DE10120225A1

DE10120225A1 - Direct inertial speed measurement comprises using a boundary layer transition between moving material and a vacuum in earth's gravitational field to reduce signal frequency

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Publication number: DE10120225A1
Application number: DE2001120225
Authority: DE
Inventors: Manfred Boehm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2001-04-24
Publication date: 2002-12-05

Abstract

The method involves using boundary layer transitions between moving material and vacuum in the earth's gravitational field. This reduces the frequency so an electromagnetic measurement signal repeatedly passes with a selectable factor through a resonance chamber with at least two sections. One section consists of e.g. glass or gas and the other of a vacuum. A reference signal is used in a resonance chamber with no boundary layer transitions.

Description

Die Geschwindigkeit v eines beliebigen Objektes kann grundsätzlich nur gegenüber einem anderen Objekt gemessen werden, das als Bezugsobjekt dient. Die Geschwindigkeit v ist eine zusammen gesetzte Grösse, es gilt v = s/t, mit der in einer Zeiteinheit t zurückgelegten Strecke s.The speed v of any object can only be compared to another Object to be measured, which serves as a reference object. The speed v is one set size, v = s / t applies, with the distance s covered in a time unit t.

Die inertiale Messung der eigenen Geschwindigkeit innerhalb eines translatorisch, d. h. nicht beschleunigt bewegten Inertialsystems gilt als nicht möglich. So ist z. B. kein Weg bekannt, die Bahngeschwindigkeit der Erde, rund 30 km/s, inertial zu messen. Auch die direkte inertiale Messung der Geschwindigkeit eines Fahrzeugs, Flugzeugs oder Schiffes, bezogen auf die Oberfläche der Erde, gilt als nicht möglich. Man kann heute die Geschwindigkeit nur indirekt über Kreiselplattformen messen, die mit Beschleunigungsmessern ausgestattet sind. Durch kontinuierliche Messung der Beschleunigungen in drei zueinander orthogolen Ebenen und der Integration dieser Beschleunigungswerte über der Zeit lassen sich die momentanen Geschwindigkeiten v_x, v_y und v_z bestimmen, deren weitere Integration über der Zeit zu den zurückgelegten Wegstrecken führt. Bei Bezug dieser Wegstrecken auf einen bekannten Anfangspunkt P₀ kann man zu jedem Zeitpunkt seinen eigenen Standort bezogen auf P₀ sowie seine zurückgelegte Wegstrecke bestimmen. Einer der Nachteile dieser weit verbreiteten Methode der Inertialnavigation ist der mit der Einsatzdauer anwachsende Driftfehler.The inertial measurement of one's own speed within a translational, ie not accelerated inertial system is not considered possible. So z. B. no way known to measure the Earth's orbital velocity, around 30 km / s, inertially. The direct inertial measurement of the speed of a vehicle, aircraft or ship, based on the surface of the earth, is also not possible. Today you can only measure the speed indirectly via gyro platforms equipped with accelerometers. The current velocities v _x , v _y and v _z can be determined by continuously measuring the accelerations in three mutually orthogonal planes and integrating these acceleration values over time, the further integration of which over time leads to the distances covered. When referring these distances to a known starting point P ₀ , one can determine his own location in relation to P ₀ as well as his distance traveled at any time. One of the disadvantages of this widespread method of inertial navigation is the drift error that increases over time.

Neuere Untersuchungen haben dazu geführt, den Faktor γ der Lorentz-Transformation als grundsätzlich geeignet zur Geschwindigkeitsmessung innerhalb des Schwerefeldes der Erde zu erkennen. Dazu wird die Eigenschaft von elektromagnetischen Wellen wie Licht genutzt, beim Übergang von einem bewegten Inertialsystem in ein "ruhendes" anderes oder umgekehrt Energie zu verlieren, was sich nach der bekannten Beziehung mc² = hν in einer Reduzierung der Frequenz auswirkt. Diese Rotverschiebung innerhalb eines geschlossenen Systems ist keine durch den Dopplereffekt erster Ordnung bedingte, sondern sie entsteht durch den Dopplereffekt zweiter Ordnung, wie er z. B. als transversaler Dopplereffekt (Bergmann-Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 3, 9. Auflage, 1993, S. 1178-80) mehrfach nachgewiesen wurde.Recent investigations have led to the factor γ of the Lorentz transformation being recognized as fundamentally suitable for speed measurement within the gravitational field of the earth. For this purpose, the property of electromagnetic waves such as light is used to lose energy when changing from a moving inertial system to a "stationary" other or vice versa, which has the effect of reducing the frequency according to the known relationship mc ² = hν. This redshift within a closed system is not caused by the Doppler effect of the first order, but it is caused by the Doppler effect of the second order, as z. B. as a transverse Doppler effect (Bergmann-Schaefer, Textbook of Experimental Physics, Volume 3, 9th edition, 1993, pp. 1178-80) has been proven several times.

