eng
Выпуск #6/2017
В.П.Васильев, В.Д.Шаргородский
Современное состояние высокоточной спутниковой лазерной дальнометрии в России
Современное состояние высокоточной спутниковой лазерной дальнометрии в России
Просмотры: 5122
Высокоточная лазерная дальнометрия используется сегодня для решения огромного множества задач, но среди них своей неизменной актуальностью и широтой применения выделяется определение координат неподвижных точек на поверхности Земли (геодезия), а также определение мгновенных координат и параметров движения динамических объектов – навигация.
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.66.6.74.85
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.66.6.74.85
В ХХ веке на смену механическим устройствам для геодезических измерений – мерным лентам, cчислителям оборотов колес – пришли устройства для измерения времени распространения электромагнитных волн разных диапазонов – радиочастотного и оптического (применительно к подземным и подводным измерениям используется также определение времени распространения акустических волн).
Оптический диапазон волн при решении таких задач имеет свои преимущества и недостатки по сравнению с радиочастотным диапазоном: последний обеспечивает всепогодность и в ряде случаев возможность загоризонтных измерений (за счет дифракции радиоволн). Однако на точность в радиочастотном диапазоне влияют искажения электромагнитного поля местными предметами и существенное воздействие оказывают факторы окружающей среды (атмосфера, ионосфера), влияющие на скорость распространения радиочастотных колебаний.
В оптическом диапазоне эти снижающие точность измерения факторы оказывают меньшее влияние. Зато возрастают потери в воздушной среде (особенно за счет рассеяния в аэрозолях [1][1]) и возрвстает влияние фона солнечного излучения, создающего нередко сильные помехи проведению измерений.
Поэтому наиболее разумно использовать сочетание средств обоих диапазонов. Причем оптические средства – сегодня это, в основном, лазерная дальнометрия – служат эталоном для калибровки и сверки радиотехнических систем.
В середине ХХ века высокоточная дальнометрия, основанная на измерении времени распространения электромагнитных волн, использовалась преимущественно для наземных геодезических работ. Поскольку при таких работах требования к точности обычно превалировали над требованиями к оперативности (за исключением военных применений), то оптические (с начала 60-х годов – лазерные) дальномеры получили преимущественное распространение. Измеряемые дальности в ходе таких работ обычно не превышают нескольких десятков километров, и среди применяемых методов предпочтение отдавалось фазовой дальнометрии (измерению сдвига фаз модулирующего сигнала, налагаемого на распространяющийся световой пучок).
Сейчас, благодаря развитию космических навигационно-геодезических систем, наземные координатные сети стали строиться с их помощью, и применяемая для этого лазерная дальнометрия получила название спутниковой лазерной дальнометрии (SLR – satellite laser ranging). Так как повсеместно распространяющаяся спутниковая навигация опирается на геодезию, требования к точности навигационно-геодезических систем быстро возрастают. Особенно жесткие требования предъявляются к лазерной дальнометрии, служащей эталонным и калибровочным средством для этих систем.
Если в 60-е и 70-е годы достаточно малой считалась погрешность измерений дальности порядка единиц дециметров, то с 2000-х годов поднимается вопрос по достижении точности ±1 мм.
Для решения этих проблем в глобальном масштабе создана Международная служба лазерной дальнометрии (ILRS – Intrnational Laser Ranging Service) [3]; с начала 90-х годов Российская Федерация стала ее членом. Под эгидой ILRS работают в настоящее время свыше 50 измерительных станций по всем миру, и еще несколько десятков станций находятся в стадии сооружения или реконструкции.
Следует заметить, что для оптимизации этой измерительной сети она должна быть по возможности равномерно распределена по поверхности земного шара. Еще в 90-е годы международное SLR-сообщество предъявляло к России претензии: территория самой большой в мире страны была очень слабо оснащена SLR-станциями (у нас их принято называть квантово-оптическими станциями – КОС). Сегодня мы в этом отношении вышли на передовые позиции – на российской территории 20 действующих станций, а к 2020 году их будет 29, и к тому же мы вносим вклад в сгущение SLR-сети южного полушария, оснащенного пока слабее северного (две наших станции – в Бразилии и ЮАР – уже успешно функционируют).
