Физика ГНСС
31.10.2022
Релятивистская геодезия и её главная задача. Квантовый нивелир
Радионавигационные системы (РНС) космического базирования располагаются далеко за пределами атмосферы и движутся с «бешенной»-космической скоростью по своим орбитам. А «наземные» геодезисты используют их в качестве реперов для своих измерений. Разве можно избежать ошибок, наблюдая подвижные (ну очень подвижные!) репера через всю толщу земной атмосферы? И как эти ошибки уменьшить, если нельзя избежать? Если для того, чтобы запустить космический аппарат (КА) на орбиту Земли, или даже на Марс, нам достаточно законов «обычной» классической механики, то для использования этих КА в целях высокоточной навигации прежних законов физики уже недостаточно. Здесь приходится прибегать к помощи Альберта Эйнштейна – его теории относительности.
Ошибки-погрешности навигационных (ГНСС) определений обусловлены следующими факторами:
− распространением навигационных сигналов в ионосфере, тропосфере, ближнем космосе (1);
− рассинхронизацией бортовых шкал времени навигационных космических аппаратов НКА (2);
− влиянием погрешностей эфемерид (координат) НКА (3).
Следовательно, для того, чтобы учесть в измерениях перечисленные факторы, нам нужно знать физические свойства пространства (координаты), времени (синхронизация часов) и той среды, которая заполняет пространство-время.
Об этом речь.
1. Влияние внешней среды
Электромагнитная волна – носитель навигационных сигналов — в общем случае может быть охарактеризована четырьмя параметрами: амплитудой, частотой, фазой и поляризацией. Если один из этих параметров изменяется некоторым контролируемым способом, или модулируется, тогда электромагнитная волна может нести информацию. Амплитудная модуляция применяется для передач на длинных, коротких и средних волнах и для многих способов космической связи; частотная модуляция применяется для высокоточных передач на очень высоких частотах; фазовая модуляция обычно используется для передачи данных. Модулирующий сигнал может либо непрерывно изменяться (аналоговая форма), либо иметь фиксированное число уровней (цифровая форма), в случае бинарной модуляции – два уровня. Сигналы, передаваемые спутниками GPS, имеют правостороннюю круговую поляризацию (right hand circular polarization, RHCP). Круговая поляризация используется повсеместно для сигналов, передаваемых с космических аппаратов, чтобы бороться с проблемой затухания, связанным с Фарадеевым вращением плоскости поляризации из-за магнитного поля Земли. Для сигнала с RCHP для обеспечения максимальной силы сигнала в приемнике необходимо использовать антенну также с RCHP. При отражении сигнала поляризация с правосторонней меняется на левостороннюю.
Радиорефракция
В отличие от света, преломление радиоволн различно при их распространении в ионизованной среде (в космической плазме, ионосфере Земли) или в нейтральной среде (в тропосфере Земли). Состояние ионосферы и тропосферы в местах размещения приемников может различаться существенно, и влияние радиорефракции в результате может быть значительным на очень больших расстояниях. Рефракция в радионаблюдениях сводится не только к изменению направления на источник, но и к изменению длины пути луча в атмосфере (или, по-другому, к набегу фазы). Дополнительный набег фазы зависит от состояния ионосферы и тропосферы в пунктах 1 и 2, которое определяется временем года и суток, локальными условиями. Отсутствие сведений о количестве свободных электронов на пути волны в ионосфере и содержании водяного пара в нижних слоях атмосферы приводит к погрешностям вычисления задержки. Под действием радиоволны в ионосфере могут возникать как вынужденные колебания электронов и ионов, так и различные виды коллективных собственных колебаний (плазменные колебания). Электрические свойства ионосферы различны для разных диапазонов радиоволн. Волны с частотами ниже определенной величины не могут распространяться в ионосфере и отражаются от нее. Волны с большими частотами проходят через ионосферу, но их фазовые скорости сильно зависят от частоты.
