Перспективные технологии для задач спутниковой навигации

9:36 16/05/2018
👁 263

Группа ученых в Германии объявила о том, что успешно завершила тестовый запуск на зондирующей ракете.

Потенциально это достижение открывает путь к созданию будущей спутниковой навигационной системы на основе оптических технологий, а также космических квантовых систем и орбитальных лазерных интерферометров для обнаружения гравитационных волн.

Эксперимент” JOKARUS”, разработан исследователями и инженерами из Института Фердинанда Брауна (FBH) и университета Гумбольдта в Берлине (HUB).

Испытания проводились 13 мая 2018 года на борту метеорологической ракеты TEXUS 54.

В роли полезной нагрузки- компактная лазерная система, которая была разработана главным образом HU Berlin и Ferdinand-Braun-Institut, продемонстрировала свою пригодность для космоса.

На этом видео показан старт зондирующей ракеты Texus 49. 29 марта 2011 года в 6:01 часов по центрально-европейскому времени (CET), Ракета Texus 49 была запущена из Эсрейндж в космическом центре в городе Кируна на севере Швеции. Ракета несла на борту четыре научно-исследовательских эксперимента.

TEXUS-49 достигла высоты 268 км и позволила изучить свойства экспериментальных материалов и биологических образцов в условиях 6-минутной невесомости. Спустя 20 минут полета полезная нагрузка была возвращена на Землю на парашюте.

Основной полезной нагрузкой TEXUS-49 была немецкая система электромагнитной левитации (Elektromagnetische Levitationsanlage; EML). С ее помощью ученые из Института физики материалов в космосе выполнили два эксперимента по исследованию термофизических свойств и процессов кристаллизации сплавов металлов, представляющих интерес для промышленности. Один из экспериментов был посвящен анализу алюминий-никелевого сплава, используемого в авиации и других транспортных системах.Второй эксперимент был поставлен над никель-танталовым сплавом с керамическими частицами, которые были добавлены для улучшения характеристик износа композита. Результаты, полученные в условиях микрогравитации, более точны, чем в лаборатории на Земле, поскольку требуется меньше усилий для поддержания в жидком металле взвешенных частиц и снижения интенсивности разрушительных внутренних потоков.

Ученые отметили, что с помощью ракеты TEXUS удалось получить высокую точность данных, что очень важно для разработки компьютерных моделей, необходимых для современных промышленных производственных процессов.

Также ракета поместила в условия невесомости эксперимент TRACE+ Научно-исследовательского центра ACCESS в Ахене. Это исследование посвящено изучению процессов и структур в затвердевающих металлических сплавах. Опыт ставился на основе анализа поведения смеси органических веществ, которые затвердевают аналогично металлам. Прозрачность органического сплава позволяет непосредственно наблюдать процесс кристаллизации. Эксперимент должен обеспечить данные, повышающие качество промышленных методов литья.

Четвертый, медицинский, эксперимент SITI-1 был посвящен изучению иммунной системы человека в условиях микрогравитации. Он проводился исследовательской группой из Университета в Магдебурге и должен помочь изучить механизмы, приводящие к нарушениям в работе иммунной системы в условиях невесомости. Эта проблема весьма актуальна, поскольку некоторые космонавты в течение длительных периодов времени в космосе страдают от инфекций.

Также клеточные культуры на борту TEXUS-49 позволили ученым контролировать деятельность всех генов иммунной системы с помощью современной технологии ДНК-микрочипа. Ученые подозревают, что некоторые молекулы в мембранах клеток могут быть ответственны за нарушения иммунной системы в условиях микрогравитации. Если эти подозрения подтвердятся, то результаты исследования могут помочь создать новые методы лечения болезней.

Программа TEXUS начата в 1976 году в рамках совместного проекта немецкого Федерального министерства образования и исследований (BMBF), Федерального министерства экономики и технологий (BMWi) и космического агентства DLR. Двухступенчатая геофизическая ракета VSB-30 является совместной разработкой бразильских, шведских и немецких инженеров. Она позволяет достигать высоты более 270 км, обеспечивать невесомость в течение 6 минут и возвращать полезную нагрузку на парашюте. Спускаемый аппарат затем подбирается поисковым самолетом.

