Atom interferometry for high precision navigation

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 patent. I denna undersökning studerar vi den aktuella statusen för atominterferometertekniken, förväntad noggrannhet, brusfaktorer och sensorutvecklingen. Vårt mål är att ge en överblick över de möjligheter som atominterferometri ger och presentera dess noggrannhet jämfört med andra tekniker.