Onderzoekers van het US Naval Research Laboratory (NRL) hebben een Continuous 3D-Cooled Atom Beam Interferometer ontwikkeld, waarvoor patent is aangevraagd, afgeleid van een gepatenteerde koude en continue bundel atomen, om op atoominterferometrie gebaseerde traagheidsmeetsystemen te onderzoeken als een manier om drift in de marinenavigatie te verminderen systemen.

Traagheidsnavigatie is een op zichzelf staande navigatietechniek waarbij metingen van versnellingsmeters en gyroscopen worden gebruikt om de positie en oriëntatie van een object te volgen ten opzichte van een bekend startpunt, oriëntatie en snelheid. Kwantumtraagheidsnavigatie is een nieuw onderzoeks- en ontwikkelingsgebied dat de nauwkeurigheid van traagheidsmetingen met ordes van grootte kan vergroten.

"Onze interferometer werkt in een ander regime dan de meeste andere moderne implementaties van een atoominterferometer", zegt Jonathan Kwolek, Ph.D., een onderzoeksfysicus van de NRL Quantum Optics Section binnen de afdeling Optical Sciences. "Door te werken met koude, continue atomen hebben we de deur geopend naar een aantal voordelen en nieuwe meettechnieken. Uiteindelijk willen we deze technologie gebruiken om traagheidsnavigatiesystemen te verbeteren, waardoor we minder afhankelijk worden van GPS."

Mogelijk gemaakt door de unieke eigenschappen van de atoombron, vertoont de Continuous 3D-Cooled Atom Beam Interferometer veelbelovende meeteigenschappen zoals een hoog meetcontrast, weinig ruis en een verbeterde verwerking van variaties in de omgeving van de sensor. Deze technologie heeft het potentieel om de marine de mogelijkheid te bieden om te opereren in omgevingen waar GPS niet mogelijk is en om de beperkingen van de nauwkeurigheid van GPS te overwinnen.

Afhankelijk van het meetplatform zullen fouten in de locatieschatting zich ophopen en resulteren in verlies van nauwkeurige positie-informatie. De huidige commercieel verkrijgbare traagheidsnavigatiesystemen kunnen bijvoorbeeld navigeren met een foutaccumulatie van ongeveer 1 zeemijl over 360 uur. NRL is van plan nieuwe technologieën te ontwikkelen om die tijd zo te verlengen dat navigatieafwijkingen de duur van de missie niet beperken.

"Het doel van de traagheidsnavigatie is om navigatie-informatie te bieden overal waar GPS niet beschikbaar is", zegt NRL Associate Director of Research for Systems Dr. Gerald Borsuk. "De komst van atomaire interferometrie maakt een nieuwe benadering van inertiële detectie mogelijk, die het potentieel heeft om enkele van de tekortkomingen in de huidige state-of-the-art technologieën aan te pakken."

GPS is een ruggengraat geworden voor de functionaliteit van zowel onze civiele als militaire wereld en biedt overal ter wereld zeer nauwkeurige gedistribueerde positie- en timinginformatie. Er zijn echter bepaalde gevechtsomgevingen waarin GPS niet kan functioneren, zoals onder water of in de ruimte, evenals een toenemende bedreiging voor de beschikbaarheid van GPS in de vorm van jamming, spoofing of anti-satellietoorlogvoering.

"In een ideale wereld beschermen we ons tegen het verlies van conventionele navigatie door de beste traagheidsnavigators te maken die we kunnen", zei Kwolek. "Dit is om ervoor te zorgen dat het verlies van GPS ervoor zorgt dat onze schepen niet verdwalen midden in vijandelijk gebied."

Waarom atoominterferometers gebruiken?

Interferometers zijn apparaten die informatie uit interferentie halen met behulp van coherente golven. Deze klasse apparaten wordt veel gebruikt voor de nauwkeurige metingen van verplaatsingen, brekingsindexveranderingen en oppervlaktetopologieën. Traagheidsnavigatie wordt gebruikt in een breed scala aan toepassingen, waaronder de navigatie van vliegtuigen, tactische en strategische raketten, ruimtevaartuigen, onderzeeërs en schepen.

