521.92
Развитие методов и средств измерений Государственной с лужбы времени, частоты и определения параметров вращения Земли
С. Л. ПАСЫНОК, И. В. БЕЗМЕНОВ, М. Б. КАУФМАН
Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений, Менделеево, Россия, e-mail: pasynok@vniiftri.ru, bezmenov@vniiftri.ru
Рассмотрено развитие методов и средств измерений Гэсударственной службы времени, частоты и определения параметров вращения Земли.
Ключевые слова: вращение Земли, глобальная геодинамика, движение полюса, всемирное время.
The development of methods and measuring instruments of the State service for time, frequency and Earth rotation parameters determination is considered.
Key words: Earth rotation, global geodynamics, polar motion, universal time.
Долгое время в Государственной службе времени, частоты и определения параметров вращения Земли (ГСВЧ) наблюдали за суточным вращением Земли для решения следующих задач: построения равномерной и стабильной шкалы времени; определения вариаций вращения Земли (отклонений ее вращения от равномерного). Вариации вращения Земли характеризуются рядом параметров, которые называются параметрами вращения Земли (ПВЗ).
С изобретением атомных высокостабильных стандартов частоты, обладающих беспрецедентной стабильностью, для решения первой задачи перестали использовать результаты наблюдений за внеземными объектами. Развитие атомных технологий позволило создать такие вы сокоточные средства измерений (СИ), как радиоинтерферометры со сверхдлинными базами (РСДБ) и современные спутниковые СИ, позволяющие повысить точность определения вариаций вращения Земли сначала в десятки, а затем и сотни раз. Таким образом, с изобретением атомных стандартов частоты обе задачи стали решать на новом, более высоком, уровне точности. Поскольку результаты астрометрических и геодезических измерений применяют не только для определения ПВЗ, но и для сличения разнесенных шкал времени, а данные о последних, в свою очередь, используют при проведении измерений для определения ПВЗ, то обе области являются тесно взаимосвязанными и составляют основу коор-динатно-временного обеспечения страны.
Так как результаты определения времени, частоты и ПВЗ используют во многих отраслях народного хозяйства, то важным является обеспечение единства измерений, что отражено в документах [1, 2]. Согласно [2] организации и институты различных министерств и в едомств, ведущие деятельность в этой области измерений, функционально объединены в единую организацию — ГСВЧ. Общее руководство ГСВЧ осуществляет Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт РФ), а оперативное — Главный метрологический центр (ГМЦ) ГСВЧ. Информация о времени, частоте и ПВЗ, формируемая в ГМЦ, является обязательной к использованию на территории Российской Федерации.
Многие страны мира имеют национальные службы ПВЗ и участвуют в работе Международной службы вращения Земли и опорных систем отсчета (МСВЗ). На протяжении ряда десятилетий ГСВЧ не только обеспечивала потребности страны в данных о ПВЗ, но и вносила достойный информационный вклад в МСВЗ, который в 1970-х гг. составлял 1/3 от общемирового.
Круг задач, для решения которых необходимо иметь высокоточную информацию о ПВЗ, расширился в связи с тем, что во многих сферах деятельности стали активно применять искусственные спутники Земли (связь, телевидение, геодезия и навигация, прогнозы погоды, оборонные задачи и др.). Для управления полетом космических аппаратов или ракет измеряют расстояния или угловые направления до них с наземных пунктов и, следовательно, необходимо иметь точную информацию об ориентации Земли в пространстве в момент измерений, т. е. знать текущие значения ПВЗ. К числу областей производственной деятельности, нуждающихся в информации о ПВЗ, относятся: наземная и космическая геодезия, аэрокосмические съемки, картографирование; космическая, воздушная, наземная и морская навигация; метеорология; мониторинг природных ресурсов; экология, прогноз землетрясений и техногенных катастроф; мониторинг крупных объектов (плотин, газопроводов и т. д.) и обеспечение безопасности их эксплуатации.
Фундаментальные научные исследования на основе ПВЗ — это определение координат небесных объектов, геодинамика, изучение внутреннего строения Земли, геофизических явлений и их влияния на процессы, происходящие на поверхности Земли и в окружающем пространстве; динамика атмосферы, суши, океанов и ледников; исследования физических полей Земли. Особые требования к информации о ПВЗ, в особенности к оперативности и надежности обеспечения данными, обусловлены развитием современных средств техники.
Таким образом, работы по определению ПВЗ являются неотъемлемой частью деятельности ГСВЧ, составляя наряду с Государственным первичным эталоном единиц времени, частоты и национальной шкалы времени (ГЭТ 1—2012)
метрологическую основу координатно-временного обеспечения страны.
