ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 77, № 7, с. 608-617
ОБОЗРЕНИЕ
В XIX в. Пулковская обсерватория, в которой были составлены самые точные для того времени каталоги звёзд, получила название "астрономической столицы мира". С тех пор круг задач классической астрометрии, занимавшейся созданием точнейших каталогов звёздных положений, необходимых для определения Всемирного времени и координат на земной поверхности, изучения движения звёзд и тел Солнечной системы, неизмеримо расширился. Но и в наши дни Институт прикладной астрономии, находящийся в Санкт-Петербурге, остаётся признанным в мире центром исследования проблем фундаментального координатно-временного обеспечения. О задачах, которые ныне решают сотрудники этого института, рассказывается в публикуемой ниже статье.
ФУНДАМЕНТАЛЬНОЕ КООРДННАТНО-ВРЕМЕННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
А. М. Финкельштейн
Астрономия, по общему убеждению, - одна из основных наук XXI столетия и потому, что отвечает на самые актуальные вызовы природы, и потому, что находит многочисленные практические приложения. Для большей части профессионального астрономического сообщества наиболее увлекательными областями астрономии являются астрофизика и космология. Здесь исследуются механизмы образования и эволюции космических объектов - звёзд, галактик, их скоплений и, наконец, Вселенной в целом. Здесь возникают наиболее яркие идеи, разрабатываются изощрённые физические теории и математические методы. Здесь ставятся трудоёмкие наблюдательные задачи и используются самые сложные и дорогостоящие астрономические и космические технологии.
Я же буду обсуждать ту область астрономии, которая сосредоточена на изучении геометрических свойств Вселенной, динамики Земли и Солнечной системы. Среди фундаментальных задач этого раздела астрономии - установление, поддержание и распространение высокоточных небесной и земной систем координат; определение параметров вращения Земли (координат полюса, Всемирного времени, углов нутации и прецессии); построение высокоточной динамической систе-
ФИНКЕЛЬШТЕЙН Андрей Михайлович - член-корреспондент РАН, директор Института прикладной астрономии РАН.
мы координат и её реализация в виде теории движения тел Солнечной системы; изучение поступательно-вращательного движения Земли и исследование трёхмерных движений точек земной коры; определение параметров гравитационного поля Земли, а также развитие и поддержание эталонной базы единой системы времени и эталонных частот и средств её синхронизации. Весь этот круг задач и соответствующая им область исследований получила название фундаментальное координатно-временное обеспечение [1].
В этой области внешне традиционных исследований за последние два десятилетия произошли революционные изменения, которые в значительной степени преобразовали её научный и технический облик. Эти изменения связаны прежде всего с появлением множества новых фундаментальных и прикладных задач, которые, как и прежде, традиционно ставятся астрометрией, геодинамикой, небесной механикой, эфемеридной астрономией и фундаментальной геодезией, а ныне ещё и геофизикой, геотектоникой, физикой океана и атмосферы, а также астрофизикой и космологией вплоть до физики для тестирования фундаментальных теорий. Следствием столь радикального расширения круга проблем стало резкое повышение требований к точности астрономических координатно-временных измерений, нижняя граница которых ныне лежит в диапазоне миллиметров при определении земных координат и субмиллисекунд дуги при определении координат небесных объектов. Внедряются новые информационные и телекоммуникационные технологии, позволяющие объединять десятки и сотни инструментов, которые располагаются на разных континентах, в глобальные сети реального времени, передавать и обрабатывать потоки данных со скоростью десятки гигабит в секунду с каждого инструмента, ведётся множество долговре-
-90°
Рис. 1. Распределение на небесной сфере опорных радиоисточников из каталога ICRF
менных наблюдательных программ, в которых участвуют десятки стран и десятки ведомств.
Основной причиной радикального повышения точности координатно-временных измерений является широкое внедрение новых, в том числе космических, измерительных технологий, таких как радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (РСДБ), глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) ГЛОНАСС и GPS - лазерная локация искусственных спутников Земли (SLR) и Луны (LLR), доплеровские спутниковые системы типа DORIS, средства радиолокации планет (в том числе и астероидов) и их спутников, радиотехнические методы наблюдения космических, включая и спускаемых, аппаратов, геодезических и астрометрических спутников. Эти технологии за последние 15-20 лет увеличили точность координатно-временных измерений на 3-5 порядков.
