Nawigacja bez GPS coraz bliżej. Sekret ukrywa światło

Amerykańscy naukowcy opracowali właśnie miniaturowy żyroskop wykorzystujący światło, który potrafi wykrywać obroty tak powolne, że jego czułość zaczyna zbliżać się do prędkości obrotowej samej Ziemi. Opracowane urządzenie mieści się w obudowie mającej zaledwie kilka centymetrów i nie potrzebuje ruchomych elementów mechanicznych do pomiaru obrotu. Jego najważniejszą częścią jest pierścień, wewnątrz którego krążą dwie wiązki światła laserowego. To właśnie ich zachowanie pozwala wykrywać niezwykle niewielkie zmiany ruchu, które dla zwykłych czujników byłyby trudne do uchwycenia.

Problem z nawigacją satelitarną jest niestety coraz częstszy. W Polsce doskonale widać go głównie nad Bałtykiem, gdzie zakłócenia sygnałów GPS i innych systemów satelitarnych regularnie utrudniają korzystanie z urządzeń nawigacyjnych. Szczególnie dotkliwe może być to dla lotnictwa, żeglugi oraz systemów wojskowych.

Opisywaliśmy już przypadki rosyjskiego zakłócania GPS nad Bałtykiem, które potrafią sprawić, że urządzenia wskazują zupełnie błędną lokalizację. W takich warunkach sama obecność odbiornika satelitarnego nie wystarcza. Potrzebny jest sposób określania ruchu i orientacji, który nie wymaga ciągłego odbierania sygnałów z kosmosu.

Jednym z rozwiązań jest nawigacja inercyjna, nazywana również bezwładnościową. Wykorzystuje ona czujniki mierzące przyspieszenie oraz obrót urządzenia. Znając początkową pozycję i rejestrując kolejne zmiany ruchu, komputer może obliczać, w jakim kierunku przemieszcza się pojazd i jak zmienia się jego położenie.

Największym problemem takich systemów jest jednak przede wszystkim stopniowe narastanie błędów. Nawet niewielka niedokładność pomiaru obrotu, powtarzana przez długi czas, może prowadzić do coraz większego odchylenia od rzeczywistej pozycji. Precyzja żyroskopu ma więc ogromne znaczenie, szczególnie gdy urządzenie przez dłuższy czas nie może skorygować wskazań na podstawie sygnału satelitarnego.

Nowy żyroskop opracowali naukowcy z California Institute of Technology oraz University of California, Santa Barbara, we współpracy z Air Force Research Laboratory. Zamiast tradycyjnych elementów mechanicznych wykorzystali układ fotoniczny, czyli miniaturowy obwód, w którym informacje przenosi światło.

Sercem urządzenia jest pierścieniowy rezonator optyczny o średnicy około 24 mm. Wykonano go z wykorzystaniem falowodów z azotku krzemu, materiału pozwalającego prowadzić światło przy bardzo niewielkich stratach energii. Wewnątrz pierścienia krążą sygnały laserowe rozchodzące się w przeciwnych kierunkach.

Kiedy urządzenie pozostaje nieruchome, oba sygnały zachowują się w przewidywalny sposób. Gdy jednak cały układ zaczyna się obracać, zmieniają się warunki rozchodzenia światła w przeciwnych kierunkach, co prowadzi do powstania niewielkiej różnicy częstotliwości.

Zjawisko to wynika z efektu Sagnaca, znanego fizykom od ponad 100 lat. Polega on na tym, że obrót układu wpływa na rozchodzenie się światła biegnącego w przeciwnych kierunkach po zamkniętej drodze. Mierząc wywołaną nim różnicę, można określić prędkość obrotową urządzenia. Nie jest więc potrzebne mechaniczne koło wirujące wewnątrz obudowy. To światło pełni funkcję niezwykle czułego elementu pomiarowego, a elektronika odczytuje zmiany jego właściwości.

Najważniejszy wynik przyniosły tak naprawdę testy laboratoryjne. Naukowcy umieścili przygotowany układ na specjalnej platformie wykonującej niewielkie, kontrolowane ruchy obrotowe. Rzeczywisty ruch platformy rejestrowano niezależnym urządzeniem optycznym, co pozwoliło porównać jego wskazania z wynikami nowego żyroskopu.

Okazało się, że czujnik potrafi mierzyć okresowo zmieniający się ruch obrotowy o amplitudzie prędkości wynoszącej zaledwie 37 stopni na godzinę. Dla porównania, Ziemia wykonuje pełny obrót w ciągu około 24 godzin, co odpowiada prędkości kątowej wynoszącej około 15 stopni na godzinę.

