О хранении времени и точности измерений в околоземном пространстве

 
Релятивистская метрология околоземного пространства-времени – новое направление в космической метрологии.
 
 
Статья журнала ВКС, №2 (91) июнь 2017
 
Развитие этого направления широко востребовано в науке и технике радиоинженерами и инженерами-радиоэлектронщиками при создании   практическом применении высокоточных космических систем навигации типа ГЛОНАСС, GPS, GALILEO, BeiDou.
 
Методы этой теории являются основой создания систем хранения времени на основе наземных и космических сверхстабильных стандартов частоты и времени, систем синхронизации наземных и космических атомных часов, лазерных геодезических систем, а также космических систем радиолокации и связи.
 
 
Уровень релятивистских изменений времени и частоты в околоземном пространстве превышает достигнутые на сегодняшний день инструментальные погрешности измерительных систем на 5–6 порядков. Причинами этих эффектов являются гравитационное поле Земли и его неоднородность, гравитационные поля соседних небесных тел, неравномерность вращения Земли, а также космические скорости измерителей.
 
Поэтому целями разработки релятивистской теории метрологии являются:
 
– повышение точности космических и наземных измерительных систем на основе разработки строгих прикладных методов учета релятивистских эффектов;
 
– разработка методов измерения релятивистских эффектов с целью получения новой информации в интересах геодезии и гравиметрии.
 
Релятивистская теория метрологии измерительных систем основана на использовании методов общей теории относительности и в прикладной постановке рассмотрена в нашей стране впервые. Разработанные теоретические методы доступны для использования радиоинженерам и инженерам-радиоэлектроникам без специальной подготовки в области теоретической физики.
 
Актуальность методов релятивистской метрологии объясняется взрывным характером изменения инструментальных возможностей современной измерительной техники.
 
Так, около 30 лет назад при разработке в США и СССР космических навигационных систем «Навстар» и ГЛОНАСС задача создания бортового стандарта частоты с относительной нестабильностью 10–12–10–13 была настолько трудновыполнимой, что в обеих странах представлялась как национальная проблема.
 
Сейчас же только за несколько последних лет характеристики нестабильности систем хранения частоты и времени поднялись от значений 10–14–10–15 до 10–16 (стандарты «фонтанного» типа). В нескольких лабораториях мира, в том числе в России (ФГУП «ВНИИФТРИ», ИЛФ СО РАН, ФИАН), завершается создание оптических стандартов с нестабильностью 10–17.
 
Уже вручена Нобелевская премия разработчикам прообраза часов с нестабильностью 10–18 (США), а среди специалистов России обсуждаются принципы построения и проводятся эксперименты по созданию оптических стандартов времени с нестабильностью 10–19–10–20.
 
Стандарт частоты – высокостабильный по частоте источник электромагнитных сигналов (радиодиапазона или оптических). Стандарты частоты используются в качестве вторичных или рабочих эталонов в метрологических измерениях, а также при производстве высокоточных средств измерений частоты и времени, в радионавигации, радиоастрономии и в других сферах.
С целью повышения точности навигационных определений потребителей систем ГЛОНАСС, GPS, GALILEO и BeiDou в монографии «Релятивистская метрология околоземного пространства-времени» рассмотрены методы расчета и прогнозирования релятивистских погрешностей космических систем навигации, которые учитывают влияние неоднородности гравитационного поля Земли, влияние полей Луны и Солнца, а также неравномерность движения навигационных спутников по орбите. Уже сейчас эти методы повышают точность системы ГЛОНАСС примерно на порядок.
 
Не менее серьезные перемены ожидаются в области повышения точности измерения длины. В Международном геодезическом проекте GGOS (Global Geodetic Observer System) объявлены требования к точности определения координат на поверхности Земли, которая характеризуется погрешностью измерений 1 мм и менее.
 
По отношению к радиусу Земли это составляет величину 10–10-10–11, что на 2–3 порядка превышает уровень релятивистского изменения длины в гравитационном поле Земли. По этой причине релятивистская теория метрологии используется при создании сверхточных лазерных геодезических систем, обладающих погрешностью измерений космических расстояний в несколько миллиметров.
 
При достигнутых и перспективных характеристиках стабильности бортовых и наземных хранителей времени можно говорить уже не только об учете релятивистских явлений в измерительных системах, но и об измерении величины этих эффектов в интересах решения практических задач. 
 
Одно из практических направлений в геодезии, связанное с измерениями релятивистского эффекта замедления времени и гравитационного смещения частоты, в современной научной литературе так и называется: «Релятивистская геодезия».
 
В рамках этого направления автором впервые в России проведены несколько релятивистских экспериментов по измерению гравитационного эффекта замедления времени. 
 
Полученные результаты открывают принципиальную возможность измерения разности гравитационных потенциалов, что невозможно сделать существующими методами, а также возможность создания высокоточного «квантового нивелира». 
 
Предложенновый метод релятивистской синхронизации, точность которого на три порядка выше точности существующих методов.
 
Предложены новые релятивистские навигационные приборы - релятивистские гироскопы. Монография включает четыре взаимосвязанных части.
 
В первой части рассмотрена эволюция физического содержания релятивистской метрологии и экспериментальные основы общей теории относительности как базы релятивистской метрологии.
 
Во второй части исследуются метрические свойства собственного времени и расстояний в стационарном гравитационном поле на поверхности Земли и в околоземном космосе.
 
Предлагаются и анализируются методы релятивистской синхронизации стационарных и мобильных часов.
 
В третьей части развивается оптическая модель гравитационного поля применительно к вращающейся геоцентрической земной системе отсчета ITRS. Pазвивается электродинамика сплошных сред, движущихся в гравитационных полях различной природы.
 
Выводятся основные формулы для параметров распространения радиоволн на основе оптической модели околоземного гравитационного поля.
 
В четвертой, прикладной, части, рассматриваются вопросы вычисления и компенсации релятивистских эффектов в системах синхронизации бортовых часов космических навигационных систем ГЛОНАСС, GPS, GALILEO и BeiDou; релятивистские эффекты в системах синхронизации на основе космических радиолиний и ВОЛС; релятивистские ошибки систем навигации и геодезии, а также результаты новых релятивистских экспериментов, проведенных под руководством автора.
 
 
Текст: Вячеслав Фатеев
доктор технических наук,
профессор, автор книги
«Релятивистская метрология
околоземного
пространства-времени»