211service.com
Klokkebærende quadcoptre kan gi ultranøyaktig GPS
Global Positioning System har blitt en av grunnpilarene i det 21. århundre. De fleste i den utviklede verden eier en GPS-mottaker, og mange industrier er avhengige av dem, noen ganger for livskritiske oppgaver.
Dette systemet er så viktig at regjeringer, industriledere og militæret lenge har studert dets mangler og bekymret seg over hvor lett det ville være å få det ned. Resultatene av deres håndvridning er på ingen måte betryggende.
Et marerittscenario er Kessler-syndromet, den bekymringsfulle muligheten for at en kollisjon i jordens bane kan forårsake en kaskade av ytterligere kollisjoner som dramatisk øker tettheten av romavfall. Dette kan ødelegge hele GPS-satellittkonstellasjonen på bare noen få timer.
Så mange grupper har begynt å tenke på hvordan GPS-systemet kan gjenopprettes uten å stole på satellitter. Og i dag publiserer den amerikanske regjeringens National Institute of Standards and Technology resultatene av ett program som kan gjøre dette mulig.
Først litt bakgrunn. GPS-satellitter er i hovedsak kretsende klokker som sender presise, synkroniserte tidssignaler. En mottaker på bakken kan triangulere sin posisjon ved å sammenligne ankomsttidene til signaler fra tre eller flere satellitter.
De kretsende klokkene er atomklokker basert på cesiumatomer. Når elektroner som går i bane rundt atomene hopper fra en tilstand til en annen, produserer de stråling med en frekvens på nøyaktig 9 192 631 770 hertz – den såkalte cesiumstandarden. Dette brukes for å holde tid.
Disse atomklokkene er nøyaktige innen 10-6 sekunder og synkroniseres regelmessig med bakkebaserte systemer. Denne synkroniseringen er det som bestemmer systemets posisjoneringsnøyaktighet.
Bakkebaserte klokker kan imidlertid synkroniseres med mye større nøyaktighet. Faktisk har en teknikk kjent som optisk toveis tids-frekvensoverføring synkronisert klokker til innenfor 10-19 sekunder.
Men å bruke dette på bevegelige klokker har ikke vært mulig. Synkroniseringsprosedyren forutsetter at tiden det tar lys å reise fra den ene klokken til den andre er den samme i begge retninger. Men dette er ikke tilfelle hvis noen av klokkene beveger seg. Så dette kan ikke brukes for GPS-systemer
I dag ser det ut til å endre seg, takket være arbeidet til Hugo Bergeron og kolleger ved NIST-anlegget i Boulder, Colorado. Disse karene har utviklet en teknikk for å synkronisere et par bevegelige klokker med ekstraordinær nøyaktighet.
Hemmeligheten bak den nye tilnærmingen er relativt grei. Målet er å finne en måte å ta hensyn til klokkenes bevegelse. Så Bergeron og co måler ganske enkelt den relative bevegelsen.
Hastigheten er funnet fra endringshastigheten til den målte flytiden over tre omtrent kontinuerlige målinger som krever ~1,5 ms over en turbulent link, sier de.
De satte denne nye teknikken på prøve ved å bruke tidssignaler videresendt av retroreflektorer montert på et par quadcoptere som kan bevege seg med relative hastigheter på opptil 24 meter per sekund.
Og resultatene er imponerende. De synkroniserte klokkene stemmer med ~10−18 i frekvens, sier de.
Det er åpenbart mye mer nøyaktig enn gjeldende GPS-signaler og åpner for en hel rekke nye applikasjoner. Ikke minst av disse er mer nøyaktig navigasjon, men det er også potensial for distribuerte mobile vitenskapelige eksperimenter som leter etter alt fra gravitasjonsbølger til mørk materie.
Og det øker også muligheten for å erstatte GPS-satellittkonstellasjonen raskt hvis en katastrofe skulle inntreffe, ved hjelp av ballonger, droner eller andre flygende kjøretøy.
Ref: arxiv.org/abs/1808.07870 : Femtosekund-synkronisering av optiske klokker fra et flygende quadcopter