Измеренные приемниками фазовые и кодовые дальности до навигационных спутников содержат в себе атмосферные задержки. Составляющие задержек, которые вызваны свободными электронами в ионосфере, больше частью исключаются с помощью комбинирования измерений на двух частотах. Оставшаяся же часть задержек, называемых по устоявшейся терминологии тропосферными, обусловлена рефракцией на сухих газах (азот и кислород) и водяном паре. Основную неопределенность в вычисление этих величин вносит, главным образом, наше незнание количества водяного пара в столбе тропосферы в направлении источника. А именно ошибка вычисления задержки в тропосфере ограничивает точность современных систем, таких как РСДБ и GPS. Наблюдения на этих системах проводятся в сантиметровом и дециметровом диапазонах и часто на больших зенитных углах. Для достижения высокой точности наблюдений используются СВЧ-радиометры, измеряющие содержание водяного пара вдоль пути распространения радиоволны по яркостной температуре неба на частоте 22,235 ГГц3. Несмотря на то, что СВЧ-радиометры достаточно дорогие приборы, сейчас они устанавливаются не только рядом с радиотелескопами, но и рядом с GPS-антеннами.
Заметим, что учет реального состояния атмосферы необходим тогда, когда требуется построить геодезическую сеть с точностью 10-6 и лучше. Для менее точных сетей практически всегда достаточно использовать модели поправок для стандартной тропосферы, и только в районах с большими перепадами высот (более 100 м) могут потребоваться метеорологические данные.
2. Синхронизация бортовых шкал времени НКА
Часы на борту спутников подвержены релятивистским эффектам. В соответствии со специальной теорией относительности часы на борту спутника, движущегося с постоянной скоростью, должны отставать по сравнению с часами на Земле. В соответствии же с общей теорией относительности часы на спутнике должны идти быстрее, чем на Земле, из-за разности гравитационных потенциалов. Полное влияние на часы спутника на круговой орбите с радиусом 26560 км должно давать уход часов вперед на 38.4 микросекунд за сутки. Чтобы компенсировать это влияние, основная частота при номинальном значении 10.23 МГц генератора часов спутника устанавливается на 0.00455 Гц ниже. В общей теории относительности течение времени определяется не только скоростью часов, но и гравитационным полем в месте, где находятся часы. Поэтому в выбранной системе отсчета вводится «координатное» время, и определяется закон преобразования времени при переходе в другую систему — к другому координатному или «собственному» времени, если система отсчета связана с наблюдателем.
Атомное время
Шкала атомного времени TAI (по-французски, Temps Atomique International) основана на использовании квантовых стандартов частоты и повторяющимся с большой точностью естественном процессе: резонансном переходе атомов с одного энергетического уровня на другой. Шкала TAI равномерна на длительных промежутках времени и не зависит от вращения Земли. За единицу измерения времени принимается атомная секунда (секунда СИ), определяемая в соответствии с резолюцией XIII конференции Международного комитета мер и весов (1967 г.) как промежуток времени, в течение которого совершается 9192631770 колебаний, соответствующих частоте излучения атома цезия-133 при резонансном переходе между энергетическими уровнями сверхтонкой структуры основного состояния при отсутствии внешних магнитных полей на уровне моря.
Нестабильность и точность часов
Со случайными и систематическими вариациями частоты связаны две важнейшие характеристики атомных часов: нестабильность и точность. Нестабильность частоты определяется дисперсией Аллана. Нестабильность лучших цезиевых стандартов достигает 10-14 при времени усреднения порядка нескольких суток. Водородные стандарты имеют лучшую из всех кратковременную нестабильность (до 10-15) на интервале 100–1000 с. Недавно Парижская обсерватория объявила о разработке новых цезиевых часов, принцип действия которых основан на использовании цезиевого атомного фонтана. Ожидается, что нестабильность этих часов достигнет 10-16 на интервале усреднения порядка нескольких суток. В настоящее время нестабильность секунды TAI на интервалах времени от одного месяца до одного года равна или чуть меньше 1·10-14. На бóльших интервалах усреднения нестабильность увеличивается (до ∼ 5·10-14).
