Atom interferometer charter Navys inerti navigationssti for at reducere drift

Forskere fra U.S. Naval Research Laboratory (NRL) har udviklet et patentanmeldt Continuous 3D-Cooled Atom Beam Interferometer afledt af en patenteret kold og kontinuerlig stråle af atomer for at udforske atom-interferometri-baserede inertimålesystemer som en vej til at reducere drift i Naval navigation systemer.

Inertinavigation er en selvstændig navigationsteknik, hvor målinger leveret af accelerometre og gyroskoper bruges til at spore et objekts position og orientering i forhold til et kendt udgangspunkt, orientering og hastighed. Kvante-inerti-navigation er et nyt forsknings- og udviklingsfelt, der kan øge inerti-målenøjagtigheden i størrelsesordener.

"Vores interferometer fungerer i et andet regime end de fleste andre moderne implementeringer af et atominterferometer," sagde Jonathan Kwolek, Ph.D., en forskningsfysiker fra NRL Quantum Optics Sektion inden for Optical Sciences Division. "Ved at operere med kolde, kontinuerlige atomer har vi åbnet døren for en række fordele såvel som nye måleteknikker. I sidste ende vil vi gerne bruge denne teknologi til at forbedre inerti-navigationssystemer og dermed reducere vores afhængighed af GPS."

Aktiveret af atomkildens unikke egenskaber udviser Continuous 3D-Cooled Atom Beam Interferometer lovende måleegenskaber som høj målekontrast, lav støj og forbedret håndtering af variationer i sensorens omgivelser. Denne teknologi har potentialet til at give Navy mulighed for at operere i miljøer, der nægtes GPS, og overvinde begrænsninger for GPS's nøjagtighed.

Afhængigt af måleplatformen vil fejl i placeringsestimeringen akkumuleres og resultere i tab af nøjagtig positionsinformation. Nuværende kommercielt tilgængelige inertinavigationssystemer kan for eksempel navigere med en fejlakkumulering på ca. 1 sømil over 360 timer. NRL har til hensigt at udvikle nye teknologier for at forlænge denne tid, så navigationsdrift ikke begrænser missionens varighed.

"Inertial navigationsområdet sigter mod at give navigationsinformation overalt, hvor GPS ikke er tilgængelig," sagde NRL Associate Director of Research for Systems Dr. Gerald Borsuk. "Fremkomsten af ​​atominterferometri muliggør en ny tilgang inden for inertial sensing, som har potentialet til at afhjælpe nogle af manglerne i de nuværende avancerede teknologier."

GPS er blevet en rygrad i funktionaliteten af ​​både vores civile og militære verden, der giver høj nøjagtighed distribueret position og timing information overalt i verden. Der er dog visse kamprumsmiljøer, hvor GPS ikke kan fungere, såsom under vandet eller i rummet, såvel som en stigende trussel mod GPS-tilgængeligheden i form af jamming, spoofing eller anti-satellitkrigsførelse.

"I en ideel verden sikrer vi os mod tab af konventionel navigation ved at lave de bedste inerti-navigatorer, vi kan," sagde Kwolek. "Dette er for at sikre, at et tab af GPS ikke tillader, at vores skibe går tabt midt på fjendens territorium."

Hvorfor bruge atominterferometre?

Interferometre er enheder, der uddrager information fra interferens ved hjælp af kohærente bølger. Denne enhedsklasse er meget brugt til præcise målinger af forskydninger, brydningsindeksændringer og overfladetopologier. Inertinavigation bruges i en lang række applikationer, herunder navigation af fly, taktiske og strategiske missiler, rumfartøjer, ubåde og skibe.

Atomfysik tilbyder et unikt værktøjssæt til måling med ekstrem præcision. Atominterferometri er en metode inden for atomfysik, hvor kvanteinterferens af atomstofbølger bruges til at måle ekstremt præcise ændringer i miljøforhold, såsom felter eller inertikræfter.

"At udføre atomare inertimålinger i modsætning til en klassisk måling giver forskellige fejlafhængigheder," sagde Kwolek. "Vi forudser, at hvis det gøres omhyggeligt, vil atomare interferometre udvise bedre langsigtet støjadfærd og nøjagtighed end nuværende førende teknologier. Oversat til verden af ​​inerti-navigation betyder dette, at du holder din placering fast i længere tid, hvilket giver mere operationel fleksibilitet."

Atom interferometre kan også bruges til at disciplinere en anden sensor, ligesom hvordan ure er disciplineret til GPS. Denne kombination af et interferometer med en cosensor kan gøre det muligt for interferometre at realisere en fordel i et målescenarie i den virkelige verden.

"Dette er på ingen måde en komplet løsning," sagde Kwolek. "Der er afvejninger ved at betjene et atomært interferometer, for eksempel korrelerer den øgede følsomhed til et dårligere dynamisk område. Vi udforsker flere veje til at løse dette problem, herunder cosensorimplementering eller alternative koldatom-teknikker."

Denne kvanteoptikforskning er sponsoreret af NRL Base Program og Office of Naval Research.

National Defense Authorization Act for Fiscal Year 2024 fastslår, at kvanteteknologien nærmer sig et vendepunkt, der vil afgøre, hvor hurtigt den kan få indflydelse. Hvis USA kan holde trit, kan mange vigtige resultater for forsvarsministeriet (DOD) realiseres, herunder robust position, navigation og timing for DODs frihed til operationer med præcisionsangreb selv med konkurrencer i spektrum-, rum- eller cyberoperationer.

En flåde mindre afhængig af GPS

NRL har leveret navigationsløsninger til flåden siden starten, men et gennembrud skete i 1960'erne med opfindelsen af ​​GPS.

NRL søsatte TIMATION I den 31. maj 1967 og TIMATION II den 30. august 1969. TIMATION I demonstrerede, at et overfladefartøj kunne placeres inden for to tiendedele af en sømil og et fly inden for tre tiendedele af en sømil ved hjælp af rækkeviddemålinger fra en tidssynkroniseret satellit.

Mens GPS oprindeligt var designet til brug af militæret, er GPS blevet tilpasset til civile navigationsbehov lige fra kommerciel luftfart til bærbare håndholdte og armbåndsur-type enheder. I dag er GPS en konstellation af 32 satellitter, der kredser om jorden, og leverer præcise navigations- og tidsdata til militære og civile slutbrugere over hele kloden. På trods af årtiers udvikling af GPS giver optimerede inerti-navigationssystemer flåden mulighed for at mindske risikoen mod at blive fuldstændig afhængig af GPS.

"I den moderne æra er NRL en af ​​flere forskningsorganisationer, der adresserer flådens inerti-navigationsudfordringer," sagde Adam Black, Ph.D., NRL Quantum Optics Section Head. "Laboratoriet udnytter avancerede atomare og optiske teknikker til at opfinde nye arkitekturer til inertimåling, der lover nøjagtig navigation af dynamiske flådeplatforme."

Leveret af Naval Research Laboratory