Im praktischen Fall des GPS-Systems müssen bei den GPS-Satelliten bei den Veränderungen von deren Zeitsignalen nicht nur der Dopplereffekt erster Ordnung, sondern auch der Dopplereffekt zweiter Ordnung berücksichtigt werden (G. Schänzer: Navigation mit Satelliten und Atomuhren, FAZ, 09.10.1999, S. N3).In the practical case of the GPS system, the GPS satellites have to be changed when whose time signals not only the first-order Doppler effect, but also the Doppler effect second order are taken into account (G. Schänzer: navigation with satellites and atomic clocks, FAZ, 09.10.1999, p. N3).

Man kann den Faktor γ = (1 - β²)^1/2 auch schreiben als ((1 + β)(1 - β))^1/2 und diesen Ausdruck physikalisch deuten als Wechsel des Bezugssystems beim Übergang einer Welle von einem bewegten Inertialsystem in ein anderes "ruhendes". Beide sind natürlich grundsätzlich gleichberechtigt. The factor γ = (1 - β ² ) ^{1/2 can} also be written as ((1 + β) (1 - β)) ^1/2 and this expression can be interpreted physically as a change in the reference system when a wave changes from a moving inertial system into another "dormant". Both are of course fundamentally equal.

Prinzip, Wirkungsweise und technische Umsetzung des Verfahrens zur direkten inertialen Geschwindigkeitsmessung werden anhand der Bilder 1-5 erläutert. Es zeigenPrinciple, operation and technical implementation of the method of direct inertial velocity measurement are illustrated by the pictures 1-5. Show it

Bild 1 Zur Wirkung der Lorentz-Transformation (System Mond-Erde) Fig. 1 On the effect of the Lorentz transformation (moon-earth system)

Bild 2 Verfahren zur direkten inertialen Geschwindigkeitsmessung Figure 2 Process for direct inertial speed measurement

Bild 3 Aufbau eines inertialen Geschwindigkeitsmessers Figure 3 Structure of an inertial speedometer

Bild 4 Technische Ausführung eines inertialen Geschwindigkeitsmessers mit vielen Materie-Vakuum-Übergängen Figure 4 Technical design of an inertial speedometer with many matter-vacuum transitions

Bild 5 Zur direkten Messung eines dreidimensionalen Geschwindigkeitsvektors Image 5 For direct measurement of a three-dimensional speed vector

In Bild 1 ist skizziert, welche Frequenzveränderung bei vom Mond kommenden kohärenten Licht auftritt. Angenommen ist eine Lichtquelle S mit der Frequenz ν, die auf dem Mond stationiert ist, und ein Lichtempfänger E auf der Erde, der als Mischerfrequenz ebenfalls die Frequenz ν verwendet. Innerhalb des Schwerefeldes des Mondes breitet sich das Licht von S mit der bekannten Lichtgeschwindigket c aus. Innerhalb des Schwerefeldes der Erde ist das Gleiche der Fall. Die Frequenz des Signals innerhalb des Schwerefeldes des Mondes unterscheidet sich jedoch von der des gleichen Signals innerhalb des Schwerefeldes der Erde. Dieses Faktum - von der speziellen Relativitätstheorie vorhergesagt und vielfach bestätigt - beruht auf der beim Signalübergang von einem als Bezug gewählten inertialen System (Mond) in ein anderes (Erde), das sich mit einer Relativgeschwindigkeit v bewegt, anzuwendenden Lorentz-Transformation. Diese kann man auch als Dopplereffekt zweiter Ordnung interpretieren. Der Effekt ist schwierig zu messen, weil der Dopplereffekt erster Ordnung im allgemeinen um mehrere Größenordnungen über dem Effekt zweiter Ordnung liegt. Auf der Erde konnte er mit verschiedenen Versuchen wie schon erwähnt als transversaler Dopplereffekt nachgewiesen werden. Physikalisch läßt sich dieser interpretieren als Dopplereffekt zweiter Ordnung, der übrig bleibt bei reiner orthogonaler Bewegung einer Signalquelle zur Empfangsrichtung, bei der kein Dopplereffekt erster Ordnung auftreten kann. Figure 1 outlines the frequency change that occurs with coherent light coming from the moon. Assume a light source S with the frequency ν, which is stationed on the moon, and a light receiver E on the earth, which also uses the frequency ν as the mixer frequency. The light from S spreads out within the gravitational field of the moon at the known speed of light c. The same is the case within the gravitational field of the earth. However, the frequency of the signal within the moon's gravitational field differs from that of the same signal within the earth's gravitational field. This fact - predicted and often confirmed by the special theory of relativity - is based on the Lorentz transformation to be used for the signal transition from one inertial system (moon) chosen as the reference to another (earth) which moves with a relative velocity v. This can also be interpreted as a second-order Doppler effect. The effect is difficult to measure because the first order Doppler effect is generally several orders of magnitude above the second order effect. As already mentioned, it could be demonstrated on earth as a transverse Doppler effect. Physically, this can be interpreted as a second-order Doppler effect, which remains when a signal source moves purely orthogonally to the direction of reception, in which no first-order Doppler effect can occur.

