CC BY
22Ученые записки Таврического национального университета имени В.И.Вернадского Серия «География». Том 21 (60 ). 2008 г. № 1. С. 81-86
УДК 629.783:527.6
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭФФЕКТА ГРАВИТАЦИОННОГО СМЕЩЕНИЯ ЧАСТОТЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ЦЕЛЬЮ МОНИТОРИНГА ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ
ЗЕМЛИ Матвиенко С.А.
В статье описан анализ возможности измерения параметров гравитационного поля Земли с использованием эффекта гравитационного смещения частоты электромагнитного излучения. Ключевые слова, гравитация, частота.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время активно развиваются и широко используются во всех сферах жизнедеятельности человечества глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС). В дополнение к уже существующим ГНСС ГЛОНАСС и GPS создаётся европейская ГНСС Galileo, в создании и эксплуатации которой предполагает активно участвовать и Украина, что и нашло своё отражение в III национальной космической программе Украины [1].
Одним из наиболее интересных направлений развития ГНСС является изучение радиофизических эффектов, которые сопровождают распространение электромагнитных сигналов ГНСС. Учёт этих эффектов при измерениях позволит не только улучшить точность местоопределения, но и получить дополнительную геофизическую информацию [2^-23].
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
В соответствии с [11,12] основными радиофизическими эффектами являются:
• изменение времени распространения сигнала в тропосфере и ионосфере;
• изменение амплитуды сигнала вследствие эффектов поглощения и рассеяния на тропосферных и ионосферных неоднородностях;
• изменение поляризации сигнала при его ионосферном распространении;
• доплеровский сдвиг частоты;
• гравитационный сдвиг частоты;
• эффекты многолучёвости.
Наиболее весомыми в части влияния на амплитуду и фазу сигнала являются тропосферные и ионосферные эффекты, а в части влияния на частоту -доплеровский и гравитационный сдвиг частоты сигнала ГНСС. Суммарный сдвиг частоты может быть определён с помощью следующего соотношения:
AfE = Мд +' Afg
где Afv - суммарный сдвиг частоты
ДГ ( - доплеровский сдвиг частоты
ДП, - гравитационный сдвиг частоты.
Если ионосферные, тропосферные влияния, а также доплеровский сдвиг частоты достаточно хорошо изучены и учитываются в настоящее время при эксплуатации ГНСС [11^13], то гравитационное смещение частоты сигнала усреднённо компенсируется путём ввода систематического сдвига в фундаментальную частоту спутниковых часов [24], а именно, вместо частоты 10,23 МГц используется частота 10,22999999545 МГц, что позволяет принимать на Земле номинальную частоту.
Необходимо отметить, что разработка достаточно точных методов решения обратной задачи, то есть определения значения силы тяжести в некоторой точке по гравитационному сдвигу частоты сигнала ГНСС, позволит решить, с помощью ГНСС, две основные задачи геодезии [25]:
• определение размера и формы Земли:
• определение значения силы тяжести на геоиде.
Известно [2], что гравитационное смещение частоты сигнала определяется следующим соотношением:
/о /l _ ио /о с
(1)
где /- частота
и - гравитационный потенциал с - скорость света. Согласно [26]:
и = а°°
где
R
а00 = уМ = 3,98-105 км3/с2
Таким образом, соотношение (1) примет вид и для GPS будет иметь следующее значение:
£7,,,, Ci
'00
¥ = А» = Ъ+Ь = _ _!_) = 4.46 -КГ1" (2)
/о с с- с Я3+1 Я3
Это значение намного превышает погрешность 10~13 бортового стандарта частоты уже существующих ГНСС, что показывает принципиальную техническую возможность реализации радиофизического метода измерения значения ускорения силы тяжести.
Однако необходимо отметить, что соотношение (2) непригодно для практического использования в части определения значения силы тяжести по гравитационному смещению частоты, поскольку оно не учитывает пространственного профиля гравитационного потенциала (ускорения силы тяжести). В этом плане более приемлемым может быть следующее соотношение [27]:
Л с- (3)
где Ди = gДR, при измерениях в одной точке.
Приравнивая значения и из соотношения (2) и (3), получаем:
]М = -—
Я _ _ ]М
^ утМ
^ = mg = ——
я-
Очевидно, что в соотношении (2) для определения значения гравитационного потенциала использовали уравнение закона всемирного тяготения Ньютона, что, безусловно, очень удобно, однако неверно для случая измерения относительно КА, который вращается по круговой орбите на высоте 20000 км. В этом случае более предпочтительным является использование третьего закона Ньютона применительно к движению тел в земном поле тяготения [28]
т¥2
Д:,
= mg
и = \2 = §К (4)
подставляя соотношение (4) в (3) получаем:
¥ _ ио -К.
/о с2
о
8 = -
/о ¥
/о
Н0
(5)
(6)
(7)
где У,, - орбитальная скорость КА ГНСС
* " - гравитационное смещение частоты ГНСС Н0 - высота точки измерений. Однако необходимо также учитывать, что при движении фотона поперёк линий напряжённости гравитационного поля, релятивистская масса фотона характеризуется вдвое большей величиной 21п'/с2. по сравнению с массой фотона 11у/с~ при движении вдоль линий напряжённости [29], что определяет необходимость проведения эксперимента при условии нахождения КА ГНСС в надире под точкой измерения.