Программа TEXUS предоставляет ученым возможность проводить независимые эксперименты в условиях микрогравитации и готовить опыты для Международной космической станции. Это регулярный и более удобный доступ к невесомости по сравнению с пилотируемыми полетами, поскольку у ракет TEXUS более низкие требования по безопасности. Таким образом, обеспечивается низкая стоимость проведения экспериментов.

В эксперименте JOKARUS использовался молекулярный йод . Результаты являются важной вехой в использовании оптических часов в космосе. Такие часы необходимы, в частности, для спутниковых навигационных систем, которые предоставляют данные для точного определения местоположения. Они одинаково важны для фундаментальных физических исследований, таких как обнаружение гравитационных волн и измерения гравитационного поля Земли.

Благодаря интегрированному программному обеспечению и алгоритмам,лазерная система работала абсолютно независимо.

Полезная нагрузка JOKARUS была разработана и внедрена под руководством Humboldt-Universität zu Berlin (HU Berlin) в рамках совместной работы лаборатории лазерной метрологии. Лаборатория объединяет ноу-хау обоих учреждений в области диодных лазерных систем для космического применения.

Ранее Институт лазерной физики СО РАН, г. Новосибирске опубликовал свою работу :”Оптический стандарт частоты на основе Nd:YAG-лазера, стабилизированного по резонансам насыщенного поглощения в молекулярном йоде с использованием второй гармоники излучения”.

Ученые М. Н. Скворцов, М. В. Охапкин, А. Ю. Невский, С. Н. Багаев представили результаты исследований по созданию оптического стандарта частоты на базе кольцевого одночастотного Nd:YAG-лазера, работающего на длине волны λ = 1064 нм, с диодной накачкой и внутрирезонаторным удвоением частоты. Стабилизация частоты лазера осуществлялась по резонансам насыщенного поглощения в молекулярном йоде на частоте второй гармоники излучения лазера (λ = 532 нм). Резонансы насыщенного поглощения наблюдались во внешней люминесцентной ячейке. В экспериментах достигнута относительная долговременная cтабильность частоты ~6 × 10-15. Исследованы физические и технические факторы, влияющие на долговременную стабильность и воспроизводимость частоты.

Проект направлен на разработку и создание технических средств и методов способных обеспечить высокую точность измерения частоты, времени и перемещения объектов. Предполагается на базе Nd:YAG/I2 оптического стандарта частоты и длины с использованием методов оптической интерферометрии осуществить регистрацию траектории движения объекта с относительной точность измерения не хуже 10-10. Адаптированный для проведения подобных измерений Nd:YAG/I2 оптический стандарт частоты и длины, планируется использовать в баллистических лазерных гравиметрах. Кроме того он может быть использован в системах прецизионного измерения малых перемещений в нанотехнологических операциях, для решения задач связанных с калибровкой спектральных приборов например «l – метров». Одним из достоинств данного оптического стандарта является, то что он двухволновый, в нем генерируются две длины волны 1064 нм и вторая гармоника 532 нм. Вторая гармоника необходима для получения узких нелинейных резонансов в парах молекулярного йода, которые служат реперами частоты для данного оптического стандарта. Наличие двух длин волн позволяет создать дисперсионный интерферометр, который может быть использован для измерения плотности плазмы для измерений перемещений в атмосфере в условиях меняющегося давления и температуры.

Аннотация к отчету по результатам реализации проекта:

За отчетный период работы проведены исследования по созданию оптического стандарта частоты на базе кольцевого одночастотного Nd:YAG лазера, работающего на длине волны 1064 нм с диодной накачкой и внутрирезонаторным удвоением частоты. Стабилизация частоты лазера осуществлялась по резонансам насыщенного поглощения в молекулярном йоде на второй гармонике частоты излучения лазера (длина волны 532 нм). Использовался метод «Гетеродинной спектроскопии насыщенного поглощения через частотную модуляцию насыщающего излучения» во внешней поглощающей ячейке. Выходное излучение лазера с помощью специального зеркала разделялось на две длины волны 1064 нм и 532 нм. Излучение 532 нм подавалось на акустооптический модулятор света после которого в результате дифракции на бегущей звуковой волне получалось два световых пучка нулевой и первый порядок дифракции. Нулевой порядок имел частоты падающего излучения, а первый порядок дифракции сдвинут по частоте относительно частоты падающего излучения на частоту звуковой волны. Частота звуковой волны задавалась стабильным генератором радио частоты.