Der Dopplereffekt zweiter Ordnung ist sehr klein. Da die Geschwindigkeit des Mondes gegenüber der Erde rund 1 km/s beträgt, wird die von Mond gesendete Frequenz ν um rund den Faktor 1 - 5.10^-12 abgesenkt. Das kann in der üblichen technischen Praxis nicht gemessen werden und interessiert auch nicht.The second order Doppler effect is very small. Since the speed of the moon relative to the earth is around 1 km / s, the frequency ν sent by the moon is reduced by a factor of 1 - 5.10 ^-12 . This cannot be measured in normal technical practice and is of no interest either.

Für die technische inertiale Direktmessung von Geschwindigkeiten z. B. bis herunter zu 1 m/s steigen die Schwierigkeiten noch stärker an, da dieser Wert einer Frequenzabsenkung um den Faktor von rund (1 - 5.10^-18) entspricht. Eine so geringe Frequenzänderung ist mit üblichen Mitteln nicht mehr zu messen. For the technical inertial direct measurement of speeds z. B. down to 1 m / s, the difficulties increase even more, since this value corresponds to a frequency reduction by a factor of around (1 - 5.10 ^-18 ). Such a small change in frequency can no longer be measured using conventional means.

Benutzt man jedoch vielfach reflektiertes und verstärktes Licht, so dass die Frequenzabsenkung dem Faktor (1 - nβ²) entspricht, wobei n einen Wert von beispielsweise 10⁶ bis 10⁸ aufweise, dann erhält man bei einer Ursprungsfrequenz von z. B. von 3.10¹⁷ Hz Differenzfrequenzen von 10¹² bis 10¹⁰ Hz, die man recht genau messen kann.However, if one uses multiple reflected and amplified light so that the frequency reduction corresponds to the factor (1 - nβ ² ), where n has a value of, for example, 10 ⁶ to 10 ⁸ , then one obtains at an original frequency of e.g. B. from 3.10 ¹⁷ Hz difference frequencies from 10 ¹² to 10 ¹⁰ Hz, which can be measured quite accurately.

Entscheidend für jedes Verfahren zur inertialen Geschwindigkeitsmessung sind zwei Prinzipien: Erstens muss jeder inertiale Geschwindigkeitsmesser mindestens eine Grenzschicht zwischen Materie und Vakuum aufweisen und zweitens muss er einem elektromagnetischen Signal wie beispielsweise Licht ermöglichen, eine solche Grenzschicht n mal innerhalb eines gegebenen Messzeitintervalls zu passieren. Bei jedem Lauf des Messsignals durch seinen Resonazraum sind jedoch bei Vorhandensein nur einer Vakuumkammer grundsätzlich zwei Grenzschichtübergänge vorhanden. Grenzt die Vakuumkammer direkt an den Spiegel an einer Stirnseite des Resonanzraums, dann bildet sie mit dem Spiegel zusammen den zweiten Übergang Vakuum- Materie.Two principles are decisive for every method for inertial speed measurement: First, every inertial speedometer must have at least one boundary layer between Matter and vacuum and secondly, he must like an electromagnetic signal For example, allow light to pass such a boundary layer n times within a given one Measurement time interval to pass. Each time the measurement signal runs through its resonance space however, if there is only one vacuum chamber, there are basically two boundary layer transitions available. The vacuum chamber borders directly on the mirror on one end of the Resonance space, then together with the mirror it forms the second transition vacuum Matter.