Идеальный стандарт должен генерировать постоянную во времени частоту. Однако, если величина частоты будет отличаться от номинальной (9192631770 Гц), то шкала этого стандарта будет равномерно расходиться с TAI. Отличие реальной частоты стандарта от номинальной называется его точностью. Точность секунды TAI равна примерно 5·10-14 (одна сигма). Это означает, что шкала TAI расходится с идеальной шкалой времени примерно на 1 мкс в год.
В формировании шкалы TAI принимают участие более 30 институтов и лабораторий, располагающих ∼ 200 атомными стандартами частоты. Показания часов сравниваются между собой с учетом релятивистских поправок и объединяются по специально разработанному алгоритму, позволяющему уменьшить ошибки при включении новых или удалении из обработки старых часов. Большое число водородных стандартов, используемых при вычислении TAI, обеспечивает высокую кратковременную стабильность шкалы, тогда как цезиевые стандарты гарантируют высокую точность, непрерывность шкалы и обеспечивают ее долговременную стабильность.
Для синхронизации часов используются два основных метода: первый основан на применении специальных радиосигналов, а второй — на перевозке часов. До середины 80-х годов использовались специальные радиосигналы точного времени или навигационные системы типа LORAN-C. Сейчас для этой цели используются глобальные навигационные системы GPS и ГЛОНАСС. На спутниках GPS установлены высокостабильные стандарты частоты, на основе которых формируется собственная атомная шкала, которая называется TAI(GPS). Шкала GPS имеет постоянное смещение относительно TAI, равное 19 секундам, т. е. TAI = TAI(GPS) +19s. Для синхронизации и сличения частот наземных часов используются радиосигналы, излучаемые спутниками. Корректируя момент приема на время распространения сигнала, можно определить показание наземных часов в шкале GPS, т. е. синхронизовать их.
Таким образом, шкала TAI реализуется в виде поправок xi к показаниям TAIi конкретных атомных стандартов частоты, участвующих в сравнении.
Динамические шкалы времени
Повышение точности наблюдений и введение атомной шкалы привело к созданию новых динамических шкал времени. Такими шкалами являются шкалы барицентрического и земного динамического времени (TDB и TDT, соответственно), барицентрического и геоцентрического координатного времени (TCB и TCG, соответственно) и земного времени (TT). По решению МАС время TDT заменило эфемеридное время ET в 1984 г. Переход к системе динамических времен TDB, TDT, TCB, TCG, TT означает, что преобразования координат и времени в евклидовом пространстве при переносе начала системы координат заменяются релятивистскими преобразованиями, т. е. трехмерное пространство заменяется четырехмерным. Свойства пространства–времени в каждой точке определяются согласно теории Эйнштейна распределением вещества в пространстве. Как следствие, пространство–время становится кривым. При обработке результатов наблюдений в рамках общей теории относительности необходимо различать два вида величин: собственные и координатные величины. Собственные величины определяются непосредственно в результате эксперимента или наблюдения в лаборатории без привлечения каких-либо соглашений о выборе системы отсчета, аксиом и т. д. Фундаментальными величинами являются собственное время и длина, в единицах которых измеряются промежутки времени и размеры тел в конкретной лаборатории. В общем случае промежуток времени между двумя событиями, измеряемый в разных лабораториях будет разным; разными будут и измеренные размеры одного и того же тела. Координатные величины (например, время и длина) зависят от выбора системы отсчета, т. е. определяются на основе соглашения о свойствах системы отсчета.
В ньютоновской механике всегда можно определить координаты таким образом, что единицы измерения координат всегда будут равны собственным единицам во всем пространстве. Поэтому нет необходимости делать различие между координатными и собственными величинами. Но в общей теории относительности из-за кривизны четырехмерного пространства–времени соотношение между координатными и собственными величинами не остается постоянным, а зависит от положения и скорости наблюдателя. Поэтому при переходе из одной точки пространства в другую единицы измерения собственных величин меняются. При измерениях времени это приводит к тому, что соотношение между координатным временным интервалом и собственным (измеренным) интервалом зависит от положения часов наблюдателя в пространстве. При уменьшении скорости наблюдателя до нуля относительно начала отсчета и удалении на бесконечно большое расстояние от массивных тел пространство для наблюдателя становится плоским (евклидовым), а собственное время — координатным.
