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Uhrentragende Quadcopter könnten ultragenaues GPS liefern
Das Global Positioning System ist zu einer der Grundsäulen des Lebens im 21. Jahrhundert geworden. Die meisten Menschen in den Industrieländern besitzen einen GPS-Empfänger und zahlreiche Branchen verlassen sich darauf, manchmal für lebenswichtige Aufgaben.
Dieses System ist so wichtig, dass Regierungen, Industrieführer und das Militär seine Mängel lange untersucht und sich Sorgen darüber gemacht haben, wie einfach es sein würde, es zu Fall zu bringen. Die Ergebnisse ihres Händeringens sind keineswegs beruhigend.
Ein Albtraumszenario ist das Kessler-Syndrom, die besorgniserregende Möglichkeit, dass eine Kollision im Erdorbit eine Kaskade weiterer Kollisionen verursachen könnte, die die Dichte des Weltraumschrotts dramatisch erhöhen. Dies könnte die gesamte GPS-Satellitenkonstellation in nur wenigen Stunden zerstören.
So viele Gruppen haben begonnen, darüber nachzudenken, wie das GPS-System wiederhergestellt werden könnte, ohne sich auf Satelliten zu verlassen. Und heute veröffentlicht das National Institute of Standards and Technology der US-Regierung die Ergebnisse eines Programms, das dies ermöglichen könnte.
Zuerst etwas Hintergrund. GPS-Satelliten sind im Wesentlichen umkreisende Uhren, die präzise, synchronisierte Zeitsignale aussenden. Ein Empfänger am Boden kann seine Position triangulieren, indem er die Ankunftszeiten von Signalen von drei oder mehr Satelliten vergleicht.
Die umlaufenden Zeitmesser sind Atomuhren, die auf Cäsiumatomen basieren. Wenn Elektronen, die die Atome umkreisen, von einem Zustand in einen anderen springen, erzeugen sie Strahlung mit einer Frequenz von genau 9.192.631.770 Hertz – dem sogenannten Cäsium-Standard. Dies wird verwendet, um die Zeit zu halten.
Diese Atomuhren sind auf 10-6 Sekunden genau und werden regelmäßig mit bodengestützten Systemen synchronisiert. Diese Synchronität bestimmt die Positioniergenauigkeit des Systems.
Bodengestützte Uhren können jedoch mit viel größerer Genauigkeit synchronisiert werden. Tatsächlich hat eine Technik, die als optische Zwei-Wege-Zeit-Frequenz-Übertragung bekannt ist, Uhren innerhalb von 10–19 Sekunden synchronisiert.
Aber dies auf sich bewegende Uhren anzuwenden, war nicht möglich. Das Synchronisationsverfahren geht davon aus, dass die Laufzeit des Lichts von einer Uhr zur anderen in beiden Richtungen gleich ist. Dies ist jedoch nicht der Fall, wenn sich eine der Uhren bewegt. Dies kann also nicht für GPS-Systeme verwendet werden
Heute scheint sich das dank der Arbeit von Hugo Bergeron und Kollegen in der NIST-Einrichtung in Boulder, Colorado, zu ändern. Diese Jungs haben eine Technik entwickelt, um zwei sich bewegende Uhren mit außergewöhnlicher Genauigkeit zu synchronisieren.
Das Geheimnis hinter dem neuen Ansatz ist relativ einfach. Ziel ist es, einen Weg zu finden, die Bewegung der Uhren zu berücksichtigen. Also messen Bergeron und Co einfach die relative Bewegung.
Die Geschwindigkeit ergibt sich aus der Änderungsrate der gemessenen Flugzeit über drei ungefähr kontinuierliche Messungen, die ~ 1,5 ms über eine turbulente Verbindung erfordern, sagen sie.
Sie testeten diese neue Technik anhand von Zeitsignalen, die von Retroreflektoren weitergeleitet wurden, die an zwei Quadrocoptern angebracht waren, die sich mit relativen Geschwindigkeiten von bis zu 24 Metern pro Sekunde bewegen können.
Und die Ergebnisse sind beeindruckend. Die synchronisierten Uhren stimmen mit einer Frequenz von ~10-18 überein, sagen sie.
Das ist natürlich viel genauer als aktuelle GPS-Signale und eröffnet eine ganze Reihe neuer Anwendungen. Dazu gehört nicht zuletzt eine genauere Navigation, aber es besteht auch das Potenzial für verteilte mobile wissenschaftliche Experimente, die nach allem suchen, von Gravitationswellen bis hin zu dunkler Materie.
Und es erhöht auch die Möglichkeit, die GPS-Satellitenkonstellation im Katastrophenfall schnell auszutauschen, indem Ballons, Drohnen oder andere fliegende Fahrzeuge verwendet werden.
Ref: arxiv.org/abs/1808.07870 : Femtosekunden-Synchronisation von optischen Uhren aus einem fliegenden Quadrocopter