In Bild 2 ist ein Sensor für das Verfahren zur inertialen Geschwindigkeitsmessung skizziert. Es zeigt einen aus Materie bestehenden Resonanzraum 1, in dem ein Signal a mit der Referenzfrequenz ν zwischen zwei Spiegeln hin und her läuft. In diesem Resonanzraum läuft räumlich versetzt und von dem Referenzsignal entkoppelt auch ein Messsignal b hin und her. Dieses Messsignal bewegt sich in einem veränderten Resonanzraum, der aus dem etwas verkürzten ursprünglichen Resonanzraum 1 und der eingefügten Vakuumkammer 2 besteht. Wenn der Resonanzraum 2 in den Resonanzraum 1 so einbezogen wird, dass die Resonanzraumlängen laufzeitmässig für Referenz- und Messignal genau gleich lang sind, dann sind auch die Ruhefrequenzen gleich. Auf die Länge des Resonanzraums 2 zur Generierung einer geschwindigkeitsabhängigen Frequenz kommt es nicht an. Der mit der Geschwindigkeit v bewegte Sensor befindet sich im Schwerefeld S der Erde, das sowohl die Materie als auch das Vakuum durchdringt. Figure 2 shows a sensor for the inertial speed measurement method. It shows a resonance chamber 1 consisting of matter, in which a signal a with the reference frequency ν runs back and forth between two mirrors. In this resonance space runs spatially offset and a measurement signal b decouples from the reference signal. This measurement signal moves in a modified resonance chamber, which consists of the somewhat shortened original resonance chamber 1 and the inserted vacuum chamber 2 . If the resonance room 2 is included in the resonance room 1 in such a way that the resonance room lengths are exactly the same length for the reference and measurement signals, then the rest frequencies are also the same. The length of the resonance chamber 2 for generating a speed-dependent frequency is not important. The sensor moving at speed v is located in the gravitational field S of the earth, which penetrates both matter and vacuum.

In Bild 3 ist der Aufbau eines inertialen Geschwindigkeitsmessers skizziert. Er besteht grundsätzlich aus einer kohärenten Signalquelle 1, die vorzugsweise eine Laserlichtquelle ist, aus dem inertialen Geschwindigkeitssensor 2, für den neben dem Prinzip des Bildes 2 auch eine andere Ausführung in Bild 4 dargestellt ist, und dem Frequenzmesser 3, mit dem die geschwindigkeitsabhängige Differenzfrequenz ermittelt wird, aus der sich die Sensorgeschwindigkeit im Schwerefeld der Erde berechnen lässt. Sensor 2 und Quelle 1 lassen sich auf integriert gestalten, indem Vakuumkammern in Laserresonanzräume eingefügt werden. Figure 3 shows the structure of an inertial speedometer. It basically consists of a coherent signal source 1, preferably a laser light source is shown from the inertial velocity sensor 2, for the addition to the image 2 principle also another embodiment in Figure 4, and the frequency meter 3 with which determines the speed-dependent difference frequency from which the sensor speed in the gravitational field of the earth can be calculated. Sensor 2 and source 1 can be designed to be integrated by inserting vacuum chambers into laser resonance rooms.