Обе световые волны навстречу друг другу заводились с помощью зеркал в поглощающую йодную ячейку. Поляризации встречных волн были линейными и ортогональными. Их ориентация задавались с помощью полуволновых пластинок. Одна волна из нулевого порядка была мощной насыщающей поглощение, другая из первого порядка слабой и выполняла роль пробного сигнала. Она выводилась после прохождения поглощающей ячейки на фотоприемник поляризационным кубиком. Сильная насыщающая волна модулировалась по фазе с частотой 1 МГц с помощью электрооптического модулятора света. На частотах соответствующих нелинейным резонансам насыщенного поглощения из сигнала пробной волны после синхронного детектирования выделялся сигнал ошибки, по которому частота лазера системой автоматического регулирования подстраивалась на частоту резонанса. Частота излучения самого лазера при данном методе стабилизации не модулируется, что позволяет использовать данное излучение в баллистическом гравиметре. В результате обработки полученных в эксперименте данных была построена функция Аллана.

Значение долговременной стабильности частоты Nd:YAG-лазеров за времена более 100сек достигает величины лучше 10^10. Разработка и оптимизация методов стабилизации частоты Nd:YAG – лазера по резонансам насыщенного поглощения в молекулярном йоде позволила создать оптический стандарт частоты и длины волны с достаточно высокой долговременной стабильностью и воспроизводимостью частоты при небольших габаритах. Малые габариты и простота конструкции стандарта на базе Nd:YAG/I2 системы позволяет создавать стандарт в транспортируемом варианте.

Глобальные системы спутниковой навигации (ГНСС) стали неотъемлемой частью нашей жизни. Востребованность в точном позиционировании и синхронизации постоянно расширяется. Основная задача развития любой национальной ГНСС — повышение точности и надежности позиционирования потребителя.

Одним из ключевых факторов, определяющих качество функционирования ГНСС, является точность и стабильность сигнала времени, формируемого бортовым синхронизирующим устройством (БСУ).

Пассивные водородные мазеры с суточной нестабильностью частоты < 1 × 10−14 зарекомендовали себя на борту спутников GALILEO , а также в наземных испытаниях в России.

Всвою очередь, активный водородный мазер более 6 лет успешно функционирует на борту космического аппарата «Спектр-Р» .

Учитывая значительный прогресс в разработках водородных мазеров, в том числе и для космических применений (так, в рамках проекта «Миллиметрон» созданы активные водородные стандарты с нестабильностью < 1 × 10−15), использование их при разработке перспективных спутниковых навигационных систем является актуальной задачей.

Другое важное направление — создание бортового оптического репера частоты (БОРЧ). Переход от микроволнового (f = 1010–1011 Гц) к оптическому (f = 1014–1015 Гц) диапазону частот приводит к существенному, на несколько порядков, повышению относительной стабильности осциллятора, поскольку она определяется его добротностью Q = f /δf (f — частота перехода, а δf — ширина резонанса). У атомов в оптическом диапазоне существует ряд метрологических («часовых») переходов с естественной спектральной шириной много меньше 1 Гц. Методы лазерного охлаждения и захвата атомов и ионов в ловушки позволяют решить две важные задачи:

Во-первых, время взаимодействия с возбуждающим полем может быть увеличено до нескольких секунд, что обеспечивает фурье-ограниченную спектральную ширину резонанса вплоть до δf = 1 Гц без увеличения физических размеров системы. Во-вторых, из-за локализации холодного иона на размерах много меньше длины волны света обнуляются линейный доплерэффект и эффект отдачи, а также обеспечивается фактически полная изоляция от нежелательных внешних полей и столкновений.

Естественно, возникает вопрос о возможности переноса перспективных технологий фотоники на борт космического аппарата.

Интересно отметить,что если около десяти лет назад такие идеи относились к разделу «научной фантастики», то сегодня уже осуществлен ряд удачных запусков, продемонстрировавших функциональность по крайней мере части квантово-оптических технологий, включая фемтосекундные синтезаторы оптических частот (ФСОЧ) , стабилизированные лазеры , а также системы для глубокого лазерного охлаждения и бозе-конденсации атомов рубидия, на борту космического аппарата .