Промежуток времени, измеряемый часами, которые связаны с движущейся системой, называется промежутком собственного времени. Собственное время течет не быстрее, чем координатное время в неподвижной системе отсчета. Согласно определению МАС, земное динамическое время TDT (Temps Dynamique Terrestrial) — это собственное время наблюдателя, измеряемое атомными часами, расположенными на поверхности геоида. С большой точностью можно считать, что атомные часы показывают собственное время в точке их установки. С точки зрения общей теории относительности TAI является координатным временем, определенным в геоцентрической системе координат на поверхности геоида. Для вычисления шкалы TAI используется большое число часов, размещенных в разных точках Земли, и, строго говоря, TAI не может называться собственным временем. Релятивистская поправка различна для разных часов. Это означает, что в результате релятивистских эффектов шкалы атомных часов расходятся. Это расхождение выражается в виде линейного дрейфа и малых квазипериодических вариаций. Линейный член (дрейф) определяется гравитационным потенциалом и скоростью часов относительно центра масс Земли. Так как часы расположены не точно на поверхности геоида, то различие их положения по высоте на Δh приводит к изменению гравитационного потенциала. Релятивистская теория предсказывает, следовательно, изменение хода часов при изменении высоты с коэффициентом ∼ 1,1 × 10-13 Δh [км], — что и послужило основанием метода квантового нивелирования (см. ниже).
Так как часы не располагаются на геоиде, поправка (за разность высот) учитывается при синхронизации часов и выводе шкалы TAI. Следовательно, шкала TAI является реализацией TT, и в настоящее время из-за ошибок синхронизации часов и вычисления имеет малое линейное смещение (∼1мкс/год) относительно идеальной шкалы TT.
3. Система фундаментального обеспечения ГНСС
Погрешности эфемерид НКА, или точность их координат, зависят от того, как решает свои задачи система фундаментального обеспечения ГНСС. Её данные используются в любой радионавигационной системе космического базирования. Основными задачами Системы фундаментального координатно-временного обеспечения (ФКВО) в общем случае являются:
− установление небесной системы координат и ее реализация в виде каталогов координат (небесных) источников в разных диапазонах длин волн;
− установление земной системы координат и ее реализация в виде каталога координат опорных станций;
− определение параметров ориентации небесной и земной систем координат – параметров вращения Земли (ПВЗ);
− установление динамической системы координат и ее реализация в виде теории движения тел Солнечной системы;
− создание и поддержание единой системы времени и эталонных частот;
− установление параметров фигуры Земли и тел Солнечной системы;
− установление параметров гравитационного поля Земли и тел Солнечной системы;
− формирование баз данных о физических полях Земли (гравитационном, геомагнитном и др.);
− разработка теорий, моделей и методов решения перечисленных задач.
Основой системы фундаментального обеспечения является комплекс Квазар-КВО, на котором проводятся наблюдения внегалактических радиоисточников методом радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ). Метод РСДБ является единственным методом космической геодезии, позволяющим определять полный набор параметров, необходимых для установления взаимной ориентации земной и небесной систем координат.
Комплекс Квазар-КВО имеет в составе три обсерватории, каждая из которых оснащена: 32-х метровой полноповоротной антенной с системой управления; системами частотно-временной синхронизации, приема, преобразования и регистрации сигналов; лазерным дальномером Сажень-ТМ; приемниками сигналов ГЛОНАСС/GPS геодезического класса. Благодаря участию комплекса Квазар-КВО в международных программах РСДБ-наблюдений координаты обсерваторий определены с большой точностью в Международной земной системе координат ITRF. Требования по ежедневному оперативному определению Всемирного времени выполняются с погрешностью 20 микросекунд. В обсерваториях также проводится мониторинг локальных геодезических Сетей.
Глобальный мониторинг земной поверхности средствами GPS выполняет Международная геодинамическая служба (МГС = IGS — Международная служба ГНСС (1994г)). Результатом этой работы являются точные геоцентрические декартовы координаты станций и их скорости, а также параметры вращения Земли (ПВЗ). Точность продуктов МГС достаточна для поддержки текущих научных целей, включая реализацию систем координат ITRF, мониторинг вращения Земли и деформации ее твердой и жидкой компонент, причем эта точность постоянно повышается.
