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Los cuadricópteros con reloj podrían proporcionar un GPS ultra preciso
El Sistema de Posicionamiento Global se ha convertido en uno de los pilares fundamentales de la vida del siglo XXI. La mayoría de las personas en el mundo desarrollado posee un receptor GPS y numerosas industrias confían en él, a veces para tareas críticas.
Este sistema es tan importante que los gobiernos, los líderes de la industria y las fuerzas armadas han estudiado durante mucho tiempo sus deficiencias y se han preocupado por lo fácil que sería derribarlo. Los resultados de su retorcimiento de manos no son nada tranquilizadores.
Un escenario de pesadilla es el síndrome de Kessler, la posibilidad preocupante de que una colisión en la órbita terrestre pueda causar una cascada de colisiones adicionales que aumenten drásticamente la densidad de los desechos espaciales. Esto podría destruir toda la constelación de satélites GPS en unas pocas horas.
Muchos grupos han comenzado a pensar en cómo se podría restaurar el sistema GPS sin depender de los satélites. Y hoy, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología del gobierno de EE. UU. publica los resultados de un programa que podría hacer esto posible.
Primero algunos antecedentes. Los satélites GPS son esencialmente relojes en órbita que transmiten señales de tiempo precisas y sincronizadas. Un receptor en tierra puede triangular su posición comparando los tiempos de llegada de las señales de tres o más satélites.
Los relojes en órbita son relojes atómicos basados en átomos de cesio. Cuando los electrones que orbitan alrededor de los átomos saltan de un estado a otro, producen radiación con una frecuencia de exactamente 9 192 631 770 hercios, el llamado estándar de cesio. Esto se utiliza para mantener el tiempo.
Estos relojes atómicos tienen una precisión de 10 a 6 segundos y se sincronizan regularmente con sistemas terrestres. Esta sincronía es lo que determina la precisión de posicionamiento del sistema.
Sin embargo, los relojes terrestres se pueden sincronizar con una precisión mucho mayor. De hecho, una técnica conocida como transferencia óptica bidireccional de tiempo-frecuencia ha sincronizado los relojes con una precisión de entre 10 y 19 segundos.
Pero aplicar esto a los relojes en movimiento no ha sido posible. El procedimiento de sincronización supone que el tiempo que tarda la luz en viajar de un reloj al otro es el mismo en ambas direcciones. Pero este no es el caso si cualquiera de los dos relojes se está moviendo. Entonces esto no se puede usar para sistemas de tipo GPS
Hoy, parece que eso va a cambiar, gracias al trabajo de Hugo Bergeron y sus colegas en las instalaciones del NIST en Boulder, Colorado. Estos chicos han desarrollado una técnica para sincronizar un par de relojes en movimiento con una precisión extraordinaria.
El secreto detrás del nuevo enfoque es relativamente sencillo. El objetivo es encontrar una manera de tener en cuenta el movimiento de los relojes. Así que Bergeron y compañía simplemente miden el movimiento relativo.
La velocidad se encuentra a partir de la tasa de cambio del tiempo de vuelo medido en tres mediciones aproximadamente continuas que requieren ~1,5 ms a través de un enlace turbulento, dicen.
Pusieron a prueba esta nueva técnica utilizando señales de tiempo transmitidas por retrorreflectores instalados en un par de cuadricópteros que pueden moverse a velocidades relativas de hasta 24 metros por segundo.
Y los resultados son impresionantes. Los relojes sincronizados están de acuerdo con ~10−18 en frecuencia, dicen.
Obviamente, eso es mucho más preciso que las señales GPS actuales y abre una gran cantidad de nuevas aplicaciones. No menos importante es una navegación más precisa, pero también existe el potencial para experimentos científicos móviles distribuidos que buscan todo, desde ondas gravitacionales hasta materia oscura.
Y también plantea la posibilidad de reemplazar la constelación de satélites GPS rápidamente en caso de desastre, utilizando globos, drones u otros vehículos voladores.
Ref: arxiv.org/abs/1808.07870 : Sincronización de femtosegundos de relojes ópticos fuera de un cuadricóptero volador