Des quadricoptères avec horloge pourraient fournir un GPS ultra-précis

Le système de positionnement global est devenu l'un des piliers fondamentaux de la vie au 21e siècle. La plupart des habitants des pays développés possèdent un récepteur GPS et de nombreuses industries en dépendent, parfois pour des tâches vitales.

Ce système est si important que les gouvernements, les chefs de file de l'industrie et l'armée étudient depuis longtemps ses lacunes et s'inquiètent de la facilité avec laquelle il serait détruit. Les résultats de leur torsion des mains ne sont en aucun cas rassurants.

Un scénario cauchemardesque est le syndrome de Kessler, la possibilité inquiétante qu'une collision en orbite terrestre puisse provoquer une cascade de collisions supplémentaires qui augmentent considérablement la densité des débris spatiaux. Cela pourrait détruire toute la constellation de satellites GPS en quelques heures seulement.

Tant de groupes ont commencé à réfléchir à la façon dont le système GPS pourrait être restauré sans compter sur les satellites. Et aujourd'hui, le National Institute of Standards and Technology du gouvernement américain publie les résultats d'un programme qui pourrait rendre cela possible.

Tout d'abord un peu de contexte. Les satellites GPS sont essentiellement des horloges en orbite qui diffusent des signaux horaires précis et synchronisés. Un récepteur au sol peut trianguler sa position en comparant les heures d'arrivée des signaux de trois satellites ou plus.

Les garde-temps orbitaux sont des horloges atomiques à base d'atomes de césium. Lorsque les électrons en orbite autour des atomes sautent d'un état à un autre, ils produisent un rayonnement d'une fréquence d'exactement 9 192 631 770 hertz, ce qu'on appelle l'étalon de césium. Ceci est utilisé pour garder le temps.

Ces horloges atomiques ont une précision de 10 à 6 secondes et sont régulièrement synchronisées avec les systèmes au sol. Cette synchronisation est ce qui détermine la précision de positionnement du système.

Cependant, les horloges au sol peuvent être synchronisées avec une bien plus grande précision. En effet, une technique connue sous le nom de transfert temps-fréquence optique bidirectionnel a synchronisé les horloges à 10-19 secondes près.

Mais l'appliquer aux horloges mobiles n'a pas été possible. La procédure de synchronisation suppose que le temps mis par la lumière pour se déplacer d'une horloge à l'autre est le même dans les deux sens. Mais ce n'est pas le cas si l'une ou l'autre des horloges bouge. Donc, cela ne peut pas être utilisé pour les systèmes de type GPS

Aujourd'hui, cela semble sur le point de changer, grâce au travail d'Hugo Bergeron et de ses collègues de l'installation du NIST à Boulder, au Colorado. Ces gars ont développé une technique pour synchroniser une paire d'horloges mobiles avec une précision extraordinaire.

Le secret derrière la nouvelle approche est relativement simple. Le but est de trouver un moyen de prendre en compte le mouvement des horloges. Alors Bergeron et compagnie mesurent simplement le mouvement relatif.

La vitesse est trouvée à partir du taux de changement du temps de vol mesuré sur trois mesures à peu près continues nécessitant environ 1,5 ms sur une liaison turbulente, disent-ils.

Ils ont testé cette nouvelle technique en utilisant des signaux horaires relayés par des rétroréflecteurs équipant une paire de quadricoptères pouvant se déplacer à des vitesses relatives allant jusqu'à 24 mètres par seconde.

Et les résultats sont impressionnants. Les horloges synchronisées s'accordent à ~10−18 en fréquence, disent-ils.

C'est évidemment beaucoup plus précis que les signaux GPS actuels et ouvre toute une série de nouvelles applications. La navigation plus précise n'est pas la moindre, mais il existe également un potentiel pour des expériences scientifiques mobiles distribuées à la recherche de tout, des ondes gravitationnelles à la matière noire.

Et cela soulève également la possibilité de remplacer rapidement la constellation de satellites GPS en cas de catastrophe, en utilisant des ballons, des drones ou d'autres véhicules volants.

Réf : arxiv.org/abs/1808.07870 : Synchronisation femtoseconde des horloges optiques d'un quadricoptère volant

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