שעון אופטי אופציונלי מבטיח סנטימטר ברמת דיוק GPS

Anonim

שעון אופטי אופציונלי מבטיח סנטימטר ברמת דיוק GPS

חלל

דוד שונדי

נובמבר 28, 2016

2 תמונות

Booster שלב להתנתק מן הרקטות שנשמע לשלוח את השעון האופטי לחלל (אשראי: Airbus הביטחון & Space GmbH)

כמו מלחים במאה ה -17 למדו את הדרך הקשה, לאחר שעון מדויק לניווט הוא חסר טעם אם זה עדין מדי לשאת על הספינה. כנ"ל לגבי שעונים אופטיים סופר מדויק מפותח עבור לוויינים GPS בעתיד.

אנו חיים בעולם התלוי יותר ויותר ב- GPS עבור תיקון מיקום, טלפונים ניידים, ניווט, מדידות ואפילו בקרת מלאי במספנות ובמחסנים. על ידי נעילה על האות של ארבעה או יותר לוויינים, זה אפשרי בתוך שניות כדי לקבוע את המיקום של אחד כמעט בכל מקום על פני כדור הארץ בתוך כמה מטרים, אבל זה ברמה של דיוק פשוט לא מספיק טוב יותר.

הבעיה היא ש- GPS תלוי בשעונים האטומיים המותקנים בלוויינים, המייצרים חותמת זמן המבוססת על הרטט של אטום צזיום המתנדנד בטווח המיקרוגל. כדי להשיג דיוק ודיוק גבוהים יותר, מהנדסים רוצים להעביר את התנודה הזו לתדרים המצומצמים הרבה יותר של אור גלוי, שהם פי 100, 000 יותר ממיקרוגל, תוך שימוש במה שמכונה שעונים אופטיים.

כדי להבין מהו שעון אופטי, חשבו על שעון אטומי כעל מטוטלת כמו שעון קיר ישן. מטוטלת עשה כראוי נדנדה עם סדירות רבה מסמן את הזמן עם מספיק דיוק כדי להפוך את שעונים המטוטלת שומרי הזמן הדומיננטיים עד המצאת הכרונומטר בסוף המאה ה -18.

עכשיו דמיינו שבמקום להכות פעם או פעמיים בשנייה, המטוטלת מכה 300 מיליון פעמים בשנייה - עכשיו יש לכם דיוק של שעון אטומי, שמשתמש באטומי צזיום כדי להכות בתדירות של גלי מיקרו. להכפיל את אלה פעימות של 100, 000 ואתה בתחום של השעון האופטי - שנקרא כך כי זה פועל בתדירות של אור גלוי.

השימוש בשעונים אופטיים בלווייני ה- GPS יביא לדייקנות של פי 100 עד 1, 000 פעמים מאשר שעונים אטומיים רגילים. אבל כדי לקרוא את התדרים האלה יהיה צורך להפחית את הפלט של שעונים אופטיים אלה, כך פעימות יכול לספור מקושר לשעון אטומית מבוססי מיקרוגל עבור אימות.

זה המקום שבו מסרק תדר מגיע פנימה מסרק תדר בשעון אופטי פועל כמו צמצום ההילוכים בשעון מכני כדי להזיז את הפלט למטה מן הנראה אל ספקטרום המיקרוגל. התקנים אלה משתמשים בלייזרים שנורו במרווחים של עשירית טריליון של שנייה, המרווחים במרווחים אחידים בזמן, ולכן על פני התדר הגלוי הם יוצרים מיליוני שיניים כמו מסרק. על ידי קישור השיניים אלה לקצב של שעון אטומי, התוצאה היא השעון האופטי מדויק יותר וקריא.

קבלת שעונים אופטיים מעל הקרקע

הבעיה היא שעד עכשיו מסרקי תדר (ולכן שעונים אופטיים) היו מפלצות כבדות, מגושמות, עדינות. זה מוביל אותנו לעבודה של Matthias Lezius של Menlo Systems וצוותו, שבנו שעון אופקי קומפקטי כי הוא מסוגל לפעול בסביבה כבידה אפס ויש לו פוטנציאל ליום אחד לייצר סנטימטר ברמת מיקום GPS תיקון.

הגרסה המתקדמת של הצוות של מסרק התדרים משתמשת בסיבים אופטיים ולא רק אוטומטית לחלוטין, אלא שוקלת רק 22 ק"ג (44 lb) ומודדת רק 22 x 14.2 ס"מ (8.7 x 5.6 אינץ '). היא גם משתמשת רק 70 W של כוח הוא סלעי מספיק כדי להיות שיגור רקטה, וזה בדיוק מה הצוות עשה באפריל 2015 לאחר שילוב זה עם שעון צזיום אטומי ושעון אופטי רובידיום.

במבחן זה של יכולתו לפעול בחלל, השעון הושלם במודול מטען שנבנה על ידי איירבוס הביטחון והחלל, ולאחר מכן ירה לחלל על מסלול תת-קרקעי על גבי רקטה קולית ממרכז החלל איסראנז ', הנמצא מעל חוג הארקטי בשוודיה. במהלך הטיסה של שש דקות, הביצועים של השעון האופטי נצפו באמצעות קישור רדיו טלמטריה בתדר נמוך.

Booster שלב להתנתק מן הרקטות שנשמע לשלוח את השעון האופטי לחלל (אשראי: Airbus הביטחון & Space GmbH)

למרות השעון עבד, זה הוכיח שיש רק עשירית הדיוק של לוויינים GPS, אבל הצוות עובד על הדור הבא, אשר הם אומרים יהיו כמה פקודות בסדר גודל מדויק יותר. זה השעון האופטי החדש, מתוכנן לטוס ב 2017, יהיה קשוח ואקום, כך שהוא לא צריך לשמור במיכל בלחץ, ויהיה עמיד יותר קרניים קוסמיות, כך זה צריך להימשך כמה שנים בחלל. התקווה היא יום אחד שיהיה שעון אופטי במשקל של כמה קילוגרמים בלבד, שייקח נפח של 3 ליטר (183 ב 3 ) ושימוש רק 10 W של כוח.

הצוות רואה את הטכנולוגיה החדשה כבעלת יישומים לא רק בלווייני GPS, אלא גם בלווייני גזי החממה, במטאורולוגיה מדויקת ובתצפית על כדור הארץ.

"המכשיר שלנו מייצג אבן פינה בהתפתחות של שעונים מדויקים מבוססי-חלל ומטאורולוגיה", אומר לציוס. "השעון האופטי ביצע אותו בחלל כפי שהיה על הקרקע, מראה כי הנדסת המערכת שלנו עבד טוב מאוד. "

המחקר מתפרסם באופטיקה.

מקור: החברה האופטית

.

Booster שלב להתנתק מן הרקטות שנשמע לשלוח את השעון האופטי לחלל (אשראי: Airbus הביטחון & Space GmbH)

מסרק תדירות בשימוש על ידי כוכב הלכת HARP מוצא (אשראי: ESO)