Многие пользуются услугами глобальных навигационных систем, но не все знают, что в основе их точности лежит кропотливый труд ученых по созданию фундаментального координатно-временного обеспечения. О том, что представляет собой это научное направление и как его развивают российские ученые, нашему корреспонденту рассказал доктор технических наук, профессор Александр ИПАТОВ. Он возглавляет одно из крупнейших учреждений мира в области астрометрии и геодинамики — Институт прикладной астрономии (ИПА) РАН в Санкт-Петербурге.
— Фундаментальное координатно-временное обеспечение, — объясняет Александр Васильевич, — это область знаний о пространственных координатных системах, шкалах времени и соотношениях между ними. Для того чтобы современная навигация была высокоточной и технически реализуемой, нужно определить как можно больше так называемых опорных точек. На Земле это специальные станции, которых уже более 900, в космосе — удаленные небесные объекты. Все эти точки в той или иной мере меняют место своего расположения. Скажем, даже самые стабильные из них — наземные — перемещаются одна относительно другой на несколько миллиметров в год из-за движения материков. Космические тела, тем более, не стоят на месте. Чтобы это как можно меньше сказывалось на результатах, в качестве небесных опорных точек используют внегалактические источники радиоизлучения, удаленные от нас на сотни миллионов световых лет. И, значит, практически неподвижные относительно Земли. К настоящему времени составлены высокоточные каталоги 3400 таких объектов.
Земные и небесные системы координат нужны не только для астрометрии и геодезии, но и для многих других естественных наук. Чтобы специалисты могли их совместно и полноценно использовать, необходимо получить высокой точности параметры вращения Земли.
К координатно-временному обеспечению относятся также построение высокоточных эфемерид естественных и искусственных небесных тел, определение параметров гравитационного поля Земли, тропосферы и ионосферы.
Все эти задачи — составляющие глобальной комплексной проблемы, которая решается на основе современных высокоточных астрономических, геодезических, гравиметрических исследований. Научно-техническая революция второй половины ХХ века открыла огромные возможности ранее неизвестных и значительно более точных средств измерений. С их применением в астрометрии и геодезии начался качественно новый этап в развитии этих тесно связанных между собой областей науки. В первую очередь это радиоинтерферометрические наблюдения со сверхдлинными базами (РСДБ). Подобные наблюдения ведутся одновременно из различных удаленных друг от друга точек нашей планеты. Именно благодаря большому расстоянию (базе) между радиотелескопами удается определить направление на космический источник излучения с очень высокой точностью — в тысячные доли угловой секунды. Для сравнения: под таким углом виден коробок спичек, удаленный на 10 тысяч километров. Поэтому все опорные точки для небесной системы координат определяются исключительно методами радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами.
Их огромный плюс в том, что удается измерять временные задержки прихода одного и того же фронта волны от внегалактического радиоисточника на максимально удаленные друг от друга антенны, а также скорости изменения этих задержек. С помощью таких измерений определяются все параметры вращения Земли, включая точные положения земного и небесного полюсов, всемирное время, координаты внегалактических радиоисточников и наземных станций, параметры тропосферной задержки сигнала и многое другое.
Однако у методов радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами есть и слабые места. Основные из них — невозможность привязать точные координаты наземных станций к центру масс Земли, зависимость результатов от геометрии всемирной сети станций, а также низкая оперативность обработки данных измерений из-за необходимости их транспортировки на дальние расстояния.
Поэтому для создания и использования земной системы координат применяются средства космической геодезии, к которым относятся и глобальные навигационные спутниковые системы, такие как GPS и ГЛОНАСС. Сегодня точность определения трехмерных координат опорных станций составляет доли сантиметра, скоростей движения точек земной коры — миллиметры в год. Угол поворота нашей планеты вокруг своей оси известен с точностью, превышающей миллисекунду дуги. На такой угол Земля поворачивается за одну десятитысячную долю секунды.
Но и у глобальных навигационных систем есть недостатки, которые выявляются при их использовании. Это, прежде всего, зависимость результатов от геометрии сети наземных станций, недостаточно точное определение всемирного времени, необходимость привязки бортовых шкал времени на каждом спутнике к единому эталону.
