Teknologi PNT berbasis ruang angkasa merupakan bagian penting dari infrastruktur nasional dan mendukung kehidupan kita sehari-hari mulai dari sistem komunikasi dan transportasi hingga jaringan komputer.
Namun, saat ini terdapat kebutuhan untuk meningkatkan ketahanan sistem PNT di masa depan guna menjaga dan meningkatkan keakuratan waktu dalam jangka waktu yang lama ketika sinkronisasi terus-menerus ke sinyal jam dari jam utama satelit navigasi global hilang. Penolakan sinyal tersebut dapat disebabkan oleh cuaca luar angkasa, kerusakan sistem, atau tindakan yang tidak bersahabat.
Salah satu solusinya adalah mengembangkan jam optik portabel yang kuat dengan ukuran, berat, dan daya rendah (SWAP) yang memiliki akurasi lebih baik dibandingkan sistem gelombang mikro. Rongga optik kubik yang dapat digunakan di ruang angkasa teknologi merupakan komponen kunci untuk mencapai hal ini.
Saat ini, jam atom pada satelit navigasi global menggunakan radiasi gelombang mikro untuk mengunci frekuensi referensi penyerapan gelombang mikro atom tertentu yang stabil.
Selama dekade terakhir, jam atom optik, di mana laser menginterogasi dan mengunci serapan atom optik pada frekuensi yang jauh lebih tinggi, telah menunjukkan penurunan ketidakpastian yang signifikan terhadap jam gelombang mikro.
Laser pada jam optik memerlukan kontrol frekuensi yang presisi dan, untuk “laser jam”, pra-stabilisasi tambahan untuk mencapai lebar garis yang sangat sempit. Rongga optik kubik NPL bertindak sebagai unit kontrol jam optoelektronik yang ringkas dan menjaga stabilisasi frekuensi laser jam dan semua laser tambahan yang diperlukan untuk pengoperasian jam optik.
Melalui proyek ini, didukung oleh UKSA di bawah program NAVISP ESA, NPL akan meningkatkan teknologi rongga kubiknya saat ini untuk menciptakan Unit Kontrol Jam SWAP rendah (LS-CCU) khusus untuk digunakan pada jam optik generasi berikutnya untuk teknologi PNT.
Perangkat ini akan dirancang untuk tahan terhadap kerasnya penerbangan luar angkasa dan akan menjalani pengujian awal berbasis laboratorium dalam kondisi representatif yang meniru apa yang ditemui di luar angkasa.
Meskipun aktivitas ini difokuskan pada teknologi jam optik berukuran rendah, berat, dan bertenaga untuk PNT, terdapat sejumlah aplikasi potensial lainnya untuk laser yang distabilkan rongga kubik di ruang angkasa, mulai dari telekomunikasi hingga perubahan iklim dan fisika fundamental, yang sedang dipertimbangkan oleh berbagai pihak di luar angkasa. lembaga seperti NASA dan ESA.
Di NASA / ESA Misi Gravitasi Generasi Berikutnya (NGGM) akan diluncurkan pada akhir tahun 2020-an, Laser NPL yang distabilkan rongga kubik dapat digunakan untuk mengukur medan gravitasi bumi sebagai fungsi posisi di permukaan bumi. Misi ini akan terdiri dari dua satelit yang mengorbit Bumi di LEO dan dipisahkan sejauh ~ 100 km.
Perubahan jarak antar satelit, yang diukur menggunakan interferometri laser, mencerminkan perubahan tingkat geoid (permukaan laut nominal) akibat topologi daratan saat satelit pertama melintas.
Data yang dikumpulkan menjadi masukan bagi prediksi perubahan iklim dan memberikan informasi yang memungkinkan pembuat kebijakan untuk mengadopsi strategi mitigasi dan adaptasi yang tepat.
Dalam misi Antena Luar Angkasa Interferometer Laser NASA/ESA di masa depan, yang diproyeksikan pada tahun 2030-an, laser yang distabilkan dengan rongga kubik NPL dapat digunakan sebagai referensi untuk pengukuran gelombang gravitasi berbasis ruang angkasa. Rongga kubik dapat memberikan referensi frekuensi jangka pendek pada peralatan pendukung darat dan berpotensi dalam penerapan ruang angkasa.
Potensi misi lanjutan di luar NGGM dan LISA kemungkinan akan melibatkan teknologi jam optik ruang penuh untuk memberikan kemampuan pemetaan data Bumi yang lebih besar dan peluang penelitian fisika mendasar. Ada juga potensi spin-off dalam telekomunikasi global yang melibatkan transmisi data berkecepatan tinggi bervolume tinggi (big data), di mana jam optik ruang dan rongga dengan akurasi tinggi dapat mendukung multiplexing saluran yang lebih padat.
Setelah proyek selesai, LS-CCU akan menyediakan pengontrol portabel dasar untuk laser jam optik.
Cyrus Larijani, Manajer Pengembangan Bisnis Strategis untuk Luar Angkasa dan Nuklir, NPL, berkata, “Rongga kubik NPL adalah bagian penting dari tujuan kami untuk mewujudkan ketepatan waktu atom yang mendasari teknologi yang menjadi bagian dari kehidupan kita sehari-hari.
Penggunaan teknologi generasi berikutnya akan meningkatkan posisi terdepan Inggris dalam sistem PNT berbasis ruang angkasa.”
Stefano Binda, Manajer NAVISP Element 1, ESA, mengatakan, “Kekokohan sistem PNT dan aplikasi penting lainnya akan mendapat manfaat signifikan dari kinerja luar biasa yang diharapkan dari jam optik luar angkasa, dan saya sangat senang bahwa ESA bekerja sama dengan NPL, salah satu yang paling organisasi otoritatif dalam sistem pencatatan waktu di dunia, menuju pengembangan Unit Kontrol Jam, yang merupakan elemen penting dari jam optik yang berfungsi penuh.”
Dean Thomas, Pimpinan Teknis PNT di Badan Antariksa Inggris, mengatakan, “Kehidupan kita sehari-hari bergantung pada informasi Posisi, Navigasi, dan Waktu (PNT) dari sistem navigasi satelit dalam transportasi, komunikasi, distribusi energi, dan tanggap darurat. Pendanaan kami untuk pekerjaan NPL pada jam optik luar angkasa akan meningkatkan ketahanan dan keakuratan sistem ini dan memastikan teknologi Inggris berada di garis depan sistem PNT berbasis ruang angkasa.