Международная земная система отсчета ITRS.
Международная земная система отсчета (International Terrestrial Reference System, ITRS), по определению, есть геоцентрическая система с началом в центре масс Земли, включая океаны и атмосферу, вращающаяся вместе с Землей. Единицей длины является метр (СИ). Шкалой координатного времени является шкала геоцентрического координатного времени TCG (Geocentric Coordinate Time). Международная опорная земная система отсчета (International Terrestrial Reference Frame, ITRF) реализуется декартовыми координатами X,Y,Z и скоростями Vx,Vy,Vz ряда реперных точек. Скорости точек обусловлены тектоническими движениями плит земной коры.
Система ITRF2000 реализуется координатами и скоростями более чем 800 точек, жестко связанных с корой Земли, и расположенных примерно в 500 пунктах. Каждая из точек представляет собой либо особую точку инструмента (например, пересечение осей радиотелескопа), либо геодезический маркер. Ориентация осей ITRF2000 и ее стабильность во времени обеспечивается соответствующим выбором реперных точек. Критерии выбора реперных точек следующие:
1) наблюдения должны быть непрерывными в течение не менее трех лет;
2) точки должны располагаться на значительном расстоянии от границ тектонических плит и от разломов внутри плит;
3) ошибка вычисления скорости точки (в решении ITRF2000) должна быть меньше 3 мм/год;
4) разброс в скорости точки по как минимум трем разным решениям (например, РСДБ, GPS и лазерным дальномерам) не должен превышать 3 мм/год.
Изменение в ориентации осей ITRF2000 связано с кинематической моделью движения плит земной коры NNR-NUVEL-1A. В соответствии с этой моделью вся поверхность Земли разбита на 16 плит, каждая из которых вращается, но суммарное вращение земной коры равно нулю.
Система ITRF2000 характеризуется следующими свойствами:
1) шкалой времени в ITRF2000 является шкала земного времени TT (Terrestrial Time) в отличие от ITRF97, в которой использовалось геоцентрическое координатное время TCG;
2) координаты и скорости пунктов приводятся на эпоху 1997.0;
3) масштабный множитель D при преобразовании между ITRF2000 и системой, задаваемой координатами радиотелескопов, равен нулю;
4) начало координат реализуется приравниваем нулю вектора между ITRF2000 и системой, задаваемой координатами лазерных дальномеров.
Таким образом достигается совмещение начала координат ITRF2000 с центром масс Земли с ошибкой менее 10 мм. Пространственные координаты в системе ITRF2000 согласованы со шкалой TT. Решение об использовании в качестве временной координаты земного времени TT было принято потому, что все центры при обработке наблюдений используют время TT.
РЕЛЯТИВИСТСКАЯ ГЕОДЕЗИЯ
Предсказанное релятивистской теорией изменение хода часов при изменении высоты послужило основой нового метода нивелирования – квантового, и определило название нового раздела геодезии: «Релятивистская геодезия». Об этом новом разделе геодезии рассказывает сотрудник ВНИИФТРИ Фатеев Вячеслав Филиппович в докладе «Релятивистская геодезия и её практические приложения», (2020):
Релятивистская геодезия – отрасль высшей геодезии, изучающая влияние гравитационных полей на точность пространственно-временных геодезических измерений. Без её выводов невозможна реализация требований проекта GGOS (см. ниже).
Задачи и направления развития «Релятивистской геодезии»
1. Главной задачей релятивистской геодезии является установление зависимости измеряемой геодезической длины и промежутков времени от параметров гравитационного поля Земли (ГПЗ) и скорости движения геодезических измерителей на Земле и в околоземном космосе.
2. Направления развития релятивистской геодезии:
2.1. Развитие релятивистской теории взаимодействия стандартов частоты и времени (СЧВ) и электромагнитных волн в атмосфере с ГПЗ в Земной вращающейся системе отсчета ITRS при больших скоростях измерителя.