Изменяются и сами SLR-станции – они стали компактнее, но при этом точнее прежних. Если в начале 70-х годов наши первые лазерные станции имели оптику на основе полутораметровых прожекторных зеркал (лазерный локатор СКОЛ‑2 имел 4 таких зеркала на общем опорно-поворотном устройстве), то выпускаемая в последние годы серийно лазерная станция "Сажень-ТМ" имеет сдвоенную оптическую систему с диаметром зеркал 25 см, обеспечивая при этом ту же дальность действия и на порядок лучшую точность измерения.
Виды изготавливаемых на нашем предприятии и действующих в настоящее время лазерных дальнометрических станций показаны на рис.1 и 2, а их расположение на территории России и ближайших к ней стран – на рис.3.
Достигаемая сейчас в мировой практике (в том числе и у нас) точность измерения составляет около 0,5 см и ограничивается в основном двумя факторами. Как было констатировано в 2005 году на специальном международном совещании в г. Истборн (Великобритания), имевшем в названии подзаголовок Towards 1-mm accuracy [4], т.е. "Путь к точности 1 мм", это – трудность точного учета показателя преломления атмосферного воздуха на пути распространения лазерного луча и так называемая "ошибка цели". Об этом следует рассказать несколько подробнее.
Показатель преломления воздуха вблизи поверхности Земли составляет ~1,0003 [5] и в общей сложности вносит задержку времени распространения сигнала от ~3 м до ~10 м в зависимости от "угла места" (наклона линии визирования по отношению к плоскости горизонта); работа при малых углах места, когда эта задержка превышает 10 м, вообще нежелательна. Величина показателя преломления воздуха зависит от его температуры, давления и влажности, а измеряются эти факторы лишь в точке расположения станции. Учесть все нюансы распределения этих параметров вдоль трассы луча при помощи модели атмосферы можно пока в лучшем случае с погрешностью в несколько мм (в пересчете на дальность), хотя исследование и учет местных условий в сочетании с совершенствованием общей модели атмосферы позволяет постепенно улучшать эту точность.
Теоретически существует путь решения данной проблемы – одновременное измерение дальности на двух сильно разнесенных длинах волн лазерного излучения (например в видимом и инфракрасном участках спектра) с использованием уравнения дисперсии – зависимости показателя преломления от длины волны. В принципе это позволяет получить значение задержки сигнала в атмосфере, не прибегая к измерению температуры, давления и влажности воздуха вдоль трассы. Однако было показано, что для достижения таким способом погрешности 1 мм в измеряемой дальности нужно измерять разность времени распространения для этих двух длин волн с точностью лучше ±0,5 пикосекунды [5] (т. е. ±0,07 мм в пересчете на дальность). Этого пока не удается выполнить по ряду технических причин.
Второй серьезный ограничитель точности – "ошибка цели" – обусловлен тем, что почти все спутники-цели для высокоточных геодезических и геофизических измерений представляют собой металлические шары, на поверхности которых установлено множество ретрорефлектров – уголковых отражателей из кварцевого стекла. Кстати, большинство таких спутников-целей и отражателей для них изготовлено нашим предприятием (см. табл.1 и рис.4). Эти сферические конструкции имеют диаметр от 23 см до 2,15 м, а количество уголковых отражателей на каждом из них составляет от 20 до 2142.
Из-за одновременного отражения лазерного импульса от нескольких ретрорефлекторов, находящихся на разных удалениях от станции, и из-за неизбежного разброса величин эффективной отражающей поверхности этих ретрорефлекторов возникает погрешность, достигающая для крупных сферических спутников-целей нескольких единиц милиметров (см. табл. 2).
