Laikrodžiais nešiojami keturkopiai galėtų užtikrinti itin tikslų GPS

Pasaulinė padėties nustatymo sistema tapo vienu iš pagrindinių 21-ojo amžiaus gyvenimo ramsčių. Dauguma išsivysčiusių pasaulio žmonių turi GPS imtuvus, o daugelis pramonės šakų jais naudojasi, kartais atlikdamos svarbias užduotis.

Ši sistema tokia svarbi, kad vyriausybės, pramonės lyderiai ir kariuomenė jau seniai tyrinėjo jos trūkumus ir nerimauja, kaip būtų lengva ją sugriauti. Jų laužymo rankomis rezultatai jokiu būdu nedžiugina.

Vienas iš košmariškų scenarijų yra Kesslerio sindromas, nerimą kelianti galimybė, kad susidūrimas Žemės orbitoje gali sukelti tolesnių susidūrimų pakopą, kuri smarkiai padidins kosminių šiukšlių tankį. Tai gali sunaikinti visą GPS palydovų žvaigždyną vos per kelias valandas.

Tiek daug grupių pradėjo galvoti, kaip būtų galima atkurti GPS sistemą nepasikliaujant palydovais. Ir šiandien JAV vyriausybės Nacionalinis standartų ir technologijų institutas skelbia vienos programos, kuri galėtų tai padaryti, rezultatus.

Pirmiausia šiek tiek fono. GPS palydovai iš esmės yra orbitiniai laikrodžiai, transliuojantys tikslius, sinchronizuotus laiko signalus. Ant žemės esantis imtuvas gali trikampiuoti savo padėtį, palygindamas signalų iš trijų ar daugiau palydovų atvykimo laiką.

Orbitiniai laikrodžiai yra atominiai laikrodžiai, pagrįsti cezio atomais. Kai elektronai, skriejantys aplink atomus, šokinėja iš vienos būsenos į kitą, jie sukuria spinduliuotę, kurios dažnis yra lygiai 9 192 631 770 hercų – vadinamasis cezio standartas. Tai naudojama laiko išlaikymui.

Šių atominių laikrodžių tikslumas siekia 10–6 sekundes ir yra reguliariai sinchronizuojamas su antžeminėmis sistemomis. Ši sinchronija lemia sistemos padėties nustatymo tikslumą.

Tačiau antžeminius laikrodžius galima sinchronizuoti daug tiksliau. Iš tiesų, technika, žinoma kaip optinis dvipusis laiko ir dažnio perdavimas, sinchronizuoja laikrodžius 10–19 sekundžių tikslumu.

Tačiau tai nebuvo įmanoma pritaikyti judantiems laikrodžiams. Sinchronizavimo procedūroje daroma prielaida, kad laikas, per kurį šviesa keliauja iš vieno laikrodžio į kitą, yra vienodas abiem kryptimis. Bet taip nėra, jei kuris nors laikrodis juda. Taigi tai negali būti naudojama GPS tipo sistemoms

Šiandien atrodo, kad tai pasikeis dėl Hugo Bergerono ir kolegų darbo NIST įstaigoje Boulderyje, Kolorado valstijoje. Šie vaikinai sukūrė techniką, leidžiančią nepaprastai tiksliai sinchronizuoti judančių laikrodžių porą.

Naujojo požiūrio paslaptis yra gana paprasta. Tikslas yra rasti būdą, kaip atsižvelgti į laikrodžių judėjimą. Taigi Bergeronas ir bendradarbiai tiesiog išmatuoja santykinį judėjimą.

Pasak jų, greitis nustatomas pagal išmatuoto skrydžio laiko kitimo greitį per tris maždaug nepertraukiamus matavimus, kuriems reikia ~ 1,5 ms per turbulentinę jungtį.

Jie išbandė šią naują techniką naudodami laiko signalus, perduodamus retroreflektoriais, sumontuotais ant poros keturkoperių, galinčių judėti santykiniu greičiu iki 24 metrų per sekundę.

O rezultatai įspūdingi. Pasak jų, sinchronizuoti laikrodžiai sutinka su ~ 10–18 dažniu.

Akivaizdu, kad tai daug tikslesnė nei dabartiniai GPS signalai ir atveria daugybę naujų programų. Ne mažiau svarbu yra tikslesnė navigacija, bet taip pat yra galimybė atlikti paskirstytus mobilius mokslinius eksperimentus, ieškant visko – nuo ​​gravitacinių bangų iki tamsiosios materijos.

Tai taip pat padidina galimybę greitai pakeisti GPS palydovo žvaigždyną, jei įvyktų nelaimė, naudojant balionus, dronus ar kitas skraidančias transporto priemones.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1808.07870 : Femtosekundinis skraidančio keturkopterio optinių laikrodžių sinchronizavimas

paslėpti