Klokdragende quadcopters kunnen ultranauwkeurige GPS bieden

Het Global Positioning System is een van de fundamentele pijlers geworden van het leven in de 21e eeuw. De meeste mensen in de ontwikkelde wereld hebben een GPS-ontvanger en tal van industrieën vertrouwen erop, soms voor levenskritieke taken.

Dit systeem is zo belangrijk dat regeringen, industrieleiders en het leger lang de tekortkomingen ervan hebben bestudeerd en zich zorgen hebben gemaakt over hoe gemakkelijk het zou zijn om het neer te halen. De resultaten van hun handenwringen zijn geenszins geruststellend.

Een nachtmerriescenario is het Kessler-syndroom, de zorgwekkende mogelijkheid dat een botsing in een baan om de aarde een cascade van verdere botsingen zou kunnen veroorzaken die de dichtheid van ruimtepuin dramatisch verhogen. Dit zou de hele GPS-satellietconstellatie in slechts een paar uur kunnen vernietigen.

Zoveel groepen zijn begonnen na te denken over hoe het GPS-systeem kan worden hersteld zonder afhankelijk te zijn van satellieten. En vandaag publiceert het National Institute of Standards and Technology van de Amerikaanse regering de resultaten van één programma dat dit mogelijk zou kunnen maken.

Eerst wat achtergrond. GPS-satellieten zijn in wezen in een baan rond de klok draaiende klokken die nauwkeurige, gesynchroniseerde tijdsignalen uitzenden. Een ontvanger op de grond kan zijn positie trianguleren door de aankomsttijden van signalen van drie of meer satellieten te vergelijken.

De ronddraaiende uurwerken zijn atoomklokken op basis van cesiumatomen. Wanneer elektronen die om de atomen draaien van de ene toestand naar de andere springen, produceren ze straling met een frequentie van precies 9.192.631.770 hertz - de zogenaamde cesiumstandaard. Dit wordt gebruikt om de tijd bij te houden.

Deze atoomklokken zijn tot op 10-6 seconden nauwkeurig en worden regelmatig gesynchroniseerd met systemen op de grond. Deze synchronisatie bepaalt de positioneringsnauwkeurigheid van het systeem.

Op de grond gebaseerde klokken kunnen echter met een veel grotere nauwkeurigheid worden gesynchroniseerd. Inderdaad, een techniek die bekend staat als optische tweerichtings tijd-frequentieoverdracht heeft klokken gesynchroniseerd tot binnen 10-19 seconden.

Maar dit toepassen op bewegende klokken was niet mogelijk. De synchronisatieprocedure gaat ervan uit dat de tijd die het licht nodig heeft om van de ene klok naar de andere te reizen in beide richtingen gelijk is. Maar dit is niet het geval als een van beide klokken beweegt. Dit kan dus niet worden gebruikt voor systemen van het type GPS

Vandaag lijkt dat te veranderen, dankzij het werk van Hugo Bergeron en collega's van de NIST-faciliteit in Boulder, Colorado. Deze jongens hebben een techniek ontwikkeld om een ​​paar bewegende klokken met buitengewone nauwkeurigheid te synchroniseren.

Het geheim achter de nieuwe aanpak is relatief eenvoudig. Het doel is om een ​​manier te vinden om rekening te houden met de beweging van de klokken. Bergeron en co meten dus eenvoudig de relatieve beweging.

De snelheid wordt gevonden uit de veranderingssnelheid van de gemeten vliegtijd over drie ruwweg continue metingen die ~1,5 ms vereisen over een turbulente link, zeggen ze.

Ze hebben deze nieuwe techniek op de proef gesteld met behulp van tijdsignalen die worden doorgegeven door retroreflectoren die zijn gemonteerd op een paar quadcopters die met relatieve snelheden tot 24 meter per seconde kunnen bewegen.

En de resultaten zijn indrukwekkend. De gesynchroniseerde klokken komen overeen met ~10-18 in frequentie, zeggen ze.

Dat is duidelijk veel nauwkeuriger dan de huidige GPS-signalen en opent een hele reeks nieuwe toepassingen. Dit is niet in de laatste plaats nauwkeurigere navigatie, maar er is ook het potentieel voor gedistribueerde mobiele wetenschappelijke experimenten op zoek naar alles, van zwaartekrachtsgolven tot donkere materie.

En het verhoogt ook de mogelijkheid om de GPS-satellietconstellatie snel te vervangen als zich een ramp voordoet, met behulp van ballonnen, drones of andere vliegende voertuigen.

Referentie: arxiv.org/abs/1808.07870 : Femtoseconde synchronisatie van optische klokken van een vliegende quadcopter

zich verstoppen