitujące zegarki to zegary atomowe oparte na atomach cezu. Kiedy elektrony krążące wokół atomów przeskakują z jednego stanu do drugiego, wytwarzają promieniowanie o częstotliwości dokładnie 9 192 631 770 Hz — tak zwany standard cezowy. Służy do utrzymywania czasu.

Te zegary atomowe są dokładne z dokładnością do 10-6 sekund i są regularnie synchronizowane z systemami naziemnymi. Ta synchronizacja decyduje o dokładności pozycjonowania systemu.

Jednak zegary naziemne można synchronizować ze znacznie większą dokładnością. Rzeczywiście, technika znana jako optyczny dwukierunkowy transfer czasu i częstotliwości zsynchronizowała zegary z dokładnością do 10-19 sekund.

Ale zastosowanie tego do ruchomych zegarów nie było możliwe. Procedura synchronizacji zakłada, że ​​czas potrzebny na przejście światła z jednego zegara do drugiego jest taki sam w obu kierunkach. Ale tak nie jest, jeśli któryś zegar się porusza. Więc to nie może być używane w systemach typu GPS

Dziś wygląda na to, że to się zmieni, dzięki pracy Hugo Bergerona i kolegów z placówki NIST w Boulder w Kolorado. Ci faceci opracowali technikę synchronizacji pary ruchomych zegarów z niezwykłą dokładnością.

Sekret nowego podejścia jest stosunkowo prosty. Celem jest znalezienie sposobu na uwzględnienie ruchu zegarów. Więc Bergeron i spółka po prostu mierzą ruch względny.

Mówią, że prędkość jest określana na podstawie tempa zmian zmierzonego czasu przelotu w trzech mniej więcej ciągłych pomiarach wymagających ~1,5 ms w turbulentnym łączu.

Przetestowali tę nową technikę za pomocą sygnałów czasowych przekazywanych przez retroreflektory zamontowane na parze quadkopterów, które mogą poruszać się z prędkością względną do 24 metrów na sekundę.

A wyniki są imponujące. Mówią, że zsynchronizowane zegary zgadzają się na częstotliwość ~10-18.

Jest to oczywiście znacznie dokładniejsze niż obecne sygnały GPS i otwiera całą gamę nowych zastosowań. Nie tylko jest to bardziej dokładna nawigacja, ale istnieje również potencjał dla rozproszonych mobilnych eksperymentów naukowych poszukujących wszystkiego, od fal grawitacyjnych po ciemną materię.

Zwiększa również możliwość szybkiej wymiany konstelacji satelitów GPS w przypadku katastrofy za pomocą balonów, dronów lub innych pojazdów latających.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1808.07870 : Femtosekundowa synchronizacja zegarów optycznych z latającego quadkoptera

ukryć