Еще в 90-е годы для решения специфических высокоточных задач геодинамики (в частности, для японского проекта Keystone по предсказанию землетрясений и цунами на основе наблюдения малых подвижек земной коры) нашим предприятием была создана специальная SLR-цель WESTPAC (см. рис.4), где в каждый момент времени лазерный сигнал отражается только от одного ретрорефлектора, что достигается ограничением его углового поля специальными блендами. Такое решение позволило снизить среднюю величину "ошибки цели" для данного спутника до ±0,5 мм, но вызвало некоторые трудности при его наблюдении. Между сериями отражений от разных ретрорефлекторов возникали перерывы, а усреднение результатов измерений с помощью закрутки спутника вокруг своей оси при его запуске на орбиту постепенно ухудшалось из-за торможения этого вращения вихревыми токами, возникающими в металлическом корпусе спутника при его движении в магнитном поле Земли (кстати, этот недостаток в определенной мере присущ всем металлическим сферическим спутникам-целям).
Для радикального преодоления трудностей, связанных с "ошибкой цели", нами был предложен, изготовлен и выведен в космос спутник-цель совершенно нового типа – BLITS (Ball Lens In The Space). Он представлял собой стеклянное сферическое тело с использованием принципа линзы Люнеберга [6, 7]. потому его конструкция позволяла сфокусировать падающий на такую линзу пучок излучения с плоским волновым фронтом на противоположной поверхности линзы (рис.5). Нанеся на половину сферы отражающее покрытие и придав сферической линзе вращение вокруг оси, лежащей в плоскости раздела между отражающей и прозрачной поверхностями, можно получить отраженный сигнал в виде периодически повторяющихся серий отраженных импульсов. Причем такой спутник не имеет металлических частей, где могут возникать вихревые токи, и его вращение вокруг оси закрутки остается неизменным за все время службы спутника в космосе.
Такой спутник практически представляет собой "точечную" цель, не вызывающую искажения формы отраженного импульса и колебаний положения эффективной точки отражения относительно центра массы спутника. Вызываемая температурными изменениями показателя преломления стекла погрешность в измерении дальности не превышает 0,1 мм.
Этот спутник, успешно наблюдавшийся всеми станциями международной SLR-сети с конца 2009 года до начала 2013 года, был выведен на круговую орбиту высотой 835 км и послужил прототипом для нового спутника BLITS-M несколько большего размера и массы. В настоящее время новый спутник подготавливается к запуску на орбиту высотой ~1500 км, где влияние атмосферы на стабильность орбиты почти отсутствует. что позволит эффективно использовать этот космический аппарат для геофизических исследований и геодезических измерений с точностью, достижение которой раньше было затруднительным.
Важным дополнением к рассмотренным выше дальномерным системам является разработанная в последнее время "беззапросная" система (БКОС) [8]. Она предназначена для передачи лазерного импульса с наземной станции на бортовые приемники космических аппаратов ГЛОНАСС и привязки принятых этим приемником импульсов к бортовой шкале времени соответствующего космического аппарата (рис.6). Это позволяет, используя привязку высокоточных "часов" наземной лазерной станции к этому времени, производить сверку бортовых шкал времени аппаратов ГЛОНАСС с наземным эталоном, обеспечивая за счет малых погрешностей лазерной линии значительное повышение точности синхронизации бортового времени ГЛОНАСС и соответствующее повышение точности навигационно-геодезических определений с помощью этой глобальной космической системы.
Оснащение в ближайшей перспективе всех новых наземных лазерных станций такой системой с учетом широкого охвата сетью таких станций территории земного шара обеспечит в дальнейшем значительное повышение точностных характеристик системы ГЛОНАСС и создаст ей в этом отношении преимущество перед другими глобальными спутниковыми навигационно-геодезическими системами. В еще большей степени этому будет способствовать оснащение всех космических аппаратов новых модификаций межспутниковыми лазерными линиями (МЛНСС) для быстрого многократного обмена данными о расхождении шкал времени на этих аппаратах (рис.7).Аппаратура этих линий по существу представляет собой сочетание беззапросного дальномера и низкоинформативной линии связи.
Каковы же дальнейшие перспективы развития высокоточной лазерной спутниковой дальнометрии – после оснащения измерительной сети новыми, содержащими систему БКОС, станциями типа "Сажень-К" и "Сажень-Л" (рис.8) [9], подготовленными к серийному производству и обладающими возможностью достижения аппаратурной погрешности 1–2 мм, и после существенного расширения сети точных станций? Что задумано, запланировано и может быть реализовано в ближайшие годы на нашем предприятии?
