Jag accepterar att kakor lagras på min dator

Läs mer

Atom interferometry for high precision navigation.

Atom interferometry for high precision navigation. Beställ tryckt exemplar Lägg i kundvagnen Ladda ned som PDF
Författare: Elias Amselem, Jonas Tidström, Mårten Armgarth
Ort: Linköping
Sidor: 63
Utgivningsår: 2014
Publiceringsdatum: 2014-12-31
Rapportnummer: (FOI-R--4015--SE)
Nyckelord Tröghetsnavigering, atominterferometri, nya teknologier
Keywords inertial navigation, new technologies, interferometers, atom optics
Sammanfattning Högprecisionsnavigering är en nyckelförmåga för både militära och civila tillämpningar. Noggrannheter på ett fåtal meter och även centimeter är önskvärda för, t.ex. navigering i trånga utrymmen och då rörelser ska spåras. De flesta tillämpningar löser detta genom att utnyttja GPS. För mer krävande applikationer kan GPS kombineras med andra sensordata för att förbättra positioneringen och få ett mer robust navigationssystem. Gemensamt för de flesta navigationssystemen är att de förlitar sig på externa signaler som t.ex. GPS-satellitsignaler, kameror eller radar vilket gör dem sårbara. Dessa signaler kan i många fall vara utom räckhåll, inaktiva eller störas ut. En metod för att minimera användningen av externa signaler är att navigera med hjälp av tröghetssensorer. Genom att använda tröghetssensorer för att mäta accelerationer och rotationshastigheter är det möjligt att följa förändringar i position och orientering. Fördelen med denna metod är att i princip behöver bara startpositionen vara känd. Alla andra positioner beräknas sedan från accelerometer och gyroskop data. Dessutom kan sensorerna hållas väl isolerad och i säkert förvar mot yttrestörningar. Få accelerometrar och gyroskop är tillräckligt noggranna för att på ett tillförlitligt sätt navigera över en längre tid. De bästa systemen finns idag i ubåtar och interkontinentala ballistiska missiler som kan nå en precision på ca 100 m efter att ha navigerat i en timme. Däremot, är tröghetsnavigering med prisvärda och mindre sensorer fortfarande beroende av GPS-signaler för att få mellanlägesuppdateringar. Utan dessa positionsuppdateringar kommer navigationsfelet att växa snabbt och resultera i fel på många tusentals meter. Högprecisionsaccelerometrar och -gyroskop är dyra och stora. Likväl är många tillämpningar i behov av prisvärda, små och högpresterande sensorer. Idag har inte många teknologier potentialen att nå dessa specifikationer och det är nödvändigt att blicka mot nya framväxande teknologier. En kandidat som kan uppfylla alla tre specifikationerna är atominterferometrar i chipformat. Förväntat är att denna teknologi kommer att kunna demonstrera portföljstora sensorsystem med potentialen att tröghetsnavigera i en timme med en felmarginal på bara 2-5 meter. Denna otroliga precision är bortom alla nuvarande tröghetsnavigeringssystem och är nära gränsen för vad som kan uppnås med tröghetsnavigering. Den höga noggrannhet har attraherat nya koncept där det har föreslagits att dessa sensorer också kan användas för ökad situationsmedvetenhet där t.ex. en varning produceras om en stor massa närmar sig. Atominterferometrar på chip är än i sin linda. Däremot, har större atominterferometrar för gravitationsmätningar nått en hög mognadsgrad och det finns även koncept-experiment som strävar mot tröghetsnavigering. Den höga mognadsgraden inom gravitationsmätningar har producerat minst två spin-off-företag. Dessutom finns det intresse från flera större aktörer som följer teknikutvecklingen och tar p
Abstract High precision navigation is a key ability both in military and civilian applications. Precisions of a few meters and even centimetres are desirable when, e.g., tracking movements and to avoid obstacles. For most applications this is solved by using GPS signals. For more demanding applications a GPS signal combined with other sensor data enhances the positioning and makes it more robust. However, because most navigation systems rely on external signals like camera, radar or GPS satellite signals, they become vulnerable. These signals can in many circumstances be out of reach, disabled or jammed. A way to minimize the use of external signals is to navigate by inertial sensors. By using inertial sensors for measuring acceleration and rotation rates it is possible to keep track of the changes in position and orientation. The benefit of this method is that in principle only the starting position is needed to be known. All other positions are then calculated through accelerometer and gyroscope sensor data. These sensors can be kept well isolated and secure. Very few accelerometers and gyroscopes are sufficiently accurate to reliably navigate with high precision for a longer time. Best systems are found in submarines and intercontinental ballistic missiles that can reach a precision of about 100 m after navigating for one hour. More affordable and smaller sensors for inertial navigation still depends on GPS signals to have intermediate position updates, else the error will grow fast often reaching many thousands of meters. High precision accelerometers and gyroscopes are expensive and large. However, many applications would benefit of affordable, small size and high precision sensors. Not many technologies have the potential to reach these specifications and it is necessary to look at new emerging technologies. A technology that is on the uprise and has all qualifications for reaching all three specifications is chip size atom interferometers. It is predicted that the technology can deliver briefcase size sensors with the potential of inertial navigation with an error of only 2-5 meters after one hour of navigation. This incredible precision is beyond any current inertial navigation system and at the limit of what can be achieved with inertial navigation. Because of the high accuracy it has been suggested that these sensors can also be used for enhanced situation awareness where a warning is produced if a large mass is approaching. Atom chip interferometer technology is in a very early technological stage. However, table-top atom interferometers are reaching maturity in the field of gravity measurements and there are proof-of-concept experiments striving for inertial navigation. The maturity of atom based gravity measurements has produced at least two spin-off companies. In addition, several other companies are closely surveying the atom interferometer development and taking patents. In this survey we investigate the current status of atom interfero

Kundvagn

Inga rapporter i kundvagnen

FOI, Totalförsvarets forskningsinstitut

FOI
Totalförsvarets forskningsinstitut
164 90 Stockholm

Tel: 08-555 030 00
Fax: 08-555 031 00

Orgnr: 202100-5182