В.Ф. Фатеев
ФГУП «ВНИИФТРИ», Менделеево, Московская обл., Россия
generalfat@mail.ru
«Альманах современной метрологии» № 2 (34) 2023, стр. 65–87
УДК 006.92
Аннотация. В статье рассмотрены релятивистские эффекты смещения частоты задающих генераторов (ЗГ) и шкал времени бортовых микроволновых квантовых часов, размещённых на борту низковысотных геодезических спутников. Первая задача исследования состояла в определении суточного расхождения шкал времени бортовых и наземных квантовых часов, вторая — в определении релятивистского расхождения частот задающих генераторов высокостабильных квантовых часов, что важно с точки зрения обеспечения высокой точности доплеровских измерений радиальной скорости по линии «борт — Земля» и «Земля — борт». Показано, что частота задающего генератора бортовых квантовых часов при высоте орбиты около 1 тыс. км меньше частоты ЗГ базовых часов на величину в относительном выражении –2,011 · 10–10. Соответственно, бортовые часы отстают от базовых, причём суточное отставание составляет –17,4 мкс/сут. Влияние второй зональной гармоники гравитационного потенциала Земли проявляется в виде линейной составляющей (+66 нс/сут) и периодической составляющей (размах колебания — 0,38 нс). Предложены методы коррекции бортовой шкалы времени. Определены погрешности доплеровских измерений радиальной скорости для систем ГЕОИК и DORIS: в обоих случаях релятивистская погрешность определения радиальной скорости составляет 12 см/с.
Ключевые слова: геодезические спутники, релятивистские эффекты, квантовые часы, коррекция шкалы времени, релятивистские ошибки радиальной скорости.
Цитируемая литература
1. Ashby N. Relativity in the Global Positioning System // Living Reviews in Relativity. — 2003. — V. 6. — P. 1–42.
2. Фатеев В.Ф. Релятивистская метрология околоземного пространства-времени: монография. — Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ». — 2017. — 439 с.
3. 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. — P. 181–204.
4. 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.
5. 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.
6. 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 // Координатно-временное и навигационное обеспечение — 2015 (КВНО-2015): сб. тезисов докладов конференции, 20–24 апреля 2015 г. — Санкт-Петербург: Изд. ИПА РАН, 2015. — C. 25.
7. Cacciapuoti L., Salomon C. Atomic Clock Ensemble in Space // Journal of Physics: Conference Series. International Symposium on Physical Sciences u\in Space. — 2011. — V. 327; Duushayne L., Mersier F., Wolf P. Orbit determination for next generation space clock // Astronomy and astrophysics. — 2013. — P. 1–12.
8. STE-QUEST Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test. — ESA/SRE (2013) 6. — December 2013. — P. 1–98.
9. Duchayne L., Mercier F., Wolf P. Оrbit determination for next generation space clocks // Аtronomy аnd Astrophysics. — October 29, 2013. — P. 1–11.
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: [сайт]. — URL: http:// www.iss-reshetnev.ru/?cid=prj-geo-ik2.
12. Born G.H. et al. Topex: Observing the oceans from space // EOS. — 1984. — V. 65. — No. 28. — P. 433–434.
13. Johannessen J.A. (n.d.). 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. — URL: https://doi.org/10.1109/IGARSS.1995.521130.
14. Yves Menard et al. The Jason-1 Mission // Marine Geodesy. — 2003. —
V. 26. — P. 131–146.
15. Saunier Jérôme. The DORIS network: Advances achieved in the last fifteen years // Advances in Space Research. — URL: https://doi.org/10.1016/j.asr. 2022.07.016.
16. Auriol A., Tourain C. DORIS system: The new age // Advances in Space Research. — 2010. — V. 46. — I. 12. — P. 1484–1496.
17. Фатеев В.Ф. Космический квантовый нивелир и его возможности при создании глобальной высотной основы // Альманах современной метрологии. — 2022. — № 4 (32). — С. 27–51.
18. 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.
19. 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.
20. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. — М.: Наука, 1967. — 460 с.
21. Фок В.А. Теория пространства, времени и тяготения. — М.: ГИФМЛ, 1961. — 564 с.
22. Одуан К., Гино Б. Измерение времени. Основы GPS. — М.: Техносфера, 2002.
23. Интерфейсный контрольный документ ГЛОНАСС, редакция 5.1, 2008. — URL: https://russianspacesystems.ru/wp-content/uploads/2016/08/ICD_GLO-NASS_rus_v5.1.pdf.
24. Мельхиор П. Земные приливы / Пер. с англ. под ред. Н.Н. Парийского. — М.: Мир, 1968. — 482 с.
25. Микрин Е.А., Михайлов М.В., Рожков С.Н., Почукаев В.Н. и др. Высокоточный прогноз орбит космических аппаратов, анализ влияния различных возмущающих факторов на движение низкоорбитальных и высокоорбитальных КА // Сборник материалов ХХI Санкт-Петербургской Международной конференции по интегрированным навигационным системам. — СПб.: Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2014. — С. 77–88.
26. Абалакин В.К., Аксенов Е.П. и др. Справочное руководство по небесной механике и астродинамике. — М.: Наука, 1971. — 584 с.
27. Основы теории полёта космических аппаратов / Под ред. Г.С. Нариманова и М.К. Тихонравова. — М.: Машиностроение, 1972. — 608 с.
28. Руденко В.Н. Релятивистские эксперименты в гравитационном поле // УФН. — 1960. — Т. 72. — Вып. 4. — С. 673–676.
29. Турышев В.Г. Экспериментальные проверки общей теории относительности: недавние успехи и будущие направления исследований // УФН. — 2009. — Т. 179. — № 1. — С. 3–34.
30. Grotti J., Koller S., Vogt S. et al. Geodesy and metrology with a transportable optical clock // Nature Phys. — 2018. — 14. — P. 437–441.
31. 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.
32. Фатеев В.Ф. Релятивистская теория и применение квантового нивелира и сети «Квантовый футшток» // Альманах современной метрологии. — 2020. — № 3 (23). — С. 11–52.
33. Чихачев Б.М. Способ измерения гравитационного сдвига частоты радио-волн в опыте с искусственным спутником Земли // Труды ФИАН. — 1967. — Т. 38. — С. 189–198.
Статья поступила в редакцию: 31.03.2023 г.
Статья прошла рецензирование: 11.05.2023 г.
Статья принята в работу: 12.05.2023 г.
Статья в полном объеме в Научной электронной библиотеке eLIBRARY.
Оформить подписку и купить печатные номера журнала у издателя.