Forskare från U.S. Naval Research Laboratory (NRL) har utvecklat en patentsökt Continuous 3D-Cooled Atom Beam Interferometer härledd från en patenterad kall och kontinuerlig stråle av atomer för att utforska atom-interferometri-baserade tröghetsmätningssystem som en väg att minska driften i marin navigering system.
Tröghetsnavigering är en fristående navigationsteknik där mätningar som tillhandahålls av accelerometrar och gyroskop används för att spåra ett objekts position och orientering i förhållande till en känd startpunkt, orientering och hastighet. Kvanttröghetsnavigering är ett nytt forsknings- och utvecklingsfält som kan öka tröghetsmätningsnoggrannheten i storleksordningar.
"Vår interferometer fungerar i en annan regim än de flesta andra moderna implementeringar av en atominterferometer", säger Jonathan Kwolek, Ph.D., en forskningsfysiker från NRL Quantum Optics Section inom Optical Sciences Division. "Genom att arbeta med kalla, kontinuerliga atomer har vi öppnat dörren till ett antal fördelar såväl som nya mättekniker. I slutändan skulle vi vilja använda den här tekniken för att förbättra tröghetsnavigeringssystem och därmed minska vårt beroende av GPS."
Aktiverad av de unika egenskaperna hos atomkällan, uppvisar den kontinuerliga 3D-kylda atomstråleinterferometern lovande mätegenskaper som hög mätkontrast, lågt brus och förbättrad hantering av variationer i sensorns miljö. Den här tekniken har potentialen att ge Navy möjligheten att arbeta i miljöer som nekas GPS och övervinna begränsningar för GPS:s noggrannhet.
Beroende på mätplattformen kommer fel i lokaliseringsuppskattningen att ackumuleras och resultera i förlust av korrekt positionsinformation. Nuvarande kommersiellt tillgängliga tröghetsnavigeringssystem kan till exempel navigera med en felackumulering på ungefär 1 nautisk mil under 360 timmar. NRL avser att utveckla ny teknik för att förlänga den tiden så att navigationsdrift inte begränsar uppdragets varaktighet.
"Fältet tröghetsnavigering syftar till att tillhandahålla navigeringsinformation överallt där GPS inte är tillgänglig", säger NRLs biträdande forskningschef för system, Dr Gerald Borsuk. "Tillkomsten av atominterferometri möjliggör ett nytt tillvägagångssätt inom tröghetsavkänning, som har potential att åtgärda några av bristerna i nuvarande toppmoderna teknologier."
GPS har blivit en ryggrad till funktionaliteten i både vår civila och militära värld, och tillhandahåller distribuerad positions- och tidsinformation med hög precision var som helst i världen. Det finns dock vissa stridsmiljöer där GPS inte kan fungera, till exempel under vattnet eller i rymden, liksom ett ökande hot mot GPS-tillgängligheten i form av störning, spoofing eller anti-satellitkrigföring.
"I en idealisk värld skyddar vi oss mot förlust av konventionell navigering genom att göra de bästa tröghetsnavigatorerna vi kan," sa Kwolek. "Detta är för att säkerställa att en förlust av GPS inte tillåter att våra fartyg går vilse mitt i fiendens territorium."
Interferometrar är enheter som extraherar information från interferens med hjälp av koherenta vågor. Denna klass av enheter används ofta för exakta mätningar av förskjutningar, förändringar av brytningsindex och yttopologier. Tröghetsnavigering används i ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive navigering av flygplan, taktiska och strategiska missiler, rymdfarkoster, ubåtar och fartyg.
Atomfysik erbjuder en unik verktygslåda för mätning med extrem precision. Atominterferometri är en metod inom atomfysik där kvantinterferens av atommateriavågor används för att mäta extremt exakta förändringar i miljöförhållanden, såsom fält eller tröghetskrafter.
"Att utföra atomära tröghetsmätningar i motsats till en klassisk mätning ger olika felberoenden," sa Kwolek. "Vi förutspår att om de görs noggrant, kommer atomära interferometrar att uppvisa bättre långtidsbrusbeteende och noggrannhet än nuvarande ledande teknologier. Översatt till tröghetsnavigeringens värld innebär detta att du håller din plats fixerad längre och ger mer operativ flexibilitet."
Atominterferometrar kan också användas för att disciplinera en annan sensor, ungefär som hur klockor är disciplinerade till GPS. Denna kombination av en interferometer med en cosensor kan göra det möjligt för interferometrar att realisera en fördel i ett verkligt mätscenario.
"Detta är inte på något sätt en komplett lösning," sa Kwolek. "Det finns kompromisser med att använda en atomär interferometer, till exempel korrelerar den ökade känsligheten till ett sämre dynamiskt omfång. Vi undersöker flera vägar för att lösa detta problem, inklusive samsensorimplementering eller alternativa kallatomtekniker."
Denna kvantoptikforskning sponsras av NRL Base Program och Office of Naval Research.
National Defense Authorization Act för räkenskapsåret 2024 säger att kvanttekniken närmar sig en tipppunkt som kommer att avgöra hur snabbt den kan påverka. Om USA kan hålla takten kan många viktiga resultat för försvarsdepartementet (DOD) realiseras, inklusive robust position, navigering och timing för DOD:s operationsfrihet med precisionsangrepp även med tävlingar i spektrum-, rymd- eller cyberoperationer.
NRL har levererat navigationslösningar till flottan sedan starten men ett genombrott skedde på 1960-talet med uppfinningen av GPS.
NRL sjösatte TIMATION I den 31 maj 1967 och TIMATION II den 30 augusti 1969. TIMATION I visade att ett ytfartyg kunde placeras inom två tiondelar av en nautisk mil och ett flygplan inom tre tiondelar av en nautisk mil använda räckviddsmätningar från en tidssynkroniserad satellit.
Även om GPS ursprungligen designades för militär användning, har GPS anpassats för civila navigeringsbehov, allt från kommersiellt flyg till bärbara handhållna enheter och enheter av armbandsur. Idag är GPS en konstellation av 32 satelliter som kretsar runt jorden och tillhandahåller exakta navigerings- och tidsdata till militära och civila slutanvändare runt om i världen. Trots decennier av utveckling av GPS ger optimerade tröghetsnavigeringssystem marinen möjligheten att minska riskerna mot att bli helt beroende av GPS.
"I den moderna eran är NRL en av flera forskningsorganisationer som tar itu med marina tröghetsnavigeringsutmaningar", säger Adam Black, Ph.D., NRL Quantum Optics Section Head. "Laboratoriet utnyttjar avancerade atomära och optiska tekniker för att uppfinna nya arkitekturer för tröghetsmätning som lovar exakt navigering av dynamiska marinens plattformar."
Tillhandahålls av Naval Research Laboratory
