Точная навигация и позиционирование на сегодняшний день являются всё более и более востребованными в разных областях человеческой жизни (как для морской и воздушной навигации, движения автотранспорта, для сельского хозяйства, промышленности, так и для передачи данных и научных исследований). Важной основой работы таких систем являются стандарты частоты, которые располагаются как на земле, так и на спутниках. Их точность и стабильность определяет производительность и возможности систем спутниковой связи. Развитие квантово-оптических технологий позволило снизить нестабильность наземных стандартов частоты до 18 знака после запятой, а также увеличить стабильность систем в космосе.

Обзор последних достижений в области применения квантово-оптических технологий для задач спутниковой навигации и перспективы ее развития в России представлен в журнале Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы в первом номере 2018 года. Обзор подготовил коллектив авторов из Физического Института им. П. Н. Лебедева РАН, Сколковского института науки и технологий и Института лазерной физики СО РАН.

Источник: Колачевский Н.Н., Хабарова К.Ю., Заливако И.В., Семериков И.А., Борисенко А.С., Шерстов И.В., Багаев С.Н., Луговой А.А., Прудников О.Н., Тайченачев А.В., Чепуров С.В. Перспективные квантово-оптические технологии для задач спутниковой навигации// Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. – 2018. – Т. 5. – №. 1. – С. 13-27. [ссылка]

Для глобальных систем спутниковой навигации одной из ключевых характеристик является стабильность сигнала времени, которая создается бортовым синхронизирующим устройством (БСУ). Рассмотри пример: при погрешности частоты в 14м знаке за сутки погрешность позиционирования спутника составит порядка 0,25 метра. Существуют различные стандарты частоты, которые используются сегодня и могут быть использованы в перспективе. На сегодняшний день российские системы ГЛОНАСС базируется на микроволновых стандартах частоты с использованием пучка атомов цезия и на рубидиевой ячейке.

Источник: Принцип работы и устройство рубидиевого стандарта частоты [ссылка]

В перспективе планируется использовать водородные мазеры (которые уже находят применение в стандартах частоты на земле), оптические реперы частоты на основе методов лазерного охлаждения, ловушек, стабилизированные лазеры и фемтосекундные частотные гребёнки-комбы.

Ведущий разработчик и производитель технологии оптических частотных гребёнок – революционного метода для измерения частоты света – немецкая компания Menlo Systems. Основана в 2001 году на базе Института квантовой оптики общества Макса Планка Нобелевским лауреатом Теодором Хеншем, который в 2005 году совместно Роем Дж. Глаубером и Джоном Л. Холлом получил Нобелевскую премию по физике (ознакомится с лекцией можно по ссылке Хэнш Т. В. Страсть к точности //Успехи физических наук. – 2006. – Т. 176. – №. 12. – С. 1368).

Удивительно, что уже в 2002 году компания Menlo Systems выпустила первую в мире оптическую частотную гребёнку FC8003.

В основе работы оптической частотной гребенки лежит фемтосекундный лазер в режиме синхронизации мод. Бесконечная последовательность копий импульсов дает в результате интерференции гребенку частот : T = 2 L / v_g, где ω_r – частота повторения импульсов, воспроизводимый сдвиг фазы ∆ϕ несущей волны относительно огибающей – ω₀ сдвиг относительно целых гармоник ω_r. В результате частота спектральной компоненты гребенки ω_m = m ω _r + ω₀.

Для увеличения ширины частотной гребенки используется спектральное уширение из-за фазовой самомодуляции вызнанной зависимостью коэффициента преломления в оптическом волокне, зависящим от интенсивности.

Можно сказать, что оптическая частотная гребёнка действует как несколько сотен тысяч сверхстабильных, точно настроенных и одновременно работающих лазеров.

Последнее достижение фемтосекундных комбов Menlo Systems по стабильности и точности – система FC1500-250-ULN, которая обеспечивает точность в 17м знаке и стабильность в 18м!

Еще одним достижением в области применения и внедрения комбов – это их успешный запуск и работа в космическом пространстве. Специально созданная модель AstroComb уже три раза успешно слетала в космос. Последний полет состоялся в мае 2018 год – подробнее о полете по ссылке.