В.Ф. Фатеев

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

«Альманах современной метрологии» № 4 (32) 2022, стр. 27–51

УДК 006.927

Аннотация. Предлагается создание космического квантового нивелира на основе про­ектируемой Российской орбитальной станции на околополярной орбите. Нивелир предназ­начен для определения разности гравитационных потенциалов и ортометрических высот между любыми точками на поверхности Земли, в том числе на островах Арктики. В основе измерений лежат эффекты гравитационного замедления времени и гравитационного сме­ще­ния частоты. Квантовый нивелир основан на использовании наземных и бортовых высоко­стабильных стандартов частоты и времени, а также наземных квантово-оптических систем и радиотехнических систем с компенсацией эффекта Допплера 1-го порядка. Про­ведён обзор известных технических решений, развита релятивистская теория измеряемых эффектов, а также оценена ожидаемая точность измерения разности ортометрических высот.

Ключевые слова: квантовый нивелир, Российская орбитальная станция, релятивистское смещение шкалы времени, гравитационное смещение частоты.

Цитируемая литература

1. Мустафин М.Г., Баландин В.Н., Брынь М.Я., Матвеев А.Ю., Меньши­ков И.В., Фирсов Ю.Г. Топографо-геодезическое и картографическое обес­печение Арктической зоны Российской Федерации // Записки Горного инсти­тута. — 2018. — Т. 232. — С. 375–382.

2. AG Resolutions Adopted by the IAG Council at the XXVIth IUGG General Assembly, Prague, Czech Republic, June 22 — July 2, 2015. — URL: http:// iag.dgfi.tum.de/fileadmin/IAG-docs/IAG_Resolutions_2015.pdf.

3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. — М.: Наука, 1967. — 460 с.

4. Фок В.А. Теория пространства, времени и тяготения. — М.: ГИФМЛ, 1961. — 564 с.

5. Фатеев В.Ф., Сысоев В.П., Рыбаков Е.А. Экспериментальное измерение гравитационного эффекта замедления времени с помощью перевозимых квантовых часов // Измерительная техника. — 2016. — № 4. — С. 41–43.

6. Фатеев В.Ф., Рыбаков Е.А. Экспериментальная проверка квантового ниве­ли­ра на мобильных квантовых часах // ДАН. Физика, технические науки. — 2020. — Т. 495. — С. 34–37.

7. Фатеев В.Ф., Смирнов Ф.Р., Рыбаков Е.А. Измерение эффекта удвоения гра­витационного смещения частоты с помощью квантового нивелира на во­до­родных часах // Письма в ЖТФ. — 2022. — Т. 48. — Вып. 7. — С. 36–38.

8. Фатеев В.Ф., Смирнов Ф.Р., Донченко С.С. Измерение эффекта гравита­ци­онного замедления времени дуплексным наземным квантовым нивелиром // Измерительная техника. — 2022. — № 2. — С. 22–27.

9. Polyakov V., Timofeev Y., Demidov N. Frequency Stability Improvement of
an Active Hydrogen Maser with a Single-State Selection System // 2021 Joint Con­ference of the European Frequency and Time Forum and IEEE Inter­na­tional Frequency Control Symposium, 7–17 July 2021, Gainesville, FL, USA/ EFTF/IFCS 2021 — PROCEEDINGS Virtual, DOI: 10.1109/EFTF/IFCS52194. 2021.9604270

10. Фатеев В.Ф., Лопатин В.П., Пальчиков В.Г., Сысоев В.П. Обзор состо­яния разработок мобильных стандартов частоты и времени для решения задачи квантового нивелирования // Альманах современной метрологии. — 2022. — № 1 (29). — С. 43–62.

11. Фатеев В.Ф. Методы релятивистской синхронизации наземных и спут­никовых атомных часов // Альманах современной метрологии. — 2017. — № 9. — С. 78–109.

12. Фатеев В.Ф., Рыбаков Е.А., Смирнов Ф.Р. Метод релятивистской синхро­низации мобильных атомных часов и его экспериментальная проверка // Письма в Журнал технической физики. — 2017. — Т. 43. — № 10. — С. 3–11, 91–94.

13. Фатеев В.Ф., Игнатенко И.Ю. О возможности измерения параметров гра­витационного поля земли с помощью квантово-оптических систем // Альманах современной метрологии. — 2022. — № 1 (29). — С. 106–114.

14. Донченко С.И., Денисенко О.В., Фатеев В.Ф., Рыбаков Е.А. Квантовый футшток: проблемы создания и возможности // Сборник докладов НТК «Навигация по гравитационному полю и её метрологическое обеспе­че­ние». 14–17 февраля 2017 г. — Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ», 2017. — С. 115–118.

15. Fridelance P., Veillet C. Operation and data analysis in the LASSO expe­ri­ment // Metrologia. — 1995 — V. 32. — No. 1. P. 27–33. — URL: https://doi. org/1088/0026-1394/32/1/003

16. Соловьев В.А., Коваленко А.А. Высокоширотная пилотируемая орби­таль­­ная станция. Задачи управления полётом // 15-я Мультиконференция по проблемам управления (МКПУ-2022), 4–6 октября 2022 г. — СПб.: ЦНИИ «Электро­прибор». — URL: http://www.elektropribor.spb.ru/upload/ medialibrary/338/Plenarnoe-zasedanie.pdf (дата обращения 29.11.2022)

17. Cacciapuoti L., Salomon C. Atomic Clock Ensemble in Space // Journal of Physics: Conference Series. International Symposium on Physical Sciences in Space. — 2011. — V. 327.

