Des chercheurs du Laboratoire de recherche navale des États-Unis (NRL) ont développé un interféromètre à faisceau d'atomes refroidi en 3D continu en attente de brevet, dérivé d'un faisceau d'atomes froid et continu breveté pour explorer les systèmes de mesure inertielle basés sur l'interférométrie atomique comme moyen de réduire la dérive dans la navigation navale. systèmes.
La navigation inertielle est une technique de navigation autonome dans laquelle les mesures fournies par des accéléromètres et des gyroscopes sont utilisées pour suivre la position et l'orientation d'un objet par rapport à un point de départ, une orientation et une vitesse connus. La navigation inertielle quantique est un nouveau domaine de recherche et développement qui peut augmenter la précision des mesures inertielles de plusieurs ordres de grandeur.
"Notre interféromètre fonctionne dans un régime différent de celui de la plupart des autres implémentations modernes d'un interféromètre atomique", a déclaré Jonathan Kwolek, Ph.D., chercheur physicien à la section d'optique quantique du LNR au sein de la division des sciences optiques. "En fonctionnant avec des atomes froids et continus, nous avons ouvert la porte à un certain nombre d'avantages ainsi qu'à de nouvelles techniques de mesure. À terme, nous aimerions utiliser cette technologie pour améliorer les systèmes de navigation inertielle, réduisant ainsi notre dépendance au GPS."
Grâce aux propriétés uniques de la source atomique, l'interféromètre à faisceau atomique refroidi en 3D continu présente des caractéristiques de mesure prometteuses telles qu'un contraste de mesure élevé, un faible bruit et une gestion améliorée des variations dans l'environnement du capteur. Cette technologie a le potentiel de fournir à la Marine la capacité d'opérer dans des environnements où le GPS est refusé et de surmonter les limitations de la précision du GPS.
En fonction de la plateforme de mesure, les erreurs d'estimation de localisation s'accumuleront et entraîneront une perte d'informations de position précises. Les systèmes de navigation inertielle actuellement disponibles dans le commerce, par exemple, peuvent naviguer avec une accumulation d'erreurs d'environ 1 mille marin sur 360 heures. NRL a l'intention de développer de nouvelles technologies pour prolonger ce temps de telle sorte que la dérive de navigation ne limite pas la durée de la mission.
"Le domaine de la navigation inertielle vise à fournir des informations de navigation partout où le GPS n'est pas disponible", a déclaré le directeur associé de la recherche sur les systèmes de la LNR, le Dr Gerald Borsuk. "L'avènement de l'interférométrie atomique permet une nouvelle approche de la détection inertielle, qui a le potentiel de combler certaines des lacunes des technologies de pointe actuelles."
Le GPS est devenu l'épine dorsale des fonctionnalités de notre monde civil et militaire, fournissant des informations de position et de synchronisation distribuées de haute précision partout dans le monde. Cependant, il existe certains environnements de combat dans lesquels le GPS ne peut pas fonctionner, comme sous l'eau ou dans l'espace, ainsi qu'une menace croissante pour la disponibilité du GPS sous la forme de brouillage, d'usurpation d'identité ou de guerre antisatellite.
"Dans un monde idéal, nous nous protégeons contre la perte de la navigation conventionnelle en fabriquant les meilleurs navigateurs inertiels possibles", a déclaré Kwolek. "Cela permet de garantir qu'une perte de GPS ne permette pas à nos navires de se perdre au milieu du territoire ennemi."
Les interféromètres sont des appareils qui extraient des informations sur les interférences à l'aide d'ondes cohérentes. Cette classe d'appareils est largement utilisée pour les mesures précises des déplacements, des changements d'indice de réfraction et des topologies de surface. La navigation inertielle est utilisée dans un large éventail d'applications, notamment la navigation des avions, des missiles tactiques et stratégiques, des engins spatiaux, des sous-marins et des navires.
La physique atomique offre une boîte à outils unique pour mesurer avec une extrême précision. L'interférométrie atomique est une méthode de physique atomique dans laquelle l'interférence quantique des ondes de matière atomique est utilisée pour mesurer des changements extrêmement précis dans les conditions environnementales, tels que les champs ou les forces d'inertie.
"La réalisation de mesures inertielles atomiques par opposition à une mesure classique donne des dépendances d'erreur différentes", a déclaré Kwolek. "Nous prévoyons que s'ils sont effectués avec soin, les interféromètres atomiques présenteront un meilleur comportement sonore et une meilleure précision à long terme que les technologies de pointe actuelles. Traduit dans le monde de la navigation inertielle, cela signifie garder votre position fixe plus longtemps, offrant ainsi une plus grande flexibilité opérationnelle. "
Les interféromètres atomiques peuvent également être utilisés pour discipliner un autre capteur, un peu comme la façon dont les horloges sont régulées par rapport au GPS. Cette combinaison d'un interféromètre et d'un cocapteur peut permettre aux interféromètres de réaliser un avantage dans un scénario de mesure réel.
"Ce n'est en aucun cas une solution complète", a déclaré Kwolek. "Il y a des compromis à faire fonctionner un interféromètre atomique, par exemple, la sensibilité accrue est corrélée à une plage dynamique plus faible. Nous explorons plusieurs voies pour résoudre ce problème, y compris la mise en œuvre d'un cocapteur ou des techniques alternatives d'atome froid."
Cette recherche en optique quantique est parrainée par le programme de base du LNR et l'Office of Naval Research.
La loi sur l’autorisation de la défense nationale pour l’exercice 2024 stipule que la technologie quantique approche d’un point critique qui déterminera la rapidité avec laquelle elle pourra avoir un impact. Si les États-Unis parviennent à maintenir le rythme, de nombreux résultats importants pour le ministère de la Défense (DOD) pourraient être obtenus, notamment une position, une navigation et un timing solides pour la liberté d'opérations du DOD avec des frappes de précision, même dans le cadre de compétitions dans les domaines du spectre, de l'espace ou des cyberopérations.
NRL a fourni des solutions de navigation à la flotte depuis sa création, mais une percée a eu lieu dans les années 1960 avec l'invention du GPS.
NRL a lancé TIMATION I le 31 mai 1967 et TIMATION II le 30 août 1969. TIMATION I a démontré qu'un navire de surface pouvait être positionné à moins de deux dixièmes de mille marin et un avion à moins de trois dixièmes de mille marin. en utilisant les mesures de distance d'un satellite synchronisé dans le temps.
Bien qu'initialement conçu pour être utilisé par l'armée, le GPS a été adapté aux besoins de navigation civile, allant de l'aviation commerciale aux appareils portables de type montre-bracelet. Aujourd'hui, le GPS est une constellation de 32 satellites en orbite autour de la Terre qui fournissent des données précises de navigation et de synchronisation aux utilisateurs finaux militaires et civils du monde entier. Malgré des décennies de développement du GPS, les systèmes de navigation inertielle optimisés offrent à la Marine la possibilité d'atténuer les risques en évitant de devenir entièrement dépendante du GPS.
"À l'ère moderne, le LNR est l'un des nombreux organismes de recherche qui s'attaquent aux défis de la navigation inertielle navale", a déclaré Adam Black, Ph.D., chef de la section d'optique quantique du LNR. "Le laboratoire tire parti des techniques atomiques et optiques avancées pour inventer de nouvelles architectures de mesure inertielle qui promettent une navigation précise sur les plates-formes dynamiques de la Marine."
Fourni par le Laboratoire de recherche navale
