Космические технологии PNT являются важной частью национальной инфраструктуры и лежат в основе нашей повседневной жизни, от систем связи и транспорта до компьютерных сетей.
Однако в настоящее время признана необходимость повышения надежности будущих систем PNT для поддержания и улучшения точности синхронизации в течение длительных периодов времени, когда непрерывная синхронизация с тактовыми сигналами от главных часов глобальных навигационных спутников теряется. Такие отказы сигнала могут быть вызваны космической погодой, неисправностью системы или враждебными действиями.
Одним из решений является разработка надежных портативных оптических часов небольшого размера, веса и мощности (SWAP), которые имеют более высокую точность, чем микроволновые системы. Развертываемый в космосе кубический оптический резонатор technology является ключевым компонентом достижения этой цели.
В настоящее время атомные часы на борту глобальных навигационных спутников используют микроволновое излучение для фиксации определенных стабильных опорных частот атомного микроволнового поглощения.
За последнее десятилетие оптические атомные часы, в которых лазеры опрашивают и фиксируют оптическое атомное поглощение на гораздо более высоких частотах, продемонстрировали значительно меньшую погрешность по сравнению с микроволновыми часами.
Лазерам в оптических часах требуется точный контроль частоты, а для «часового лазера» — дополнительная предварительная стабилизация для достижения сверхузкой ширины линии. Кубический оптический резонатор NPL действует как компактный оптико-электронный блок управления часами и поддерживает стабилизацию частоты часового лазера и всех вспомогательных лазеров, необходимых для работы оптических часов.
В рамках этого проекта, поддерживаемого UKSA в рамках программы ESA NAVISP, NPL усовершенствует свою текущую технологию кубического резонатора, чтобы создать блок управления тактовым сигналом с низким уровнем подкачки (LS-CCU) специально для использования в оптических часах следующего поколения для технологий PNT.
Устройство будет спроектировано так, чтобы выдерживать суровые условия космического полета, и пройдет предварительные лабораторные испытания в репрезентативных условиях, имитирующих условия, встречающиеся в космосе.
Хотя эта деятельность сосредоточена на технологии оптических часов малого размера, веса и мощности для PNT, существует ряд других потенциальных применений лазеров со стабилизированным кубическим резонатором в космосе, от телекоммуникаций до изменения климата и фундаментальной физики, которые рассматриваются различными космическими организациями. агентства, такие как НАСА и ЕКА.
В НАСА/ЕКА Миссия Next Generation Gravity Mission (NGGM) должна быть запущена в конце 2020-х годов.Лазеры NPL со стабилизацией кубического резонатора могут использоваться для измерения гравитационного поля Земли в зависимости от положения на поверхности Земли. Эта миссия будет состоять из двух спутников, вращающихся вокруг Земли на околоземной орбите и разделенных расстоянием ~ 100 км.
Изменения расстояния между спутниками, измеренные с помощью лазерной интерферометрии, отражают изменения уровня геоида (номинального уровня океана) из-за топологии суши при прохождении первого спутника.
Собранные данные используются для прогнозирования изменения климата и предоставляют информацию, которая позволяет политикам принимать соответствующие стратегии смягчения последствий и адаптации.
В будущей миссии НАСА/ЕКА по созданию космической антенны с лазерным интерферометром, запланированной на 2030-е годы, лазеры NPL со стабилизацией кубического резонатора могут использоваться в качестве эталонов для космических измерений гравитационных волн. Кубическая полость могла бы обеспечить кратковременный опорный сигнал как для наземного вспомогательного оборудования, так и, возможно, для космического развертывания.
Потенциальные последующие миссии, выходящие за рамки NGGM и LISA, вероятно, будут использовать технологию полнокосмических оптических часов, чтобы обеспечить еще большие возможности картографирования данных о Земле и возможности фундаментальных физических исследований. Существует также потенциальный побочный эффект в глобальной телекоммуникации, связанный с передачей больших объемов данных (больших данных) с высокой скоростью, где высокоточные космические оптические часы и резонаторы могут способствовать более плотному мультиплексированию каналов.
После завершения проекта LS-CCU предоставит базовый портативный контроллер для оптических лазеров-часов.
Сайрус Лариджани, менеджер по стратегическому развитию бизнеса в области космоса и ядерной энергии, NPL, сказал: «Кубическая полость NPL является важной частью наших целей по обеспечению атомного хронометража, лежащего в основе технологий, которые являются частью нашей повседневной жизни.
Внедрение технологий следующего поколения укрепит лидирующие позиции Великобритании в области космических систем PNT».
Стефано Бинда, менеджер NAVISP Element 1, ESA, сказал: «Надежность систем PNT и других важных приложений значительно выиграет от исключительных ожидаемых характеристик космических оптических часов, и я очень рад, что ESA работает вместе с NPL, одним из самых авторитетной организацией в области систем хронометража в мире, к разработке блока управления часами, необходимого строительного блока полнофункциональных оптических часов».
Дин Томас, технический руководитель PNT в Космическом агентстве Великобритании, сказал: «Наша повседневная жизнь зависит от информации о местоположении, навигации и времени (PNT), поступающей от спутниковых навигационных систем в сфере транспорта, связи, распределения энергии и реагирования на чрезвычайные ситуации. Наше финансирование работ NPL по космическим оптическим часам повысит устойчивость и точность этих систем и обеспечит, чтобы британские технологии оказались на переднем крае космических систем PNT.