Прежде всего, предусмотрен ввод в строй второй очереди Алтайского оптико-лазерного центра[2] с телескопом диаметром 3,12 м (рис.9) и лазерным дальномером, который будет способен эффективно измерять с миллиметровой точностью расстояния до ретрорефлекторов, установленных на Луне.
Здесь надо заметить, что уже в течение прошедших трех лет мы проводили измерения на дальностях, сравнимых с расстоянием до Луны. Имеется в виду работа по ретрорефлекторной панели, установленной на космическом аппарате "Радиоастрон" с вытянутой эллиптической орбитой, апогей которой находится на расстоянии почти 350 тысяч километров от Земли. Однако точность использованной при этом дальномерной аппаратуры – около дециметра, что вполне достаточно для решения задач данной космической миссии, но недостаточно для решения фундаментальных задач, связанных с исследованиями Луны и системы Земля-Луна. Здесь уместно упомянуть, что наша земная геодезия и навигация осуществляются в системе, где положение центра тяжести находится в связанной системе Земля-Луна, и даже "земная твердь" колеблется в зависимости от положения Луны, не говоря уже об уровнях океанских вод.
В настоящее время лунной лазерной дальнометрией (LLR–Lunar Laser Ranging) занимаются всего три станции (две в США и одна во Франции), имеющие соответствующее оборудование – мощные короткоимпульсные лазерные передатчики и большие приемные телескопы. В ближайшем будущем к ним присоединится и наша станция на Алтае. Эта работа во времени увязана с новыми космическими миссиями, в ходе которых на Луну будут доставлены и новые ретрорефлекторные системы, в том числе создаваемые на нашем предприятии.
Сейчас в трех точках на Луне имеются ретрорефлекторные панели, доставленные туда астронавтами миссий Apollo‑11, Apollo‑14, Apollo‑15, а еще в двух точках – меньшие по размерам панели, установленные на советских аппаратах "Луноход‑1" и "Луноход‑2". Но все эти системы были доставлены на Луну более 40 лет назад, и эффективность их снизилась из-за естественных причин (запыления и эрозии поверхности, а возможно и радиационной деградации).
К сожалению, в короткой статье нет никакой возможности хотя бы кратко упомянуть о других многочисленных применениях высокоточной лазерной дальнометрии – от решения важнейших задач фундаментальной науки до разнообразных практических устройств, в том числе и бытового назначения.
[1] При распространении в водной среде (особенно в сине-зеленой области видимого спектра) потери в оптическом диапазоне, наоборот, оказываются меньше, чем в радиочастотном [2], благодаря чему оптическая дальнометрия (как и передача информации) находит применение при подводных работах.
[2] Первая очередь этого измерительного и исследовательского центра функционирует уже более 15 лет.
ЛИТЕРАТУРА
1. Распространение лазерного пучка в атмосфере/Под ред. В.Е.Зуева и В.Л.Миронова. – М.: Изд-во "Мир", 1981.
2. К.В.Показеев, Т.О.Чаплина, Ю.Д.Чашечкин. Оптика океана. – М.: Изд-во МГУ, 2010.
3. Электронный ресурс https://ilrs.cddis.eosdis.nasa.gov [дата последнего обращения 18.09.2017].
4. ILRS Technical Workshop on Laser Ranging. Towards 1-mm accuracy. –Eastbourue, UК, 2005.
5. Дж. Кэй, Т.Лэби. Таблицы физических и химических постоянных. – М.: Изд-во Физматгиз, 1962.
6. V.Vasiliev, I.Gashkin, M.Belov, V.Shargorodsky. A new approach to a submillimeter accuracy SLR target design. – Proc. of the 11-th International Workshop on Laser Ranging. Deggendorf, Germany, 1998.
7. BLITS: The first authonomous zero-signature satellite in orbit. – Proc. of the 17–th International Workshop on Laser Ranging, Bad Koetzting, Germany, 2011.
8. V.V.Pasinkov, V.D.Shargorodsky, M.A.Sadovnikov, V.V.Sumerin. The concept and the preliminary results of the SLR application in the problem of improving the GLOHASS accuracy. – Proc. of the 18-th International Workshop on Laser Ranging. Fujiyoshida, Japan, 2013.
