 Сеть GPS может быть просто большим куском инфраструктуры Земли. Она эффективно представляет собой коллекцию часов в космосе, которые круглосуточно предоставляют информацию бесплатно для всех людей на планете.
Эти сигналы синхронизации имеют все виды важных приложений, но большинство людей будут использовать их, чтобы помочь добраться от точки А до точки Б с помощью инструментов GPS-навигации. Ну, на самом деле в пределах примерно 10 метров точки Б. По размерам для человека и автомобиля это довольно существенная погрешность, и те, кто «пропустил левый поворот», могут это подтвердить.
И ближайшие технологии, такие как автономные автомобили, вероятно будут полагаться на комбинацию сигналов местных зондирования и GPS для самостоятельной навигации без инцидентов. Таким образом, любое повышение точности GPS будет чрезвычайно выгодно в ускорении эры автономных машин.
Приемник GPS сравнивает различные сигналы синхронизации от спутников GPS, а затем использует эту информацию, чтобы точно вычислить, где вы находитесь на Земле. Целый ряд факторов играет против точности GPS навигации. Сейчас для большинства гражданских лиц основной помехой является ионосфера Земли, которая мешает сигналам синхронизации, которые исходят от спутника на GPS-приемник.
Но второй по величине вклад в ошибки исходит от стабильности часов на борту спутников GPS. Каждый спутник GPS имеет группу атомных часов (обычно четыре), которые выводят их время из атомов цезия или рубидия.
Что на самом деле измеряется в этих часах, так это разница энергий между двумя конкретными атомными состояниями. Когда атом переходит от высокого энергетического состояния в более низкое энергетическое состояние, разница энергии излучается в виде света. Частота, или скорость тикания этого света позволяет рассчитать и определить время. Решающей частью является то, что в основном, эта разница энергия всегда остается одной и той же самой.
Все часы в мире имеют некоторый уровень погрешности, что заставляет их опережать или отставать на секунды. Сами по себе атомные часы на борту спутников GPS будут отходить на 10 наносекунд в день.
Это может быть не так много, но если идти вперед и умножить на скорость света, то получится ошибка в позиции GPS на три метра. К счастью, сеть GPS хорошо контролируется и поправки регулярно применяются, чтобы часы оставались точными, чтобы они имели только один или два метра погрешности определения местоположения.
Потребуется много работы по повышению точности GPS навигации, в том числе различных методов вещания, которые могут эффективно устранить влияние ионосферы. Но, в конечном счете, эффективность часов является основополагающей для GPS. Технология часов развивается все время, и с ней приходит много новых возможностей для открытий и приложений.
В Университете Западной Австралии исследовательская группа строит оптическую решетку часов на основе атомов иттербия. В дополнение к атомам иттербия, они также имеют ультра-стабильный лазер и частотную гребенку - все необходимые компоненты для создания невероятно точных оптических атомных часов.
Этот тип часов в настоящее время является одним из лучших, которые можно сделать. Аналогичные дизайны достигают точности в 100000 раз лучше, чем можно найти на спутнике GPS.
После завершения такие часы будут единственными в своем роде в южном полушарии. Часы, наряду с другими современными передовыми технологиями и частотой, будут образовать наземные станции для участия в экспериментах сравнения космических часов.
Миссия сборки атомных часов в космосе (ACES) будет размещать другой тип атомных часов на борту Международной космической станции (МКС), которые будут примерно в 1000 раз более стабильными, чем у типичных атомных часов GPS.
Миссию ACES планируется запустить к 2017 году. Успешный запуск этой вещи в космос и эксплуатации на МКС без инцидентов будет довольно значительным достижением. Это является важным заделом на пути к созданию будущих сетей космических часов.
В течение нескольких лет тактовый сигнал, производимый ACES круглосуточно, будет сравниваться с различными типами часов по всему миру, в том числе часами иттербия, находящимися в стадии разработки.
Это позволит ученым провести некоторые важные испытания фундаментальной физики, такие как тестирование гравитационного красного смещения и поиск тонких изменений в фундаментальных константах природы.
Кроме космических миссий есть еще целая куча вещей, которые можно сделать с чрезвычайно стабильными и точными часами оптической решетки. Например - поскольку скорость этих часов сильно зависит от силы локального гравитационного поля, то пара часов, разделенная высотой в 30 см, уже будет работать с заметно разной скоростью.
Это может в конечном итоге привести к использованию сети таких часов для точного измерения гравитационного поля Земли, что может быть полезно для разведки полезных ископаемых.
Даже если научный прогресс может иногда продвигаться немного медленно, это всего лишь вопрос времени, прежде чем передовые часы будут включены в модернизированные спутники GPS и помогут точно направлять автономный (предположительно) автомобиль именно туда, куда нужно.
|
