Опыт прямого измерения гравитационного смещения частоты сигнала навигационного космического аппарата в точке траверза относительно наземной станции

В.Ф. Фатеев, В.П. Лопатин, А.С. Завгородний

ФГУП «ВНИИФТРИ», Менделеево, Московская обл., Россия;
generalfat@mail.ru

«Альманах современной метрологии» № 4 (40) 2024, стр. 64–88

УДК 006.927

Аннотация. Цель эксперимента состояла в подтверждении возможности прямо­го измерения гравитационного смещения частоты сигнала навигационного космичес­кого аппарата (НКА) в точке его траверза относительно наземной измерительной станции. Это частотное смещение несёт информацию об ортометрической высоте наземной точки измерений. В точке траверза исчезает значительный по величине мешающий эффект Доплера 1-го порядка, что обеспечивает повышение точности измерений. В эксперименте использованы сигналы нескольких НКА GPS. Измери­тельная наземная радиотехническая станция оснащена приёмной антенной диамет­ром 12 м, территориально совмещена с высокостабильными термостабилизирован­ными опорными квантовыми часами Ч-1003 с относительной нестабильностью 10−15. Опорная шкала времени синхронизирована со шкалой времени Государствен­ного первичного эталона единиц времени, частоты и национальной шкалы времени ГЭТ 1-2022. Проведён анализ инструментальных и методических погрешностей измерения частотного смещения излучения спутника вблизи точки траверза. До настоящего времени такие эксперименты не проводились. Достигнутая погреш­ность пока превышает ожидаемые значения. Авторы работают над методами её снижения.

Ключевые слова: гравитационное смещение частоты, космический аппарат, точка траверза, квантовые часы.

Цитируемая литература

1. Басов Н.Г., Крохин О.Н., Ораевский А.Н., Страховский Г.М., Чихачев Б.М. О возможности исследования релятивистских эффектов с помощью молеку­ляр­ных и атомных стандартов частоты // Успехи физических наук. — 1961. — Т. 75. — № 9. — С. 3–59. — DOI: 10.3367/UFNr.0075.196109a.0003.

2. Чихачев Б.М. Способ измерения гравитационного сдвига частоты радиоволн в опыте с искусственным спутником Земли // Труды ФИАН. — 1967. — Т. 38. — С. 189–198.

3. Cacciapuoti L., Salomon C. Atomic clock ensemble in space // International Sym­posium on Physical Sciences in Space, 11–15 July 2011, Bonn, Germany. Journal of Physics: Conference Series. — 2011. — V. 327. — 012049. — DOI: 10.1088/1742-6596/327/1/012049.

4. Duchayne L., Mercier F., Wolf P. Оrbit determination for next generation space clocks // Аstronomy аnd Astrophysics. — 2009. — V. 504. — № 2. — P. 653–661.

5. STE-QUEST: Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test. Assessment Study Report. ESA/SRE. — December, 2013. — P. 1–98.

6. Vessot R.F.C., Levine M.W. A test of the equivalence principle using a space-born clock // General Relativity and Gravitation. — 1979. — V. 10. — № 3. — P. 181–204. — DOI: 10.1007/BF00759854.

7. Vessot R.F.C., Levine M.W., Mattison E.M., Blomberg E.L., Hoffman T.E., Nyst­rom G.U., Farrel B.F., Decher R., Eby P.B., Baugher C.R., Watts J.W., Teuber D.L., Wills F.D. Test of relativistic gravitation with a space-borne hydrogen maser // Physical Review Letters. — 1980. — V. 45. — P. 2081–2084.

8. Biriukov A.V., Kauts V.L., Kulagi V.V., Litvinov D.A., Rudenko V.N. Gravitational redshift test with the space radio telescope “RadioAstron” // Astronomy Reports. — 2014. — V. 58. — № 11. — P. 783–795.

9. Литвинов Д.А., Бирюков А.В., Гусев А.В., Кауц В.Л., Коваленко А.В., Порай­ко Н.К., Руденко В.Н. Прецизионные методы измерения релятивистских грави­тационных эффектов в экспериментах с бортовыми атомными стандартами частоты и времени // Фундаментальное и прикладное координатно-временное и навигационное обеспечение (КВНО-2015). VI Всероссийская конференция, 20–24 апреля 2015 г., Санкт-Петербург: тезисы докладов. — СПб.: Ин-т при­кладной астрономии РАН, 2015. — С. 72.

10. Глушков В.В. От Геоида до Гео-ИК-2: история и перспективы развития оте­чественных космических геодезических комплексов // Геодезия и картография. — 2016. — № 9. — С. 22–29.

11. Спутниковая система «ГЕО-ИК-2». — ОАО «Информационные спутниковые системы» им. академика М.Ф. Решетнева. — URL: http://www.iss-reshetnev.ru/?cid=prj-geo-ik2 (дата обращения: 22.06.2017).

12. Born G.H., Wunsch C., Yamarone Ch.A. TOPEX: observing the oceans from space // EOS. — 1984. — V. 65. — № 28. — P. 433–434.