Действительно, существенной трудностью, возникающей при создании любого оптического стандарта частоты, является большое количество (обычно около 10) разнообразных лазерных систем, частота излучения которых должна быть настроена на линии переходов в атоме.

Это требуется как для охлаждения и захвата атомов и ионов, так и для управления внутренними квантовыми состояниями. При этом спектральная ширина излучения лазерных систем должна составлять 0,01–1 МГц при аналогичной точности настройки. Поддержка работоспособности лазеров — трудная задача; количество сбоев зачастую не обеспечивает надежной работы оптических стандартов частоты даже на интервале нескольких часов.

Одним из основополагающих факторов, обеспечивших реальные перспективы использования оптических часов в качестве БОРЧ, стало создание ФСОЧ на основе оптоволоконного фемтосекундного лазера с пассивной синхронизацией мод.

ФСОЧ позволяет преобразовывать оптическую частоту в радиочастотный диапазон, внося лишь незначительный вклад в относительную нестабильность частоты на уровне единиц 19 знака. Открылась возможность использовать высокие характеристики стабильности часового лазера, привязанного по частоте к оптическому резонансу в атоме, в диапазоне, доступном для потребителя (1–10 ГГц).

Прогресс технологии производства ФСОЧ в Европе (компания «MenloSystems») позволил осуществить два успешных суборбитальных запуска с компактной (22 кг) ФСОЧ на борту в 2015 и 2017 гг. Можно считать, что вопрос бортового ФСОЧ решен на принципиальном уровне и в дальнейшем требуются только работы по повышению надежности и компактности системы. В России аналогичные работы ведутся компанией «Авеста».

Несмотря на то, что оптические стандарты на нейтральных атомах в оптических решетках показывают, несколько лучшие характеристики стабильности за счет большого (вплоть до 105) количества опрашиваемых атомов по сравнению со стандартами на одиночных ионах , последние являются предпочтительными.

Во-первых, глубина потенциала ионной ловушки составляет несколько электронвольт (несколько десятков тысяч кельвинов), что позволяет долго, вплоть до месяцев, удерживать одиночный ион в ловушке .

Основным механизмом потерь являются столкновения с фоновым газом в вакуумной камере, приводящие к перезарядке и потере иона. Во-вторых, конструкция ионной ловушки гораздо более компактна и не требует деликатных юстировок оптических пучков.

В-третьих, более низкая стабильность ионных часов на коротких временах усреднения (по сравнению с часами на нейтральных атомах) не является ограничением при проектировании БСУ для навигационного спутника. Из недостатков можно перечислить высокую чувствительность к электрическим полям (требуется деликатное управление потенциалами на электродах), относительно низкий уровень сигнала люминесценции от одиночного иона и труднодоступность ультрафиолетовых переходов в некоторых ионах .

Существенным мотивирующим фактором является создание транспортируемых оптических часов на ионе Ca+ объемом 0,5 м3, демонстрирующих относительную нестабильность в 10−16 на одних сутках . Кроме того, кооперацией немецких институтов и компаний (PTB, Toptica, Menlo Systems) начата разработка транспортируемых часов на одиночном ионе Yb+ . Аналогичный проект стартовал во Франции .

В2017 г. Министерством образования и науки РФ поддержан проект 14.610.21.0010 «Разработка генератора ультрастабильных опорных сигналов частоты на холодных ионах иттербия для повышения на порядок точности геопозиционирования, космической навигации и формирования новых сегментов массового спроса на рынке приложений глобальной спутниковой навигации», задачей которого является создание компактного (1 м3) стандарта частоты на одиночном ионе иттербия.

Основные принципы работы оптических часов наодиночном ионе Yb+

Оптический репер частоты на одиночном ионе Yb+ состоит из трех основных блоков. Опорный осциллятор (одиночный ион Yb+) находится в вакуумном спектроскопе оптическом (ВСО), представляющем собой вакуумную камеру с ионной ловушкой, аппаратурой для ее загрузки и компенсации внешних полей, а также оптической системой для регистрации сигнала флуоресценции иона под действием охлаждающего лазерного излучения.

Вторым компонентом оптического стандарта частоты является лазерная система, которая в свою очередь делится еще на три части: систему контроля квантовых состояний (СККС), систему фотоионизации и доплеровского охлаждения (СФДО)и систему опроса часового перехода (СОЧП).