Wynik jest zatem bardzo bliski wartości związanej z ruchem obrotowym naszej planety. Nie oznacza jednak, że naukowcy zmierzyli tym konkretnym urządzeniem obrót Ziemi albo że jego dokładność odpowiada automatycznie potrzebom lotnictwa. Eksperyment potwierdził zdolność rejestrowania bardzo powolnych, kontrolowanych ruchów w warunkach laboratoryjnych.

Skala postępu jest mimo wszystko imponująca. Wcześniejszy żyroskop Brillouina wykonany na podobnej platformie z azotku krzemu pozwalał wykrywać obrót o prędkości 72 tys. stopni na godzinę. Nowa konstrukcja osiągnęła wartość blisko 2000 razy mniejszą, choć porównywane doświadczenia wykorzystywały różne rodzaje ruchu obrotowego.

W badaniu, opublikowanym w czasopiśmie Optics Letters, naukowcy podkreślają, że udało się połączyć wysoką czułość z technologią umożliwiającą produkowanie układów fotonicznych metodami stosowanymi w przemyśle półprzewodnikowym. To naprawdę szalenie ważny krok w kierunku tworzenia niewielkich żyroskopów, które mogłyby powstawać na znacznie większą skalę.

Za wysoką czułość nowego układu odpowiada nie tylko efekt Sagnaca. Naukowcy wykorzystali również zjawisko Brillouina polegające na oddziaływaniu światła z drganiami materiału, przez który się ono przemieszcza.

Kiedy wiązka laserowa rozchodzi się wewnątrz odpowiednio zaprojektowanego falowodu, może wzbudzać w nim niezwykle szybkie drgania mechaniczne. Te z kolei wpływają na właściwości światła. Przy właściwie dobranych parametrach pozwala to wytwarzać bardzo stabilne sygnały laserowe, których częstotliwości można dokładnie porównywać.

Podobne oddziaływanie światła i dźwięku wykorzystano już w eksperymencie z zamrożonym światłowodem, który pozwalał przechowywać informacje w postaci drgań materiału. Wtedy chodziło o stworzenie krótkotrwałej pamięci optycznej. W nowym żyroskopie mechanizm ten pomaga w uzyskaniu stabilnych sygnałów niezbędnych do mierzenia obrotu.

Ogromne znaczenie ma także jakość samego rezonatora. Współczynnik określający zdolność pierścienia do zatrzymywania światła przekracza 163 mln. Dzięki tak małym stratom fotony mogą krążyć wewnątrz układu przez blisko 100 nanosekund, czyli wyjątkowo długo jak na tak niewielką strukturę optyczną.

Im dłużej światło pozostaje wewnątrz rezonatora, tym łatwiej wychwycić drobne zmiany wynikające z ruchu urządzenia. Naukowcy zdecydowali się również na stosunkowo duży, jak na układy fotoniczne, pierścień. Większa powierzchnia zamknięta przez drogę światła zwiększa bowiem czułość pomiaru obrotu.

Klasyczne żyroskopy optyczne od bardzo dawna znajdują zastosowanie w systemach wymagających dużej precyzji. Wykorzystuje się je m.in. w nawigacji lotniczej, ponieważ potrafią zapewniać dokładniejsze pomiary niż typowe miniaturowe czujniki montowane w urządzeniach codziennego użytku.

Ich największym ograniczeniem na ten moment pozostają jednak przede wszystkim rozmiary, koszty i stopień skomplikowania. Tradycyjne konstrukcje optyczne często wymagają długich odcinków światłowodu lub większych układów rezonatorów. Przeniesienie podobnych możliwości na niewielki chip pozwoliłoby znacznie ograniczyć wielkość całego urządzenia.

Przeczytaj także:

Nowy żyroskop potrzebuje do działania zaledwie miliwatów mocy optycznej. Co istotne, sam optyczny układ pomiarowy nie zawiera ruchomych części, dzięki czemu przyszłe urządzenia tego typu mogłyby być odporne na drgania i wstrząsy, co może okazać się przełomem w przypadku konstruowania przyszłych samolotów i pojazdów autonomicznych. Takie maszyny potrzebują dokładnych informacji o swoim ruchu, a jednocześnie muszą radzić sobie w warunkach, w których nawigacja satelitarna bywa niedostępna albo niewiarygodna.

Nie oznacza to jednak jeszcze, że nowy chip samodzielnie zastąpi GPS. Żyroskop mierzy obrót, a do obliczania położenia potrzebne są również informacje o przyspieszeniu, czasie i pozycji początkowej. Konieczne będzie więc połączenie go z innymi czujnikami w kompletny system nawigacji inercyjnej.

*Źródło zdjęcia wprowadzającego: William Hadley, Pexels