13. Johannessen J.A. Overview of ERS-1 scientific results obtained from ocean and sea ice observations // 1995 International Geoscience and Remote Sensing Symposium, IGARSS ’95. Quantitative Remote Sensing for Science and Applications. 10–14 July. — IEEE, 1995. — DOI: 10.1109/IGARSS.1995.521130.

14. Ménard Y., Fu L.-L., Escudier P., Parisot F., Perbos J., Vincent P., Desai S., Haines B., Kunstmann G. The Jason-1 Mission. Special Issue: Jason-1 Calibration/Validation // Marine Geodesy. — 2003. — V. 26. — P. 131–146. — DOI: 10.1080/01490410390256736.

15. Delva P., Altamimi Z., Blazquez A. et al. GENESIS: co-location of geodetic tech­niques in space // Earth Planets Space. — 2023. — V. 75. — Article number: 5. — DOI: 10.1186/s40623-022-01752-w.

16. ГЭТ 1-2022. Государственный первичный эталон единиц времени, частоты и национальной шкалы времени. — URL: https://www.vniiftri.ru/standards/izmere­niya-vremeni-i-chastoty/get-1-2022-gosudarstvennyy-pervichnyy-etalon-edinits-vremeni-chastoty-i-natsionalnoy-shkaly-vremeni/ (дата обращения: 07.02.2023).

17. FTP server of the BIPM Time Department. — URL: www.bipm.org/en/time-ftp (дата обращения: 01.10.2024).

18. Стандарт частоты и времени водородный Ч1-1003M. — URL: www.vremya-ch.com/index.php/product/activehm-ru/ch1-1003m-ru/index.html (дата обращения: 01.10.2024).

19. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. Навигационный радиосигнал в диапазонах L1, L2. — URL: https://russianspacesystems.ru/wp-content/uploads/2016/08/ICD_GLONASS_rus_v 5.1.pdf (дата обращения: 12.01.2023).

20. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. Общее описание системы с кодовым разделением. — URL: https://russianspacesystems.ru/wp-content/uploads/2016/08/IKD.-Obshh.-opis.-Red.-1.0-2016.pdf (дата обращения: 12.01.2023).

21. Анализатор спектра N9040B. Описание типа средства измерений. — URL: https://nd-gsi.ru/grsi/730xx/73996-19.pdf (дата обращения: 12.01.2023).

22. Завгородний А.С., Воронов В.Л., Рябов И.В. Метрологический комплекс оценки энергетических характеристик сигналов навигационных космических аппаратов ГНСС «ГЛОНАСС» // Альманах современной метрологии. — 2016. — № 2 (7). — С. 124–138.

23. Langer M., Teichel K., Sibold D., Bermbach R. Time synchronization performance using the network time security protocol // 2018 European Frequency and Time Forum (EFTF), 10–12 April, Turin, Italy. — IEEE, 2018. — P. 138–144. — DOI: 10.1109/EFTF. 2018.8409017.

24. Бакитько Р.В., Болденков Е.Н., Булавский Н.Т. и др. ГЛОНАСС. Принципы пос­троения и функционирования / под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. — 4-е изд. — М.: Радиотехника, 2010. — 796 с.

25. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в гео­дезии. В 2-х т. Т. 1. — М.: Картгеоцентр, 2005. — 334 с.

26. Умножитель ZX90-2-19-S+. Технические характеристики. — URL: www.mini-circuits.com/pdfs/ZX90-2-19-S+.pdf (дата обращения: 12.01.2023).

27. Умножитель ZX90-2-36-S+. Технические характеристики. — URL: www.mini-circuits.com/pdfs/ZX90-2-36-S+.pdf (дата обращения: 12.01.2023).

28. VBFZ-6260-S+. Coaxial Bandpass Filter. — URL: www.minicircuits.com/pdfs/VBFZ-6260-S+.pdf (дата обращения: 12.01.2023).

29. CNT-90 Timer/Counter/Analyzer. Data sheet. — URL: https://pendulum-instruments.com/wp-content/uploads/2022/09/pendulum-cnt-90_timer-counter-analyzer-v2.pdf (дата обра­щения: 12.01.2023).

30. Interface Control Documents | ICD-GPS-870. — URL: www.gps.gov/technical/icwg/ (дата обращения: 12.01.2023).

31. Одуан К., Гино Б., Кауфман М.Б. Измерение времени. Основы GPS. — М.: Тех­носфера, 2002. — 399 с.

32. Фатеев В.Ф. Релятивистская метрология околоземного пространства-времени. — Менделеево: ВНИИФТРИ, 2017. — 439 с.

33. Фатеев В.Ф. Космический квантовый нивелир и его возможности при создании глобальной высотной основы // Альманах современной метрологии. — 2022. — № 4 (32). — С. 27–51.

Статья поступила в редакцию: 11.06.2024 г.
Статья прошла рецензирование: 23.09.2024 г.
Статья принята в работу: 03.10.2024 г.

Полные тексты статей доступны в печатных номерах журнала по подписке и при покупке отдельных номеров у издателя.
Также полные тексты статей размещаются в Научной электронной библиотеке eLIBRARY.

Предыдущая статья ……. Содержание ……. Следующая статья