2.2. Повышение точности измерений радио- и оптических геодезических, навигационных средств, а также средств синхронизации за счет правильного учета влияния релятивистских явлений в ГПЗ.
2.3. Измерение релятивистских явлений в СЧВ и радиолиниях с целью определения характеристик ГПЗ и геодезических параметров фигуры Земли.
3. Возможности прямого измерения релятивистских эффектов:
— использование запросно-беззапросных радиолиний синхронизации; переход на оптические линии синхронизации;
— использование высокостабильных СЧВ с целью определения ортометрических высот с точностью 10-5 …10-9 .
4. Постоянная в релятивистской геодезии – это гравитационный потенциал на геоиде W = 6.26368534х107 м2/с2.
Международная программа GGOS
Задачи, требования к измерениям и сервисы системы Global Geodetic Observing System. Главные задачи GGOS:
— уточнение формы Земли,
— уточнение гравитационного поля Земли,
— уточнение параметров вращения Земли,
— уточнение геоцентрической системы координат.
Характеристики точности GGOS:
1. Координаты точек на поверхности Земли – 1 мм.
2. Скорость движения точек земной коры – мм/год.
3. ПВЗ: коорд. Полюса — мм, (угловая скор.вр.Земли) — десятки микросекунд.
4. Координаты квазаров — десятые доли миллисекунды дуги.
5. Синхронизация разнесенных атомных шкал времени – единицы-десятки пикосекунд.
Измерительные Сервисы IАG (Междунар. Ассоциац. Геодезии):
1) IERS – Международная служба вращения Земли (ILS in 1899, BIH in 1912, IPMS in 1962, IERS in 1987).
2) IGS: Международная служба ГНСС (1994).
3) IVS: Международная служба РСДБ (1999).
4) ILRS: Международная служба лазерной локации (1998).
5) IDS: Международная Дорис-служба (2003).
6) IGFS: Международная служба гравитационного поля (2004).
7) BGI: Международное гравиметрическое бюро (1951).
8) IGeS: Международная служба геоида (1992).
9) ICET: Международная служба земных приливов (1956).
10) ICGEM: Международный центр глобальных моделей Земли (2003).
11) IDEMS: Международная служба цифровых моделей рельефа (1999).
12) PSMSL: Постоянная служба среднего уровня моря (альтиметрическая служба) (1933).
13) IAS: Международная служба альтиметрии (2008).
14) BIPM: Международное бюро мер и весов (1875).
15) IBS: служба библиографического обслуживания IAG (1889).
16) IHRS: Международный сервис обеспечения глобальной высотной основы (2017).
Требования к основным высокоточным геодезическим средствам и их возможности:
1. Требования Международной программы GGOS к погрешности измерения геодезических параметров — абсолютная погрешность должна быть: координат – 1 миллиметр, ошибка измерения времени запаздывания в радиодальномере – 1 пикосекунда, суточная нестабильность СЧВ — 10Е-17.
2. Возможности основных высокоточных геодезических средств (относительная погрешность 10-8 -10-9):
— Радиоинтерферометры со сверхдлинной базой (РСДБ) — погрешность менее 1 см;
— Лазерные локационные системы (ЛЛС) на основе уголковых отражателей на борту КА — погрешность менее 1 см;
— Беззапросные измерительные средства, использующие сигналы ГНСС (навигационная аппаратура потребителей ГЛОНАСС и спец.измерители БИС) — погрешность менее 1 см;
— Допплеровские системы (DORIS и др.) – единицы см;
— Абсолютные баллистические гравиметры (лазерные и атомные) – 3 мкГал = 1 см.
3. Уровень релятивистских эффектов в геодезических измерениях превосходит требования GGOS: 10-9 -10-10 — для времени, частоты, длины. Например: Суточное релятивистское удлинение орбиты: 282см – для низких орбит; 35см – для ГЛОНАСС; Релятивистское удлинение одного витка: 16,8см/виток = константа для (всех) орбит.