Анализ основных характеристик современных средств измерений в космической геодезии показывает, что каждое из них обладает определенными преимуществами и недостатками. При совместном использовании недостатки одного метода устраняются преимуществами другого и разные измерения взаимно дополняют друг друга. Комбинирование результатов различных методов позволяет получить наиболее точные данные о системах координат и параметрах вращения Земли. Объединение данных наблюдений будет наиболее эффективным, если разместить разнообразные средства измерений на одной и той же станции. Такое размещение называется колокацией и используется для решения основных задач координатно-временного обеспечения в современной космической геодезии.
Сейчас эти задачи решаются усилиями большого числа международных организаций. Непрерывно растущие требования к точности и оперативности измерений привели к необходимости создания единой сети станций, оснащенных взаимодополняющими техническими средствами измерений, — Глобальной геодезической наблюдательной системы (GGOS), которая развивается под эгидой Международной ассоциации геодезии (IAG) с конца 2003 года.
В России базовой системой фундаментального координатно-временного обеспечения стал созданный Институтом прикладной астрономии РАН РСДБ-комплекс “Квазар-КВО”. В его состав входят три радиоастрономические обсерватории (“Светлое”, Ленинградская область; “Зеленчукская”, Карачаево-Черкесская Республика; “Бадары”, Республика Бурятия), объединенные высокоскоростными оптоволоконными линиями связи с центром управления, сбора и обработки данных (Санкт-Петербург) и образующие глобальный радиотелескоп с эффективным диаметром зеркала более 4000 км. В каждой обсерватории имеется полноповоротный радиотелескоп с диаметром зеркала 32 метра, оснащенный комплексом высокочувствительных приемников, которые позволяют принимать радиоизлучение от космических радиоисточников. Радиотелескопы работают под управлением центрального компьютера, регистрируя сигналы на магнитные диски или передавая их в центр обработки по волоконно-оптическим линиям связи.
К началу прошлого года “Квазар-КВО” превратился в комплекс геодинамических станций международного уровня, включающий самые высокоточные инструменты для наблюдений методами космической геодезии. Поэтому в конце 2012 года обсерватории “Светлое”, “Зеленчукская” и “Бадары” вошли в состав GGOS на правах действующих колоцированных станций. Это помогло заполнить существующий географический дефицит в глобальном покрытии и значительно повысить качество координатно-временного обеспечения для международного сообщества.
Географическая протяженность комплекса “Квазар-КВО” позволяет формировать и регулярно проводить отечественные астрометрические программы. Благодаря ему удалось определить поправку к всемирному времени с точностью 60 микросекунд и с задержкой менее трех часов, что сделало возможным использование этих результатов в отечественной системе ГЛОНАСС. Сейчас “Квазар-КВО” является базовой системой фундаментального обеспечения ГЛОНАСС в определении и прогнозировании параметров вращения Земли.
Круг задач, решаемых с помощью комплекса “Квазар-КВО”, еще более расширится, когда обсерватории обретут новый технологический облик, удастся объединить методы космической геодезии и гравиметрии, повысить точностные характеристики измерений.
Еще одно важное направление деятельности института — построение теорий движения больших планет и Луны, что необходимо для улучшения фундаментального координатно-временного обеспечения. В последние десятилетия у нас создана серия численных эфемерид планет и Луны (ЕРМ), сопоставимых по точности, а в некоторых отношениях и превосходящих лучшую зарубежную планетную теорию серии DE (США). Создание высокоточных эфемерид позволяет решать как прикладные (навигация в ближнем и дальнем космосе), так и фундаментальные проблемы астрометрии, небесной механики и космологии: определение масс малых планет, уточнение значения астрономической единицы, наложение ограничения на космологическую переменность гравитационной постоянной и на верхний предел плотности темной материи в Солнечной системе.
Не будет преувеличением сказать, что работы, проводимые в Институте прикладной астрономии РАН, позволяют, опираясь исключительно на национальные источники, гарантировать независимость России от данных международных служб, повысить точность, надежность и оперативность обеспечения координатно-временной информацией потребителей.
На нижнем фото: Комплекс “Квазар-КВО”
Подготовил
Василий ЯНЧИЛИН
Фото из архива института
Нет комментариев