9. M.Sadovnikov. SLR Station of the new generation for time transfer with subnanosecond accuracy and ranging with submillimeter accuracy in night and daytime. – Proc. of the 19-th International Workshop on Laser Ranging, Annapolis, MD, USA, 2014.
10. ANSI Z 136.1– Safe Use of Lasers (Standard), Laser Institute of America, 2007.
Оптический диапазон волн при решении таких задач имеет свои преимущества и недостатки по сравнению с радиочастотным диапазоном: последний обеспечивает всепогодность и в ряде случаев возможность загоризонтных измерений (за счет дифракции радиоволн). Однако на точность в радиочастотном диапазоне влияют искажения электромагнитного поля местными предметами и существенное воздействие оказывают факторы окружающей среды (атмосфера, ионосфера), влияющие на скорость распространения радиочастотных колебаний.
В оптическом диапазоне эти снижающие точность измерения факторы оказывают меньшее влияние. Зато возрастают потери в воздушной среде (особенно за счет рассеяния в аэрозолях [1][1]) и возрвстает влияние фона солнечного излучения, создающего нередко сильные помехи проведению измерений.
Поэтому наиболее разумно использовать сочетание средств обоих диапазонов. Причем оптические средства – сегодня это, в основном, лазерная дальнометрия – служат эталоном для калибровки и сверки радиотехнических систем.
В середине ХХ века высокоточная дальнометрия, основанная на измерении времени распространения электромагнитных волн, использовалась преимущественно для наземных геодезических работ. Поскольку при таких работах требования к точности обычно превалировали над требованиями к оперативности (за исключением военных применений), то оптические (с начала 60-х годов – лазерные) дальномеры получили преимущественное распространение. Измеряемые дальности в ходе таких работ обычно не превышают нескольких десятков километров, и среди применяемых методов предпочтение отдавалось фазовой дальнометрии (измерению сдвига фаз модулирующего сигнала, налагаемого на распространяющийся световой пучок).
Сейчас, благодаря развитию космических навигационно-геодезических систем, наземные координатные сети стали строиться с их помощью, и применяемая для этого лазерная дальнометрия получила название спутниковой лазерной дальнометрии (SLR – satellite laser ranging). Так как повсеместно распространяющаяся спутниковая навигация опирается на геодезию, требования к точности навигационно-геодезических систем быстро возрастают. Особенно жесткие требования предъявляются к лазерной дальнометрии, служащей эталонным и калибровочным средством для этих систем.
Если в 60-е и 70-е годы достаточно малой считалась погрешность измерений дальности порядка единиц дециметров, то с 2000-х годов поднимается вопрос по достижении точности ±1 мм.
Для решения этих проблем в глобальном масштабе создана Международная служба лазерной дальнометрии (ILRS – Intrnational Laser Ranging Service) [3]; с начала 90-х годов Российская Федерация стала ее членом. Под эгидой ILRS работают в настоящее время свыше 50 измерительных станций по всем миру, и еще несколько десятков станций находятся в стадии сооружения или реконструкции.
Следует заметить, что для оптимизации этой измерительной сети она должна быть по возможности равномерно распределена по поверхности земного шара. Еще в 90-е годы международное SLR-сообщество предъявляло к России претензии: территория самой большой в мире страны была очень слабо оснащена SLR-станциями (у нас их принято называть квантово-оптическими станциями – КОС). Сегодня мы в этом отношении вышли на передовые позиции – на российской территории 20 действующих станций, а к 2020 году их будет 29, и к тому же мы вносим вклад в сгущение SLR-сети южного полушария, оснащенного пока слабее северного (две наших станции – в Бразилии и ЮАР – уже успешно функционируют).
Изменяются и сами SLR-станции – они стали компактнее, но при этом точнее прежних. Если в начале 70-х годов наши первые лазерные станции имели оптику на основе полутораметровых прожекторных зеркал (лазерный локатор СКОЛ‑2 имел 4 таких зеркала на общем опорно-поворотном устройстве), то выпускаемая в последние годы серийно лазерная станция "Сажень-ТМ" имеет сдвоенную оптическую систему с диаметром зеркал 25 см, обеспечивая при этом ту же дальность действия и на порядок лучшую точность измерения.