Методы определения ПВЗ. Параметры вращения Земли характеризуют ориентацию земной системы координат (ЗСК) относительно небесной системы координат (НСК). Первая система связана с земной поверхностью, на которой располагаются СИ, а вторая — с инерциальным пространством, для которого и сформулированы законы механики.
С теоретической точки зрения, для определения взаимной ориентации двух систем координат достаточно задать три параметра, например углы Эйлера, однако, с прикладной точки зрения, удобно использовать большее число параметров: всемирное время иТ1; координаты полюса; углы нутации и прецессии.
Для определения ПВЗ применяют астрометрические и геодезические измерения, основанные на приеме излучения от внеземных объектов. По разновидности используемых технических средств методы определения ПВЗ подразделяют на спутниковые, астрооптические и метод радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ). Регулярные астрооптические измерения для координатно-времен-ного обеспечения страны начали проводить в России с 1863 г. К 1970-м гг. для решения этой задачи были привлечены около 20 обсерваторий СССР История развития ГСВЧ в эти годы достаточно подробно описана в работе [3]. Однако с появлением новых высокоточных методов измерений (РСДБ и спутниковых) в МСВЗ отказались от применения результатов астрооптических измерений. В России СИ, работа которых основана на РСДБ, появились только в 2004 г., а регулярные измерения начались только после модернизации этих средств в рамках ФЦП ГЛОНАСС [4]. В результате в ГСВЧ результаты астрономических измерений стали использовать с ограничениями (только для определения всемирного времени иТ1) с 2006 г., а полностью прекратили только в 2011 г
Методы определения ПВЗ можно условно разделить на абсолютные и относительные. Относительные методы опираются на наблюдения за быстродвижущимися легкими объектами — искусственными спутниками Земли (ИСЗ). Из-за чувствительности ИСЗ к малым возмущениям не удается полностью учесть медленное систематическое смещение орбит спутников относительно инерциального пространства, поэтому углы прецессии (нутации) и низкочастотный тренд во всемирном времени иТ1 не могут быть определены спутниковыми методами с требуемой точностью. Таким образом, спутниковые методы позволяют определять только координаты полюса и продолжительность суток. По видам измерений спутниковые методы делятся на радионавигационные и лазерные. Радионавигационные спутниковые средства делятся на доплеровские и псевдодальномерные. Доплеровские измерения в ГСВЧ в настоящее время используют только для контроля систематической составляющей ПВЗ, поскольку по точности и оперативности определения ПВЗ они уступают радионавигационным псевдодальномер-ным измерениям.
Абсолютные методы основаны на наблюдениях за малоподвижными (или практически неподвижными) объектами (такими как звезды или удаленные внегалактические источники радиоизлучения — квазары). По ним можно определять полный набор ПВЗ. Кроме того, все ПВЗ можно определять по наблюдениям за Луной, которая из-за размеров практически не реагирует на малые возмущения, которым
подвержены ИСЗ. Однако в настоящий момент станций лазерной лунной дальнометрии всего три. По причине более низкой точности и оперативности результаты их определений могут служить лишь для контроля систематической составляющей всемирного времени UT1, но никак не для его определения в ГСВЧ. В настоящее время единственным используемым в ГСВЧ высокоточным абсолютным методом измерений, позволяющим определять UT1 и углы прецессии (нутации), является метод РСДБ.
Определение ПВЗ в ГМЦ по отдельным видам измерений. В 1987 г. ПВЗ стали определять с помощью отечественных спутниковых радионавигационных измерений [5]. Исходными данными служили результаты измерений, полученные путем обработки данных радиоконтроля орбит спутников ГЛОНАСС. Эти данные получали в рамках штатного цикла информационного обеспечения системы. Результатом обработки являлись значения координат полюса Земли, всемирного времени и длительности суток. В том же году было начато использование спутниковых доплеровских измерений сигналов геодезического спутника ГЕО-ИК, выполнявшихся с 10—15 пунктов на территории нашей страны [6]. Эти данные позволяли определять только координаты полюса. Точность определений координат полюса по данным радиоконтроля орбит ГЛОНАСС и ГЕО-ИК заметно превышала точность астрооптических данных.
С 1995 г. были начаты вычисления ПВЗ по данным спутниковой лазерной локации двух пассивных геодезических спутников ЛАГЕОС. Метод спутниковой лазерной дальнометрии, в отличие от радионавигационных спутниковых методов наблюдений, можно применять только при безоблачной погоде. Он не зависит от погрешностей бортовых шкал времени и фазовых неоднозначностей измеряемых дальностей, потому может служить по отношению к радионавигационным спутниковым методам в качестве калибровочного.
Обработку результатов лазерных наблюдений выполняли с помощью программы ITALAS, разработанной по заказу ГМЦ в Институте теоретической астрономии РАН и модифицированной во ВНИИФТРИ в 1997 и 2000 гг. [7]. В послед
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.