18. Duchayne L., Mercier F., Wolf P. Оrbit determination for next generation space clocks // Аtronomy аnd Astrophysics. — 2013. — P. 1–11.

19. STE-QUEST Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test. ESA/SRE (2013) 6. — P. 1–98.

20. 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. — No. 3. — 181–204.

21. Vessot R.F.C., Levine M.W., Mattison E.M. et al. Test of relativistic gravi­tation with space-borne hydrogen maser // Physical Review Letters. — 1980. — V. 45. — P. 2081–2084.

22. Biriukov A.V., Kauts V.L., Kulagi V.V., Litvino D.A., Rudenko V.N. Gravitational Redshift Test with the Space Radio Telescope “RadioAstron” // Astronomy Reports. — 2014. — V. 58. — No. 11. — P. 783–795.

23. Белоусов К.Г., Бирюков А.В., Гусев А.В. и др. Прецизионные методы измерения релятивистских гравитационных эффектов в экспериментах с бортовыми атомными стандартами частоты и времени // Тезисы докладов конференции «Координатно-временное и навигационное обеспечение — 2015 (КВНО-2015)» 20–24 апреля 2015 г. — СПб.: ИПА РАН, 2015. — С. 25.

24. Фатеев В.Ф. Релятивистская метрология околоземного пространства-вре­мени: монография. — Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ», 2017. — 439 с.

25. Фатеев В.Ф. Релятивистская теория и применение квантового нивелира и сети «Квантовый футшток» // Альманах современной метрологии. — 2020. — № 3. — С. 11–52.

26. Фатеев В.Ф., Копейкин С.М., Пасынок C.Л. Влияние неравномерности вращения Земли на релятивистские смещения частоты и времени назем­ных атомных часов // Измерительная техника. — 2015. — № 6. — С. 41–45; Fateev V.F., Kopeikin S.M. and Pasynok S.L. Effect of irregularities in the Earth’s rotation on relativistic shifts in frequency and time of earthbound atomic clocks // Measurement techniques. — 2015. — V. 58. — No. 6.

27. Одуан К., Гино Б. Измерение времени. Основы GPS. — М.: Техносфера, 2002.

28. Ashby N. Relativity in the Global Positioning System // Living Reviews in Relativity. — 2003. — V. 6. — P. 1–42.

29. Интерфейсный контрольный документ ГЛОНАСС, редакция 5.1, 2008. — https://ru/wp-content/uploads/2016/08/ICD_GLONASS_rus_v5.1.pdf.

30. Herrmann S., Finke F., Lulf M. Test of the Gravitational Redshift with Galileo Satellites in an Eccentric Orbit // Phys. Rev. Lett. — 2018. — Т. 121.

31. Delva P., Puchades N., Schönemann E., et al. Gravitational Redshift Test Using Eccentric Galileo Satellites // Physical Review Letters. — 2018. — 121. — 231101.

32. Мельхиор П. Земные приливы / пер. с англ. под ред. Н.Н. Парийского. — М.: Мир, 1968. — 482 с.

33. Абалакин В.К., Аксенов Е.П. и др. Справочное руководство по небесной механике и астродинамике. — М.: Наука, 1971. — 584 с.

34. Основы теории полёта космических аппаратов / под ред. Г.С. Нарима­нова и М.К. Тихонравова. — М.: Машиностроение, 1972. — 608 с.

35. Руденко В.Н. Релятивистские эксперименты в гравитационном поле // УФН. — 1960. — Т. 72. — Вып. 4. — С. 673–676.

36. Турышев В.Г. Экспериментальные проверки общей теории относитель­ности: недавние успехи и будущие направления исследований // УФН. — 2009. — Т. 179. — № 1. — С. 3–34.

37. Grotti J., Koller S., Vogt S., et al. Geodesy and metrology with a transportable optical clock // Nature Phys. — 2018. — 14. — P. 437–441.

38. Takamoto M., Ushijima I., Ohmae N. et al. Test of general relativity by a pair of transportable optical lattice clocks // Nat. Photonics. — 2020. — 14. — P. 411–415.

39. Müller J., Dirkx D., Kopeikin S.M., et al. High Performance Clocks and Gra­vity Field Determination // Space Science Reviews. — 2018. — V. 214. — P. 5.

40. Samain E., Guillemot Ph., Exertier P., Albanese D., Berio P., Laurain O., Para F., Paris J., Torre J.-M., Viot H., Vrancken P., Petitbon I., Leon S. Time Transfer by Laser Link — T2L2: First data // Proceedings of the 16^th International Workshop on Laser Ranging. — October 2008, Poznań, Poland. — V. 1. — P. 682–689.

41. Жабин А.С., Лепешкин Д.В., Пасынков В.В., Титов Е.В., Шаргород­ский В.Д. Перспективные направления использования запросно-без­запрос­ных квантово-оптических систем нового поколения в интересах улучшения метрологического обеспечения ГЛОНАСС на этапе штатной эксплуата­ции // Метрология времени и пространства. Материалы Х международного симпозиума, Менделеево, Московская обл., 6–8 октября. — Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ», 2021. — С. 5–7.

42. 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 // УФН. — 1961. — Т. 75. — Вып. 1. — С. 3–59.

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

Статья поступила в редакцию: 31.10.2022 г.
Статья прошла рецензирование: 25.10.2022 г.
Статья принята в работу: 01.11.2022 г.

Статья в полном объеме в Научной электронной библиотеке eLIBRARY.
Оформить подписку и купить печатные номера журнала у издателя.