Виды изготавливаемых на нашем предприятии и действующих в настоящее время лазерных дальнометрических станций показаны на рис.1 и 2, а их расположение на территории России и ближайших к ней стран – на рис.3.
Достигаемая сейчас в мировой практике (в том числе и у нас) точность измерения составляет около 0,5 см и ограничивается в основном двумя факторами. Как было констатировано в 2005 году на специальном международном совещании в г. Истборн (Великобритания), имевшем в названии подзаголовок Towards 1-mm accuracy [4], т.е. "Путь к точности 1 мм", это – трудность точного учета показателя преломления атмосферного воздуха на пути распространения лазерного луча и так называемая "ошибка цели". Об этом следует рассказать несколько подробнее.
Показатель преломления воздуха вблизи поверхности Земли составляет ~1,0003 [5] и в общей сложности вносит задержку времени распространения сигнала от ~3 м до ~10 м в зависимости от "угла места" (наклона линии визирования по отношению к плоскости горизонта); работа при малых углах места, когда эта задержка превышает 10 м, вообще нежелательна. Величина показателя преломления воздуха зависит от его температуры, давления и влажности, а измеряются эти факторы лишь в точке расположения станции. Учесть все нюансы распределения этих параметров вдоль трассы луча при помощи модели атмосферы можно пока в лучшем случае с погрешностью в несколько мм (в пересчете на дальность), хотя исследование и учет местных условий в сочетании с совершенствованием общей модели атмосферы позволяет постепенно улучшать эту точность.
Теоретически существует путь решения данной проблемы – одновременное измерение дальности на двух сильно разнесенных длинах волн лазерного излучения (например в видимом и инфракрасном участках спектра) с использованием уравнения дисперсии – зависимости показателя преломления от длины волны. В принципе это позволяет получить значение задержки сигнала в атмосфере, не прибегая к измерению температуры, давления и влажности воздуха вдоль трассы. Однако было показано, что для достижения таким способом погрешности 1 мм в измеряемой дальности нужно измерять разность времени распространения для этих двух длин волн с точностью лучше ±0,5 пикосекунды [5] (т. е. ±0,07 мм в пересчете на дальность). Этого пока не удается выполнить по ряду технических причин.
Второй серьезный ограничитель точности – "ошибка цели" – обусловлен тем, что почти все спутники-цели для высокоточных геодезических и геофизических измерений представляют собой металлические шары, на поверхности которых установлено множество ретрорефлектров – уголковых отражателей из кварцевого стекла. Кстати, большинство таких спутников-целей и отражателей для них изготовлено нашим предприятием (см. табл.1 и рис.4). Эти сферические конструкции имеют диаметр от 23 см до 2,15 м, а количество уголковых отражателей на каждом из них составляет от 20 до 2142.
Из-за одновременного отражения лазерного импульса от нескольких ретрорефлекторов, находящихся на разных удалениях от станции, и из-за неизбежного разброса величин эффективной отражающей поверхности этих ретрорефлекторов возникает погрешность, достигающая для крупных сферических спутников-целей нескольких единиц милиметров (см. табл. 2).
Еще в 90-е годы для решения специфических высокоточных задач геодинамики (в частности, для японского проекта Keystone по предсказанию землетрясений и цунами на основе наблюдения малых подвижек земной коры) нашим предприятием была создана специальная SLR-цель WESTPAC (см. рис.4), где в каждый момент времени лазерный сигнал отражается только от одного ретрорефлектора, что достигается ограничением его углового поля специальными блендами. Такое решение позволило снизить среднюю величину "ошибки цели" для данного спутника до ±0,5 мм, но вызвало некоторые трудности при его наблюдении. Между сериями отражений от разных ретрорефлекторов возникали перерывы, а усреднение результатов измерений с помощью закрутки спутника вокруг своей оси при его запуске на орбиту постепенно ухудшалось из-за торможения этого вращения вихревыми токами, возникающими в металлическом корпусе спутника при его движении в магнитном поле Земли (кстати, этот недостаток в определенной мере присущ всем металлическим сферическим спутникам-целям).
