Ur-bærende quadcoptere kunne levere ultra-præcis GPS

Global Positioning System er blevet en af ​​de grundlæggende søjler i det 21. århundredes liv. De fleste mennesker i den udviklede verden ejer en GPS-modtager, og adskillige industrier er afhængige af dem, nogle gange til livskritiske opgaver.

Dette system er så vigtigt, at regeringer, industriledere og militæret længe har studeret dets mangler og bekymret sig over, hvor nemt det ville være at bringe det ned. Resultaterne af deres håndvridning er på ingen måde betryggende.

Et mareridtsscenarie er Kessler-syndromet, den bekymrende mulighed for, at en kollision i kredsløb om Jorden kan forårsage en kaskade af yderligere kollisioner, der dramatisk øger tætheden af ​​rumaffald. Dette kan ødelægge hele GPS-satellitkonstellationen på blot et par timer.

Så mange grupper er begyndt at tænke på, hvordan GPS-systemet kunne genoprettes uden at være afhængig af satellitter. Og i dag offentliggør den amerikanske regerings National Institute of Standards and Technology resultaterne af et program, der kunne gøre dette muligt.

Først lidt baggrund. GPS-satellitter er i bund og grund kredsende ure, der udsender præcise, synkroniserede tidssignaler. En modtager på jorden kan triangulere sin position ved at sammenligne ankomsttiderne for signaler fra tre eller flere satellitter.

De kredsende ure er atomure baseret på cæsiumatomer. Når elektroner, der kredser om atomerne, hopper fra en tilstand til en anden, producerer de stråling med en frekvens på præcis 9.192.631.770 hertz - den såkaldte cæsiumstandard. Dette bruges til at holde tiden.

Disse atomure er nøjagtige til inden for 10-6 sekunder og synkroniseres regelmæssigt med jordbaserede systemer. Denne synkronisering er det, der bestemmer systemets positioneringsnøjagtighed.

Jordbaserede ure kan dog synkroniseres med meget større nøjagtighed. Faktisk har en teknik kendt som optisk to-vejs tids-frekvensoverførsel synkroniseret ure til inden for 10-19 sekunder.

Men det har ikke været muligt at anvende dette på bevægelige ure. Synkroniseringsproceduren antager, at den tid, det tager lys at bevæge sig fra det ene ur til det andet, er den samme i begge retninger. Men dette er ikke tilfældet, hvis enten uret bevæger sig. Så dette kan ikke bruges til GPS-type systemer

I dag ser det ud til at ændre sig, takket være arbejdet fra Hugo Bergeron og kolleger på NIST-anlægget i Boulder, Colorado. Disse fyre har udviklet en teknik til at synkronisere et par bevægelige ure med ekstraordinær nøjagtighed.

Hemmeligheden bag den nye tilgang er forholdsvis ligetil. Målet er at finde en måde at tage højde for urenes bevægelse. Så Bergeron og co måler simpelthen den relative bevægelse.

Hastigheden findes ud fra ændringshastigheden af ​​den målte flyvetid over tre nogenlunde kontinuerlige målinger, der kræver ~1,5 ms på tværs af en turbulent forbindelse, siger de.

De satte denne nye teknik på prøve ved hjælp af tidssignaler videregivet af retroreflektorer monteret på et par quadcoptere, der kan bevæge sig med relative hastigheder på op til 24 meter i sekundet.

Og resultaterne er imponerende. De synkroniserede ure stemmer overens med ~10−18 i frekvens, siger de.

Det er naturligvis meget mere nøjagtigt end de nuværende GPS-signaler og åbner op for en hel række af nye applikationer. Ikke mindst af disse er mere præcis navigation, men der er også potentiale for distribuerede mobile videnskabelige eksperimenter, der leder efter alt fra gravitationsbølger til mørkt stof.

Og det øger også muligheden for hurtigt at udskifte GPS-satellitkonstellationen, hvis katastrofen rammer, ved hjælp af balloner, droner eller andre flyvende køretøjer.

Ref: arxiv.org/abs/1808.07870 : Femtosekund-synkronisering af optiske ure fra en flyvende quadcopter

skjule