Lyn kan være referencesignal for nyt navigationssystem uden satellitter

GPS og andre satellitnavigationssystemer er blevet en uundværlig del af dagligdagen verden over og er afgørende for alle amerikanske militære operationer.

Men satellitnavigation har nogle indbyggede svagheder. Det virker ikke under jorden eller dybt under havoverfladen. GPS-signaler har svag signalstyrke, de kan jammes, og satellitter kan i værste tilfælde slås ud af store soludbrud.

Derfor bad Darpa, der leder en lang række forskningsprojekter for det amerikanske forsvarsministerium, i sommer virksomheder og forskningsinstitutioner byde ind med projekter, der skal gøre det muligt at bygge et nyt robust system til positionering, navigation og tidsbestemmelse (PNT) uden brug af satellitter.

»Nye fysiske principper, nye enheder og ny software skal gøre det muligt for vore folk og systemer at bryde fri af afhængigheden af GPS,« siger Darpas direktør, Arati Prabhakar.

Sigtet er i første omgang militære anvendelser, men i takt med, at omkostningerne kommer ned, forventes civil anvendelse senere at vokse frem.

John Kitching fra National Institute of Standards and Technology (NIST) peger eksempelvis på, at nye navigationssystemer kan finde anvendelse i selvkørende biler eller måske ligefrem indpasses i bolde til forskellige sportsgrene for at vise tilskuerne mere præcist, hvordan bolde kan skrue og bevæge sig gennem luften.

Det nye Darpa-program bærer navnet STOIC – Spatial, Temporal and Orientation Information in Contested Environments.

Fristen for indsendelse af projekt­forslag er udløbet, og de første forskningsprojekter forventes at blive udvalgt inden for en måneds tid. Darpa har ikke oplyst, hvor mange projekter der kan støttes, og ønsker heller ikke at give en samlet økonomisk ramme.

Det har i vid udstrækning været op til forskningsgrupperne selv at foreslå de projekter, som de mener vil være relevante for et nyt PNT-system, men Darpa har i sit udbudsmateriale opstillet nogle overordnede ønsker.

Darpa ønsker eksempelvis et robust referencesignal, der giver en nøjagtighed på 10 meter baseret på landbaserede sendere, som mindst har en indbyrdes afstand på 10.000 km.

Det betyder sandsynligvis, at sådanne sendere må baseres på VLF i frekvensområdet 3-30 kHz.

Et andet ønske er ultrastabile ure med en unøjagtighed på højst 10-16 over en periode på en måned og ­10-14 over en periode på et sekund.

GPS-tidssignaler har en nøjagtighed på ca. 10 nanosekunder. Målet for STOIC er at udvikle systemer, der kan give mindst denne nøjagtighed, til langt lavere omkostninger – ja faktisk skulle det endda være muligt at opnå en nøjagtighed på 10 picosekunder, skriver Darpa i udbudsmaterialet.

Defense Advanced Research Projects Agency blev – som også Nasa – oprettet i 1958 som et svar på Sovjetunionens opsendelse i 1957 af verdens første satellit, Sputnik.

Formålet var at sikre, at den amerikanske militære teknologi til enhver tid vil være nationens potentielle fjender overlegen.

Darpa var i 1959 med til at udvikle satellitnavigationssystemet Transit til US Navy. Systemet blev en forløber for GPS, som blev udviklet i midten af 1970’erne.

Organisationen med omkring 240 medarbejdere, som administrerer et årligt budget på ca. tre milliarder dollar, har en høj grad af uafhængighed og rapporterer direkte til Forsvarsministeriets øverste ledelse.

Billigere og bedre

Med STOIC har Darpa gjort kravene til et nyt PNT-system mere konkrete end tidligere, men Darpa har gennem flere år støttet forskning i positionering, navigation og tidsbestemmelse, som enten kan bruges som autonome systemer eller i forbindelse med GPS-signaler.