Atoomfysica biedt een unieke toolkit voor het meten met extreme precisie. Atoominterferometrie is een methode binnen de atoomfysica waarbij kwantuminterferentie van atomaire materiegolven wordt gebruikt om uiterst nauwkeurige veranderingen in omgevingsomstandigheden te meten, zoals velden of traagheidskrachten.

"Het uitvoeren van atomaire traagheidsmetingen, in tegenstelling tot een klassieke meting, geeft verschillende foutafhankelijkheden", zei Kwolek. "Wij voorspellen dat atomaire interferometers, als ze zorgvuldig worden uitgevoerd, op de lange termijn een beter geluidsgedrag en een betere nauwkeurigheid zullen vertonen dan de huidige toonaangevende technologieën. Vertaald naar de wereld van traagheidsnavigatie betekent dit dat u uw locatie langer vasthoudt, wat meer operationele flexibiliteit oplevert."

Atoominterferometers kunnen ook worden gebruikt om een ​​andere sensor te disciplineren, net zoals klokken worden gedisciplineerd voor GPS. Deze combinatie van een interferometer met een cosensor kan interferometers in staat stellen een voordeel te realiseren in een realistisch meetscenario.

"Dit is geenszins een volledige oplossing", zei Kwolek. "Er zijn nadelen verbonden aan het gebruik van een atomaire interferometer, de verhoogde gevoeligheid correleert bijvoorbeeld met een slechter dynamisch bereik. We onderzoeken meerdere wegen om dit probleem op te lossen, inclusief cosensor-implementatie of alternatieve koude-atoomtechnieken."

Dit kwantumoptica-onderzoek wordt gesponsord door het NRL Base Program en het Office of Naval Research.

De National Defense Authorization Act voor het begrotingsjaar 2024 stelt dat de kwantumtechnologie een omslagpunt nadert dat zal bepalen hoe snel het impact kan hebben. Als de Verenigde Staten op koers kunnen blijven, kunnen veel belangrijke resultaten voor het Ministerie van Defensie (DOD) worden gerealiseerd, waaronder een robuuste positie, navigatie en timing voor de vrijheid van DOD-operaties met precisieaanvallen, zelfs bij wedstrijden in spectrum-, ruimte- of cyberoperaties.

Een marine die minder afhankelijk is van GPS

NRL heeft sinds het begin navigatieoplossingen aan de vloot geleverd, maar er vond een doorbraak plaats in de jaren zestig met de uitvinding van GPS.

NRL lanceerde TIMATION I op 31 mei 1967 en TIMATION II op 30 augustus 1969. TIMATION I demonstreerde dat een oppervlakteschip binnen twee tienden van een zeemijl kon worden gepositioneerd en een vliegtuig binnen drie tienden van een zeemijl. gebruikmakend van afstandsmetingen van een tijdgesynchroniseerde satelliet.

Hoewel aanvankelijk ontworpen voor gebruik door het leger, is GPS aangepast voor civiele navigatiebehoeften, variërend van de commerciële luchtvaart tot draagbare handheld- en polshorloge-apparaten. Tegenwoordig is GPS een constellatie van 32 satellieten die in een baan om de aarde draaien en die nauwkeurige navigatie- en timinggegevens leveren aan militaire en civiele eindgebruikers over de hele wereld. Ondanks tientallen jaren van ontwikkeling van GPS bieden geoptimaliseerde traagheidsnavigatiesystemen de marine de mogelijkheid om het risico te beperken dat ze niet volledig afhankelijk worden van GPS.

"In de moderne tijd is NRL een van de vele onderzoeksorganisaties die uitdagingen op het gebied van traagheidsnavigatie op zee aanpakken", zegt Adam Black, Ph.D., sectiehoofd Quantum Optics van NRL. "Het laboratorium maakt gebruik van geavanceerde atomaire en optische technieken om nieuwe architecturen voor traagheidsmetingen te bedenken die nauwkeurige navigatie van dynamische marineplatforms beloven."

Geleverd door Naval Research Laboratory