Третий основной блок состоит из измерителя длин волн, основанном на интерферометре Физо (ИДВ),а также из фемтосекундного синтезатора оптических частот (ФСОЧ) и отвечает как за стабилизацию частоты лазерных источников (ИДВ, ФСОЧ),так и за перенос стабильности и точности стандарта из оптического диапазона в радиочастотный (ФСОЧ).

СФДО формирует лазерное излучение на длинах волн 369,5 нм и 398,9 нм, которое обеспечивает (совместно с лазером из СККС, излучающим на длине волны 935 нм) лазерное охлаждение захваченных в ВСО частиц, загрузку ионов в ловушку посредством фотоионизации нейтральных атомов 171Yb, а также считывание результата возбуждения часового перехода посредством метода квантовых скачков. СККС обеспечивает излучение на длинах волн 935 нм и 760 нм для приготовления необходимого квантового состояния иона перед опросом его часового перехода и замыкания цикла охлаждения.

Достаточная точность стабилизации частот лазерного излучения блоков СККС и СФДО составляет 2 МГц и может быть реализована при помощи ИДВ, для чего небольшая часть их излучения заводится в последний. При помощи встроенного ПИД-контроллера ИДВ стабилизирует частоты лазеров СККС и СФДО.

СОЧП представляет собой оптическую систему,обеспечивающую излучение для возбуждения часового перехода иона и основанную на лазерном источнике, частота которого на коротких временах (меньше периода опроса иона) может стабилизироваться относительно моды высокостабильного резонатора Фабри–Перо или относительно ФСОЧ (которая сама по себе также может быть стабилизирована относительно аналогичного высокостабильного резонатора, что повышает отказоустойчивость системы).

Характерная кратковременная нестабильность частоты излучения СОЧП составляет 2 · 10−15 (1–10 с). Долговременная стабильность частоты СОЧП, а значит и всего стандарта в целом, обеспечивается стабилизацией относительно часового перехода в ионе.

Общая схема работы оптического стандарта частоты заключается в следующем. Сначала в ловушку, являющуюся частью ВСО, захватываетсяион 171Yb+.

После этого он циклически подвергается лазерному охлаждению для минимизации сдвига частоты часового перехода и подготавливается в исходном квантовом состоянии. Затем происходит возбуждение и считывание часового перехода, что позволяет стабилизировать частоту излучения СОЧП относительно частоты перехода в ионе.

Частота СОЧП при этом делится при помощи ФСОЧ, который обеспечивает выходной радиочастотный сигнал стандарта.

Кратковременная стабильность такого стандарта определяется высокостабильным резонатором, стабилизирующим СОЧП или ФСОЧ, а долговременная — частотой часового перехода иона, относительная нестабильность которой может достигать единиц 17 знака.

ЛовушкаПауля

Наличие у ионов отличного от нуля электрического заряда значительно облегчает их захват и локализацию. Взаимодействие с электрическим полем позволяет удерживать ионы с помощью радиочастотных полей в так называемых ловушках Пауля . Ловушка представляет собой комбинацию электродов, к которым приложены постоянные и радиочастотные (с частотой в пределах от 1 до 100 МГц) потенциалы.

Эти электроды создают переменный неоднородный потенциал близкий к квадрупольному.

Революционные изменения, произошедшие в последнее десятилетие в области синтеза высокостабильных сигналов частоты, привели к безусловнойприоритетной роли квантово-оптических технологий на горизонте следующих 10 лет как в наземных, так и в бортовых системах .

На сегодняшний день оптические часы превосходят цезиевые фонтаны по показателям относительной нестабильности и погрешности более чем на порядок величины и продолжают эволюционировать в сторону повышения компактности, надежности и улучшения характеристик.

Несомненно, создание прототипа надежного и компактного устройства БОРЧ, интегрирующего перечисленные технологии и модули, является сложнейшей научно-технической задачей.

Помимо научной составляющей, для ее реализации в бортовом варианте требуется развитие линейки технологий фотоники (твердотельные излучатели,волоконно-оптические компоненты, электронно-оптические элементы технологии нанесения
покрытий).

Представленный проект открывает возможность интегрировать существующий научнотехнологический задел и на его основе составить объективную дорожную карту развития данного направления в России.

Источник 1 и Источник 2

Добавить комментарий