НЕБЕСНАЯ СИСТЕМА КООРДИНАТ
До конца XX в. в качестве международной опорной небесной системы координат использовался фундаментальный каталог FK5, содержащий координаты и собственные движения около 1.5 тыс. звёзд. Точность этого каталога на среднюю эпоху наблюдений (1960) составляла около 0.05 секунды дуги и быстро ухудшалась со временем из-за собственных движений звёзд. В 1998 г. Международный астрономический союз ввёл в употребление новую международную опорную систему ICRS (International Celestial Reference System), практически реализованную высокоточными каталогами координат опорных радиоисточников ICRF (International Celestial Reference Frame) [2]. Эта система установлена путём анализа данных более 3.5 млн. наблюдений квазаров и ядер галактик, проводившихся на радиоинтерферометрах со сверхдлинными базами. В разных вари-
антах ICRF содержится от 212 до 717 радиоисточников (рис. 1), и эта система согласована с каталогом FK5 и каталогом HCRS (Hipparcos Celestial Reference Frame), в котором приведены координаты, собственные движения, параллаксы и фотометрические величины более 100 тыс. звёзд. Средняя точность последней версии ICRF составляет 0.5 миллисекунды дуги [3].
Однако даже этой точности не хватает для изучения тонких геодинамических эффектов, связанных, например, с резонансными явлениями во вращении Земли или кратковременными подвижками земной коры - предвестниками катастрофических землетрясений или цунами. Дальнейшему росту точности препятствуют сложность и переменность структуры радиоисточников, а также переменность их потоков. В связи с этим задачи картографирования радиоисточников [4] и мониторинга их потоков, которые ранее были типичными для астрофизики, приобрели первостепенное значение для астрометрии микросекундного разрешения. Чтобы повысить точность каталогов, необходимо использовать более совершенные программы наблюдений и методы их анализа [5]. В настоящее время начались работы по созданию новой версии ICRF, средняя точность которой должна быть не хуже 0.2 миллисекунды дуги в 2009 г.
ЗЕМНАЯ СИСТЕМА КООРДИНАТ
Международная земная система координат ITRS (International Terrestrial Reference System) реализуется высокоточным каталогом координат опорных станций ITRF (International Terrestrial Reference Frame) [6]. Она представляет собой трёхмерную прямоугольную систему координат с началом в центре масс Земли и основной плоскостью, перпендикулярной к геоцентрическому направле-
Рис. 2. Глобальное распределение опорных станций системы ITRF2000 На каждой станции использовалось по несколько технологий измерения координат ♦ - одна технология, О - две, ▲ - три, О - четыре
нию на условное международное начало, положение которого согласовано с координатами среднего полюса Земли на эпоху 1984.0.
Для установления земной системы координат используются различные технологии - ГНСС, РСДБ, SLR и DORIS, при этом каждая вносит определённый вклад в её построение. Например, начало земной системы координат определено по лазерным наблюдениям искусственных спутников Земли, масштаб - по РСДБ- и лазерным наблюдениям, ориентация - по совокупности данных всех измерений. Последняя реализация земной системы координат ITRF2000 содержит координаты и скорости более 500 опорных станций, причём на более чем 100 из них применялось не менее двух различных методов измерений (рис. 2). В Российской Федерации расположены следующие станции системы ITRF: три РСДБ-станции сети "Ква-зар-КВО", 18 станций ГЛОНАСС, две станции лазерной локации искусственных спутников Земли и четыре станции системы DORIS. Точность определения трёхмерных координат и скоростей движения станций системы ITRF лежит в пределах 0.1-1.0 см и 1.0-5.0 мм в год соответственно. В ближайшие несколько лет точность всех координат станций будет не хуже 2 мм, а длин баз - 1 мм.
Система ITRF согласована со стандартной моделью геопотенциала EGM96, построенной Год-дардским центром космических полётов на основе около 2.5 млн. лазерных и доплеровских наблюдений 31 спутника, включая наблюдения "спут-
ник-спутник". При построении стандартной модели геопотенциала учитывались также гравиметрические и спутниковые альтиметрические данные. Модель EGM96 содержит все коэффициенты сферических гармоник до 70 степени и 600 выборочных коэффициентов до 360 степени [7].
В России в качестве Государственной геодезической системы принята система координат ПЗ-90, отнесённая к геоцентру и согласованная с параметрами гравитационного поля [8]. Она создана на основе многолетних наблюдений геодезических и геофизических космических аппаратов, а также гравиметрических и классических астроно-мо-геодезических наблюдений. Недостатками системы ПЗ-90 являются ее относительно невысокая точность (порядка 1 м) и то, что непосредственно в ней определены координаты небольшого числа пунктов на ограниченной территории страны. В настоящее время система ПЗ-90 распространяется системой ГЛОНАСС, а также ведётся активная работа по её модернизации с целью включения в неё новых значений фундаментальных геодезических постоянных, параметров гравитационного поля Земли и общеземного эллипсоида, параметров связи с другими земными координатными системами [9]. Ключевые вопросы - точное согласование ПЗ-90 с системой ITRF, а также согласование ПЗ-90 с системой координат СК-95, базирующейс
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.