Новая идея создания единой высотной основы
В 2015 году на Пражской конференции IAG принята специальная резолюция «Об определении и реализации Международной системы отсчета высот (IHRS)». ИДЕЯ такая: использовать для отсчета высот поверхность геоида. Потенциал на поверхности геоида – гравитационная постоянная; измеряемая физическая величина – геопотенциальное число (разность гравитационных потенциалов). В основе — гравитационный эффект замедления времени и гравитационный эффект смещения частоты. Создан, таким образом, квантовый нивелир – новый геодезический инструмент, который обладает весьма высокими потенциальными возможностями при измерении геопотенциального числа и разности ортометрических высот на глобальных расстояниях. Основан на использовании высокостабильных перебазируемых стандартов частоты и времени (СЧВ) и методов их синхронизации. То есть принцип квантового нивелира — измерение разности гравитационных потенциалов с помощью СЧВ и систем синхронизации (рис. 1). Здесь главная геодезическая задача: измерение разности гравитационных потенциалов в системе «Космос-Земля» на СЧВ с нестабильностью частоты 3×10-16.
Предлагаемая Российская измерительная сеть «Квантовый футшток»:
Центральный СЧВ – «Квантовый футшток» (10-17-10-19). Синхронизация: по ГНСС, по РСДБ, по КА типа ACES, и Релятивистская синхронизация.
Российская сеть «Квантовый футшток», реализуемая на квантовых нивелирах, может рассматриваться как элемент мировой глобальной системы единых высот IHRS. В ближайшей перспективе она способна обеспечить высокие точности реализации отечественной системы единых высот на глобальных расстояниях.
P.S. Удивительно изобретателен ум человеческий. Ему мало придумать способы уменьшения погрешностей GPS-измерений от влияния внешней среды. Он придумывает ещё и способ «употребления» самих этих погрешностей на пользу дела – для изучения этой самой внешней среды: тропосферы, стратосферы, ионосферы, ближнего космоса. Об этом рассказали ученые Казанского федерального университета И. А. Насыров, Д. А. Когогин и Р. В. Загретдинов в своем докладе «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГНСС СЕТЕЙ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ИОНОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ» на 9-й научно-практической конференции «Актуальные вопросы геодезии и геоинформационных систем», (Казань, 2020):
«Возможности ГНСС нового поколения оказались существенно шире тех, которые требовались непосредственно для решения геодезических и геодинамических задач. Сегодня навигационные системы позволяют получать ряд параметров, важных для задач диагностики состояния ионосферы и околоземного космического пространства:
1) абсолютное полное электронное содержание (ПЭС) вдоль луча «спутник – приемник» и его вариации;
2) паросодержание вдоль луча «спутник – приемник»;
3) плотность сбоев навигационно-временных определений;
4) интенсивность мерцаний навигационного сигнала, измеряемая специализированными приемниками».
Решения этих задач важны, в том числе, и при проведении прецизионных геодезических и геодинамических измерений, так как выявляют параметры внешней среды (ПЭС, паросодержание…), влияющих на точность измерений.
«Мониторинг состояния ионосферной плазмы на основе синхронных измерений кодовой псевдозадержки и фаз несущих сигналов навигационных спутников в частотных диапазонах L1 и L2 ГЛОНАСС и GPS в последние годы получил беспрецедентное развитие. На сегодняшний день в России и мире ионосферными исследованиями с использованием ГНСС нового поколения занимается целый ряд групп. В том числе и исследователи из Казанского федерального университета. Фокус нашей группы сосредоточен, главным образом, в области исследований вариаций ПЭС при воздействии на ионосферу мощным декаметровым радиоизлучением стенда СУРА, расположенном на радиополигоне Васильсурск в Нижегородской области».
Практическое приложение подобных исследований обширно. Помимо упомянутой возможности повышения точности GPS-измерений, при помощи созданной казанскими учеными методики можно изучать ионосферные отклики на различные гелиогеофизические события, такие как: солнечный терминатор и солнечное затмение; геомагнитные бури; геодинамические процессы (например, землетрясения и, в частности – регистрация их предвестников); вторжение метеоров; запуски ракет; мощные взрывы и многое другое.