Для радикального преодоления трудностей, связанных с "ошибкой цели", нами был предложен, изготовлен и выведен в космос спутник-цель совершенно нового типа – BLITS (Ball Lens In The Space). Он представлял собой стеклянное сферическое тело с использованием принципа линзы Люнеберга [6, 7]. потому его конструкция позволяла сфокусировать падающий на такую линзу пучок излучения с плоским волновым фронтом на противоположной поверхности линзы (рис.5). Нанеся на половину сферы отражающее покрытие и придав сферической линзе вращение вокруг оси, лежащей в плоскости раздела между отражающей и прозрачной поверхностями, можно получить отраженный сигнал в виде периодически повторяющихся серий отраженных импульсов. Причем такой спутник не имеет металлических частей, где могут возникать вихревые токи, и его вращение вокруг оси закрутки остается неизменным за все время службы спутника в космосе.
Такой спутник практически представляет собой "точечную" цель, не вызывающую искажения формы отраженного импульса и колебаний положения эффективной точки отражения относительно центра массы спутника. Вызываемая температурными изменениями показателя преломления стекла погрешность в измерении дальности не превышает 0,1 мм.
Этот спутник, успешно наблюдавшийся всеми станциями международной SLR-сети с конца 2009 года до начала 2013 года, был выведен на круговую орбиту высотой 835 км и послужил прототипом для нового спутника BLITS-M несколько большего размера и массы. В настоящее время новый спутник подготавливается к запуску на орбиту высотой ~1500 км, где влияние атмосферы на стабильность орбиты почти отсутствует. что позволит эффективно использовать этот космический аппарат для геофизических исследований и геодезических измерений с точностью, достижение которой раньше было затруднительным.
Важным дополнением к рассмотренным выше дальномерным системам является разработанная в последнее время "беззапросная" система (БКОС) [8]. Она предназначена для передачи лазерного импульса с наземной станции на бортовые приемники космических аппаратов ГЛОНАСС и привязки принятых этим приемником импульсов к бортовой шкале времени соответствующего космического аппарата (рис.6). Это позволяет, используя привязку высокоточных "часов" наземной лазерной станции к этому времени, производить сверку бортовых шкал времени аппаратов ГЛОНАСС с наземным эталоном, обеспечивая за счет малых погрешностей лазерной линии значительное повышение точности синхронизации бортового времени ГЛОНАСС и соответствующее повышение точности навигационно-геодезических определений с помощью этой глобальной космической системы.
Оснащение в ближайшей перспективе всех новых наземных лазерных станций такой системой с учетом широкого охвата сетью таких станций территории земного шара обеспечит в дальнейшем значительное повышение точностных характеристик системы ГЛОНАСС и создаст ей в этом отношении преимущество перед другими глобальными спутниковыми навигационно-геодезическими системами. В еще большей степени этому будет способствовать оснащение всех космических аппаратов новых модификаций межспутниковыми лазерными линиями (МЛНСС) для быстрого многократного обмена данными о расхождении шкал времени на этих аппаратах (рис.7).Аппаратура этих линий по существу представляет собой сочетание беззапросного дальномера и низкоинформативной линии связи.
Каковы же дальнейшие перспективы развития высокоточной лазерной спутниковой дальнометрии – после оснащения измерительной сети новыми, содержащими систему БКОС, станциями типа "Сажень-К" и "Сажень-Л" (рис.8) [9], подготовленными к серийному производству и обладающими возможностью достижения аппаратурной погрешности 1–2 мм, и после существенного расширения сети точных станций? Что задумано, запланировано и может быть реализовано в ближайшие годы на нашем предприятии?
Прежде всего, предусмотрен ввод в строй второй очереди Алтайского оптико-лазерного центра[2] с телескопом диаметром 3,12 м (рис.9) и лазерным дальномером, который будет способен эффективно измерять с миллиметровой точностью расстояния до ретрорефлекторов, установленных на Луне.