For at komme fra A til B skal man have styr på orientering, accelera­tion og tid.

Hvis begyndelsespositionen er velkendt, vil et inertielt navigationssystem, der baserer sig på gyroskoper, accelerometre, ure og computere, kunne vise vejen. I fagterminologien taler man om IMU’er (intertial measurement unit) og TIMU’er (timing & inertial measurement units).

»Moderne inertielle navigationssystemer er store, strømslugende og dyre,« siger Robert Lutwak fra Darpa. Det gælder derfor om at reducere størrelse og omkostninger.

De bedste IMU’er, der anvendes på såvel militære som civile fly, indeholder tre gyroskoper og tre accelerometre opbygget med lasere og fiberoptik. De fylder omkring 1.000 kubikcentimeter og kan koste en kvart million dollars.

Under programmet Micro-Tech­nology for Positioning, Navigation and Timing (Micro-PNT) har University of Michigan udviklet en chip mindre end en amerikansk 1-cent-mønt, der indeholder tre gyroskoper, tre accelerometre og atomur på en chip.

Målet er at udvikle en TIMU, der fylder mindre end 10 kubikmillimeter og bruger mindre end 200 mW, der højst vil have en drift på en sømil i timen, som det er gældende for dagens teknologi.

Ifølge Mark Kasevich fra Stanford University, der deltager i Darpas programmer, er langt bedre opløsning mulig, men han nævner dog også, at styringen af præcisions­missiler stiller krav af en sådan karakter, at de nok er umulige at opfylde med en lille chipbaseret sensor.

Mark Kasevich har oprettet spin off-firmaet AOSense, der udvikler inertiel navigation baseret på interferometri med kolde atomer. Her udnytter man kvantefysiske egenskaber til at måle den relative acceleration og rotation af en sky af atomer, som med lasertekno­logi er afkølet til tæt på det absolutte nulpunkt.

Han beretter, at han gennem de seneste ti år hele tiden har betragtet teknologien som værende fem år ude i fremtiden.

»Men nu ser det ud til, at det hele er ved at falde i hak, så vi med Darpas støtte kan modne denne teknologi,« siger Mark Kasevich.

Det skyldes ikke mindst de store fremskridt, der er sket inden for fotonik til telekommunikation med udvikling af små halvlederlasere, der kun kræver en effekt på få milliwatt.

Tidssignaler fra lyn

En autonom navigationsenhed, der skal virke over længere tid, vil have et behov for at sammenligne sig med referencesignaler.

Det kan naturligvis være GPS-signaler, men Darpa ser også på muligheden for at udnytte andre former for tilgængelige signaler eller ‘signals of opportunity’ som referencesignaler.

Det kan være signaler fra kommercielle satellitter, radio- og tv-master og lignende, ja, selv lyn, der udsender et kortvarigt bredbåndet radioatmosfærisk signal i kilohertzområdet, der kan udbrede sig flere tusinde kilometer, kan anvendes til at bestemme position.

Darpa støtter også forskning, der skal gøre det muligt at gøre verdens mest nøjagtige atomure, der i dag kun findes i laboratorier, robuste og stabile.

De nuværende GPS-ure er baseret på overgange i atomer, der giver et frekvenssignal i gigahertzområdet. Det var state of the art-tekno­logi for 50 år siden.

Nye atomure giver et signal med en frekvens, der er 10.000 gange højere – og de bedste er baseret på kolde atomer afkølet til tæt på det absolutte nulpunkt.

Der er en lang række problemer med at miniaturisere sådanne atomure, men John Kitching mener, det først og fremmest er en ingeniørmæssig udfordring, der kan løses, hvis viljen og tilstrækkelige ressourcer er til stede.

Et andet teknisk problem, der forskes intenst i, er, hvordan man med laserteknologi kan synkronisere tids- og frekvenssignaler over store afstande for sådanne supernøj­agtige atomure.

Kilder: Physics Today. Dokumenter fra Darpa.