Bild 4 zeigt ein Beispiel für die technische Ausführung eines inertialen Geschwindigkeitsmessers, bei dem Mikro- und Nanotechnologie angewendet werden soll, die dazu dient, nicht nur wie in Bild 2 angegeben mit lediglich einer Grenzschicht zwischen Materie und Vakuum zu arbeiten, sondern mit n Grenzschichten zwischen Materie und Vakuum, wobei n wieder im Bereich von 10⁶ bis 10⁸ liegen soll. Bei dieser Version wird auf die Verstärkung des Lichtes verzichtet und mit einer hohen Spitzeneingangsleistung bei niedriger mittlerer Leistung gearbeitet. Die Anordnung besteht aus der kohärenten Signalquelle 1, dem Signalteiler 2, dem Geschwindigkeitssensor 7, dem Dämpfungsglied 3, dem Frequenzvergleicher (Mischer) 4, dem Differenzfrequenzmesser 5 und dem Geschwindigkeitsrechner 6 Figure 4 shows an example of the technical design of an inertial speedometer, in which micro and nanotechnology is to be used, which is used not only to work with just one boundary layer between matter and vacuum, as shown in Figure 2, but with n boundary layers between Matter and vacuum, where n should again be in the range from 10 ⁶ to 10 ⁸ . In this version, the light is not amplified and a high peak input power is used with a low average power. The arrangement consists of the coherent signal source 1 , the signal divider 2 , the speed sensor 7 , the attenuator 3 , the frequency comparator (mixer) 4 , the differential frequency meter 5 and the speed calculator 6

Bild 5 zeigt, wie durch orthogonale Anordnung von drei inertialen Gewindigkeitsmessern der Geschwindigkeitsvektor eines bewegten Objektes in Bezug auf eine Referenzvolumen, z. B. den Luftraum mit horizontaler Grundfläche, direkt gemessen werden kann. Dazu wird der Geschwindigkeitsmesser 1 zur inertialen Messung der Geschwindigkeitskomponente v_x in der x- Richtung, der Geschwindigkeitsmesser 2 zur inertialen Messung der Geschwindigkeitskomponente v_y in der y-Richtung und der Geschwindigkeitsmesser 3 zur inertialen Messung der Geschwindigkeitskomponente v_z in der z-Richtung montiert. Die Bestimmung des daraus resultierenden Geschwindigkeitsvektors v aus den drei Komponenten erfolgt rechnerisch in bekannter Weise. Figure 5 shows how the speed vector of a moving object with respect to a reference volume, e.g. B. the air space with a horizontal base can be measured directly. For this purpose, the speedometer 1 for the inertial measurement of the speed component v _x in the x-direction, the speedometer 2 for the inertial measurement of the speed component v _y in the y-direction and the speedometer 3 for the inertial measurement of the speed component v _z in the z-direction are mounted , The resulting speed vector v from the three components is determined by calculation in a known manner.

Claims

1. Method for direct inertial speed measurement in relation to any plane within the gravitational field of the earth, characterized in that at least two boundary layer transitions between moving matter and vacuum in the gravitational field of the earth are used for frequency reduction in such a way that an electromagnetic measurement signal is repeated many times the selectable factor n passes through a resonance chamber that contains at least two subsections, one of which consists of matter such as gas or glass and the other of vacuum, that a second electromagnetic signal is used as a reference signal with the frequency v in a resonance chamber that does not Contains boundary layer transitions between matter and vacuum and is therefore not subject to a speed-dependent frequency reduction, and that the frequency difference νnv ² / c ² after n passes of the measurement signal in its resonance space in a corresponding technical device in a known manner b It is determined by comparing the frequency ν of the reference signal with the frequency (1 - β ² ) ⁿ ν of the frequency-lowered measurement signal and that the speed v of the moving frequency meter is determined in a known manner from the difference frequency.

2. The method according to claim 1, characterized in that the resonance space for the measurement signal instead of just one vacuum chamber from several Vacuum chambers is divided in any way and their number m as a divisor the number n the desired passes through only two boundary layers of a resonance room reduced accordingly.

3. The method according to claims 1-2, characterized in that the inertial speed sensor from a series of micro or nanotechnology created, surface-treated material webs, between which there is a vacuum and that the inevitable losses due to scattering and damping are caused by a pulsed Light source very high peak power with very low continuous power are taken into account.

4. The method according to claims 1-3, characterized in that Reference signal and measurement signal from two separate and spatially arbitrary oriented resonance rooms.

5. The method according to claims 1-4, characterized in that a speed-dependent, frequency-reducing resonance room for coherent light is created by inserting at least one vacuum chamber into the Resonance room of a laser.

6. The method according to claims 1-5, characterized in that with an electronically switchable light gate the time period is controlled, through which in connection with the effective length of the resonance room, the number n of passes through the resonance room of the measurement signal is determined.

7. The method according to claims 1-6, characterized in that three inertial speedometers are arranged orthogonally to each other so that the spatial velocity vector based on reference coordinates in a known manner the three measured speed components can be determined.