Klockbärande quadcoptrar skulle kunna ge ultraexakt GPS

Global Positioning System har blivit en av grundpelarna i 2000-talets liv. De flesta människor i den utvecklade världen äger en GPS-mottagare och många industrier förlitar sig på dem, ibland för livsviktiga uppgifter.



Detta system är så viktigt att regeringar, industriledare och militären länge har studerat dess brister och oroat sig över hur lätt det skulle vara att få ner det. Resultaten av deras handvridning är inte på något sätt betryggande.

Ett mardrömsscenario är Kesslers syndrom, den oroande möjligheten att en kollision i jordens omloppsbana kan orsaka en kaskad av ytterligare kollisioner som dramatiskt ökar tätheten av rymdskräp. Detta kan förstöra hela GPS-satellitkonstellationen på bara några timmar.





carrie fisher rogue one cgi

Så många grupper har börjat fundera på hur GPS-systemet skulle kunna återställas utan att förlita sig på satelliter. Och idag publicerar den amerikanska regeringens National Institute of Standards and Technology resultaten av ett program som skulle kunna göra detta möjligt.

Först lite bakgrund. GPS-satelliter är i huvudsak kretsande klockor som sänder exakta, synkroniserade tidssignaler. En mottagare på marken kan triangulera sin position genom att jämföra ankomsttiderna för signaler från tre eller flera satelliter.

De kretsande klockorna är atomur baserade på cesiumatomer. När elektroner som kretsar kring atomerna hoppar från ett tillstånd till ett annat producerar de strålning med en frekvens på exakt 9 192 631 770 hertz – den så kallade cesiumstandarden. Detta används för att hålla tiden.



Dessa atomklockor är exakta inom 10-6 sekunder och synkroniseras regelbundet med markbaserade system. Denna synkronisering är det som bestämmer systemets positioneringsnoggrannhet.

Markbaserade klockor kan dock synkroniseras med mycket större noggrannhet. Faktum är att en teknik som kallas optisk tvåvägs tids-frekvensöverföring har synkroniserade klockor till inom 10-19 sekunder.

Men att tillämpa detta på rörliga klockor har inte varit möjligt. Synkroniseringsproceduren förutsätter att tiden det tar ljuset att färdas från den ena klockan till den andra är densamma i båda riktningarna. Men detta är inte fallet om någon av klockan rör sig. Så detta kan inte användas för GPS-system

artificiell intelligens inom logistik

Idag ser det ut att förändras, tack vare Hugo Bergerons och kollegors arbete vid NIST-anläggningen i Boulder, Colorado. Dessa killar har utvecklat en teknik för att synkronisera ett par rörliga klockor med extraordinär noggrannhet.



Hemligheten bakom det nya tillvägagångssättet är relativt okomplicerat. Målet är att hitta ett sätt att ta hänsyn till klockornas rörelse. Så Bergeron och co mäter helt enkelt den relativa rörelsen.

en amerikansk första energiplan

Hastigheten hittas från förändringshastigheten för den uppmätta flygtiden över tre ungefär kontinuerliga mätningar som kräver ~1,5 ms över en turbulent länk, säger de.

De testade denna nya teknik med hjälp av tidssignaler som förmedlas av retroreflektorer monterade på ett par quadcoptrar som kan röra sig med relativa hastigheter på upp till 24 meter per sekund.

Och resultaten är imponerande. De synkroniserade klockorna överensstämmer med ~10−18 i frekvens, säger de.

Det är uppenbarligen mycket mer exakt än nuvarande GPS-signaler och öppnar upp för en hel rad nya applikationer. Inte minst av dessa är mer exakt navigering, men det finns också potential för distribuerade mobila vetenskapliga experiment som letar efter allt från gravitationsvågor till mörk materia.

Och det ökar också möjligheten att snabbt ersätta GPS-satellitkonstellationen om en katastrof skulle inträffa, med hjälp av ballonger, drönare eller andra flygande fordon.

Ref: arxiv.org/abs/1808.07870 : Femtosekundssynkronisering av optiska klockor från en flygande quadcopter

Dölj