Здесь надо заметить, что уже в течение прошедших трех лет мы проводили измерения на дальностях, сравнимых с расстоянием до Луны. Имеется в виду работа по ретрорефлекторной панели, установленной на космическом аппарате "Радиоастрон" с вытянутой эллиптической орбитой, апогей которой находится на расстоянии почти 350 тысяч километров от Земли. Однако точность использованной при этом дальномерной аппаратуры – около дециметра, что вполне достаточно для решения задач данной космической миссии, но недостаточно для решения фундаментальных задач, связанных с исследованиями Луны и системы Земля-Луна. Здесь уместно упомянуть, что наша земная геодезия и навигация осуществляются в системе, где положение центра тяжести находится в связанной системе Земля-Луна, и даже "земная твердь" колеблется в зависимости от положения Луны, не говоря уже об уровнях океанских вод.
В настоящее время лунной лазерной дальнометрией (LLR–Lunar Laser Ranging) занимаются всего три станции (две в США и одна во Франции), имеющие соответствующее оборудование – мощные короткоимпульсные лазерные передатчики и большие приемные телескопы. В ближайшем будущем к ним присоединится и наша станция на Алтае. Эта работа во времени увязана с новыми космическими миссиями, в ходе которых на Луну будут доставлены и новые ретрорефлекторные системы, в том числе создаваемые на нашем предприятии.
Сейчас в трех точках на Луне имеются ретрорефлекторные панели, доставленные туда астронавтами миссий Apollo‑11, Apollo‑14, Apollo‑15, а еще в двух точках – меньшие по размерам панели, установленные на советских аппаратах "Луноход‑1" и "Луноход‑2". Но все эти системы были доставлены на Луну более 40 лет назад, и эффективность их снизилась из-за естественных причин (запыления и эрозии поверхности, а возможно и радиационной деградации).
К сожалению, в короткой статье нет никакой возможности хотя бы кратко упомянуть о других многочисленных применениях высокоточной лазерной дальнометрии – от решения важнейших задач фундаментальной науки до разнообразных практических устройств, в том числе и бытового назначения.
[1] При распространении в водной среде (особенно в сине-зеленой области видимого спектра) потери в оптическом диапазоне, наоборот, оказываются меньше, чем в радиочастотном [2], благодаря чему оптическая дальнометрия (как и передача информации) находит применение при подводных работах.
[2] Первая очередь этого измерительного и исследовательского центра функционирует уже более 15 лет.
ЛИТЕРАТУРА
1. Распространение лазерного пучка в атмосфере/Под ред. В.Е.Зуева и В.Л.Миронова. – М.: Изд-во "Мир", 1981.
2. К.В.Показеев, Т.О.Чаплина, Ю.Д.Чашечкин. Оптика океана. – М.: Изд-во МГУ, 2010.
3. Электронный ресурс https://ilrs.cddis.eosdis.nasa.gov [дата последнего обращения 18.09.2017].
4. ILRS Technical Workshop on Laser Ranging. Towards 1-mm accuracy. –Eastbourue, UК, 2005.
5. Дж. Кэй, Т.Лэби. Таблицы физических и химических постоянных. – М.: Изд-во Физматгиз, 1962.
6. V.Vasiliev, I.Gashkin, M.Belov, V.Shargorodsky. A new approach to a submillimeter accuracy SLR target design. – Proc. of the 11-th International Workshop on Laser Ranging. Deggendorf, Germany, 1998.
7. BLITS: The first authonomous zero-signature satellite in orbit. – Proc. of the 17–th International Workshop on Laser Ranging, Bad Koetzting, Germany, 2011.
8. V.V.Pasinkov, V.D.Shargorodsky, M.A.Sadovnikov, V.V.Sumerin. The concept and the preliminary results of the SLR application in the problem of improving the GLOHASS accuracy. – Proc. of the 18-th International Workshop on Laser Ranging. Fujiyoshida, Japan, 2013.
9. M.Sadovnikov. SLR Station of the new generation for time transfer with subnanosecond accuracy and ranging with submillimeter accuracy in night and daytime. – Proc. of the 19-th International Workshop on Laser Ranging, Annapolis, MD, USA, 2014.
10. ANSI Z 136.1– Safe Use of Lasers (Standard), Laser Institute of America, 2007.
Отзывы читателей
