تعد تقنيات PNT الفضائية جزءًا مهمًا من البنية التحتية الوطنية وتدعم حياتنا اليومية بدءًا من أنظمة الاتصالات والنقل وحتى شبكات الكمبيوتر.
ومع ذلك، هناك حاجة معترف بها الآن لزيادة قوة أنظمة PNT المستقبلية للحفاظ على دقة التوقيت وتحسينها على مدى فترات زمنية طويلة حيث يتم فقدان التزامن المستمر مع إشارات الميقاتية من الساعات الرئيسية للملاحة الساتلية العالمية. يمكن أن يكون رفض الإشارة هذا بسبب الطقس الفضائي، أو خلل في النظام، أو عمل عدائي.
أحد الحلول هو تطوير ساعات بصرية قوية ومحمولة ذات حجم ووزن وطاقة منخفضة (SWAP) تتمتع بدقة أفضل من أنظمة الموجات الدقيقة. تجويف بصري مكعب قابل للنشر في الفضاء التكنلوجيا هو عنصر أساسي لتحقيق ذلك.
حاليًا، تستخدم الساعات الذرية الموجودة على متن أقمار الملاحة العالمية إشعاع الموجات الدقيقة للتثبيت على ترددات مرجعية محددة لامتصاص الموجات الميكروية الذرية.
خلال العقد الماضي، أظهرت الساعات الذرية الضوئية، حيث يقوم الليزر باستجواب الامتصاص الذري البصري وضبطه عند ترددات أعلى بكثير، انخفاضًا كبيرًا في عدم اليقين بشأن ساعات الموجات الدقيقة.
تحتاج أجهزة الليزر الموجودة في الساعات الضوئية إلى تحكم دقيق في التردد، وبالنسبة لـ "ليزر الساعة"، تحتاج إلى تثبيت مسبق إضافي لتحقيق عروض خطوط ضيقة جدًا. يعمل التجويف البصري المكعب لـ NPL كوحدة تحكم مدمجة في الساعة الإلكترونية الضوئية ويحافظ على استقرار تردد ليزر الساعة وجميع أجهزة الليزر المساعدة اللازمة لتشغيل الساعة الضوئية.
من خلال هذا المشروع، الذي تدعمه UKSA بموجب برنامج NAVISP التابع لوكالة الفضاء الأوروبية، ستعمل NPL على تعزيز تقنية التجويف المكعب الحالية الخاصة بها لإنشاء وحدة تحكم في الساعة منخفضة SWAP (LS-CCU) خصيصًا للاستخدام في الجيل التالي من الساعات الضوئية لتقنيات PNT.
سيتم تصميم الجهاز ليتحمل قسوة الرحلات الفضائية وسيخضع لاختبارات معملية أولية في ظل ظروف تمثيلية تحاكي تلك التي تمت مواجهتها في الفضاء.
في حين يركز هذا النشاط على تكنولوجيا الساعة الضوئية ذات الحجم المنخفض والوزن والطاقة لـ PNT، هناك مجموعة من التطبيقات المحتملة الأخرى لليزر المثبت بالتجويف المكعب في الفضاء، بدءًا من الاتصالات السلكية واللاسلكية وحتى تغير المناخ والفيزياء الأساسية، قيد النظر في مختلف مجالات الفضاء. وكالات مثل ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية.
في ناسا / وكالة الفضاء الأوروبية من المقرر إطلاق مهمة الجاذبية من الجيل التالي (NGGM) في أواخر عام 2020يمكن استخدام أشعة الليزر ذات التجويف المكعب NPL لقياس مجال جاذبية الأرض كدالة للموضع على سطح الأرض. وستتكون هذه المهمة من قمرين صناعيين يدوران حول الأرض في المدار الأرضي المنخفض ويفصل بينهما مسافة تقارب 100 كيلومتر.
تعكس التغيرات في المسافة بين الأقمار الصناعية، المقاسة باستخدام قياس التداخل بالليزر، التغيرات في المستوى الأرضي (مستوى سطح البحر الاسمي للمحيطات) بسبب طوبولوجيا كتلة الأرض عند مرور القمر الصناعي الأول.
تغذي البيانات المجمعة التنبؤات بتغير المناخ وتوفر معلومات تمكن صانعي السياسات من اعتماد استراتيجيات التخفيف والتكيف المناسبة.
في مهمة الهوائي الفضائي لقياس التداخل الليزري التابعة لناسا ووكالة الفضاء الأوروبية، والمتوقعة في ثلاثينيات القرن الحالي، يمكن استخدام أشعة الليزر ذات التجويف المكعب NPL كمراجع لقياسات موجات الجاذبية الفضائية. يمكن أن يوفر التجويف المكعب مرجع تردد قصير المدى في كل من معدات الدعم الأرضي وربما في النشر الفضائي.
ومن المرجح أن تتضمن مهمات المتابعة المحتملة التي تتجاوز كلاً من NGGM وLISA تكنولوجيا الساعة الضوئية الفضائية الكاملة لتوفير قدرة أكبر على رسم خرائط بيانات الأرض وفرص أبحاث الفيزياء الأساسية. هناك أيضًا احتمالات عرضية في الاتصالات العالمية التي تتضمن نقلًا عالي الحجم (بيانات كبيرة) بمعدل بيانات مرتفع، حيث يمكن للساعات الضوئية الفضائية عالية الدقة والتجاويف أن تدعم تعدد إرسال القنوات الأكثر كثافة.
بمجرد اكتمال المشروع، ستوفر وحدة LS-CCU وحدة تحكم محمولة أساسية لأجهزة الليزر على مدار الساعة الضوئية.
قال سايروس لاريجاني، مدير تطوير الأعمال الإستراتيجية للفضاء والنووي، NPL: “يعد التجويف المكعب NPL جزءًا مهمًا من أهدافنا لتوفير ضبط الوقت الذري الذي يدعم التقنيات التي تشكل جزءًا من حياتنا اليومية.
إن استيعاب تكنولوجيا الجيل التالي سيعزز مكانة المملكة المتحدة الرائدة في أنظمة PNT الفضائية.
قال ستيفانو بيندا، مدير NAVISP Element 1، وكالة الفضاء الأوروبية: "ستستفيد متانة أنظمة PNT والتطبيقات المهمة الأخرى بشكل كبير من الأداء الاستثنائي المتوقع للساعات الضوئية الفضائية، وأنا سعيد جدًا لأن وكالة الفضاء الأوروبية تعمل جنبًا إلى جنب مع NPL، واحدة من أكثر منظمة موثوقة في أنظمة حفظ الوقت في العالم، نحو تطوير وحدة التحكم في الساعة، وهي لبنة البناء الضرورية لساعة بصرية تعمل بكامل طاقتها.
وقال دين توماس، المدير الفني لـ PNT في وكالة الفضاء البريطانية: "تعتمد حياتنا اليومية على معلومات الموقع والملاحة والتوقيت (PNT) من أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية في النقل والاتصالات وتوزيع الطاقة والاستجابة لحالات الطوارئ. إن تمويلنا لعمل NPL في الساعات الضوئية الفضائية سيزيد من مرونة ودقة هذه الأنظمة ويضمن أن تكون تكنولوجيا المملكة المتحدة في طليعة أنظمة PNT الفضائية.