Определяя в точке измерений координаты и гравитационное смещение частоты и зная параметры орбиты и скорости КА ГНСС мы можем определить значение ускорения силы тяжести в любой точке измерений. Такой метод определения значения ускорения силы тяжести будет реализован в рамках проекта НТЦУ № 3856 [30].
Очевидно, что соотношение (5) в случае измерения значения ускорения силы тяжести на борту КА [8] будет иметь вид:
/о (8)
В случае проведения измерения на поверхности Земли соотношение (5) примет
Я
/о с'
Эта формула соответствует соотношению, полученному в ходе эксперимента Паунда-Ребки в 1926 году, за который была присуждена Нобелевская премия [26].
ГРАВИТАЦИОННОЕ СМЕЩЕНИЕ И ЭФФЕКТ ХАББЛА
Особенно удобно использовать соотношение (8) для определения гравитационного смещения частоты в пределах космических систем, в частности солнечной. Результаты таких вычислений представлены в таблице 1.
Таблица 1
Относительное гравитационное смещение излучения планет Солнечной системы относительно Земли
Параметры Я, 106 км Уорб, км/с № г,. ю-10
Планеты
Меркурий 58 48,8 -165,9
Венера 108 35,0 -37,4
Земля 149 29,8
Марс 227,9 24,2 33,6
Юпитер 778,4 13,06 79,8
Сатурн 1429,4 9,46 88,72
Уран 287 6,81 93,51
Нептун 4498 5,432 95,39
Плутон 5906,4 4,666 96,25
Отсюда возникает законный вопрос:
- Как отличить в этом случае гравитационное смещение от хаббловского? При этом нужно учитывать, что Хаббл открыл эффект красного смещения в 1924 году, а Паунд открыл гравитационное смещение в 1960 году и они оба получили Нобелевские премии.
Очевидно, что Хаббл никак не мог учитывать гравитационное смешение частоты, и, следовательно, в хаббл обском смешении, как минимум, присутствует часть гравитационного смещения |9].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Практическое использование эффекта гравитационного смещения частоты с целью мониторинга гравитационного поля Земли позволяет обеспечить прогноз сейсмической активности, геологическую разведку. изменение эпидемиологической обстановки и др. [31. 32].
Список литературы
1 Загальнадержавна (нацпжалыт t косм^чна программа Украши. Короткий 3BÍT.
2. Ashby N.. Relativity in the Global Positioning System // Living Rev, Relativity, - 2003. - № 6, -45 p,
1ШЕ;. ■' ww IV. 1 i vinare vi em. orfyArticles/V ol ume6/2003-1 ashbv. % Calonico D._ Cilia A.. Bendea I, H.. Levi F.. Lorini L and Godone A.. Gravi tali o nal redsluíl at ¡NRIM. Metrología. - 44 Í2007}. L44 L4Ç
4. Матвиенко C.A. и др., Дистанционное зондирование Земли по геофизическим параметрам с использованием КС «Сич-IM».Сборник докладов Второй всероссийской научной конфепешши «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами», том 2. - Сан юг-Петербург, 2004. - С. 20-24.
5. Матвиенко С.А. и др., Измерение гравитационного поля Земли с помощью геофизического мшфоепутника. Современные проблемы ДЗЗ из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. Сборник научных статей. Том i. - 2005. - С. 196-199.
6. Матвиенко C A. и др.. Космические исследования территории Украины на основе геофизически® параметров и использования космических систем «Cin-IM» и «Микроспугник»». Космическая наука и технология. .Y«ó(>. 2003. С 174-179.
7. Matvienko SA. and others. Geophysical Parameters-based Space Systems oí ïiarth Remote Diagnosis. Proceeding of the Second IEEE International Workship ¡DAACS-2003. ■ P. 4] 8.
8. Макаров О Л, MamiriiKo С.А., Мелешко O.ß , Андросов M.A., CriociG визначення параметр! в грзвпашйного поля. Заявка на винахщ. - Реестр. К» а2006 01752 вш 20.02.2006. Украша, ШЖ 7: G01V 7/16. Зая&ник: ДКБ «Швденне>> ím. M.K. Янгеля, Дншропетровськ.
9. Матвиенко С.А. и др. Использование космической навигационной системы для геофизических исследований. Современные проблемы ДЗЗ из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. Сборник научных статей. Том i. - 2005, - С.61-66
10. Матвиенко С.А. и др., Проектирование системы мониторинга гравитационного поля Земли с использованием EGNOS. Сборник статей ДНУ.
11. Матвиенко С.А., Прокопов A.B., Радиофизические эффекты при распространении сигналов глобальных навигационных спутниковых систем и их влияние на точность измерений 1} Украшський метролог!чний журнал. - 2006. - №4. - С. 6-12
12. Матвиенко С.А., Прокопов A.B.. Радиофизические эффекты при распространении сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) И Hay ко bi npaui Y-й М1жнародно1 Вауково-Texni 41101 конферешщ "Метролопя та втнрювальна те.чшка", Том 2. Хари в: Нащоналъний науковий центр "Гнститут метрологи'". - 10-12 жовтня 2006 року, - С. 155-156.
13. Матвиенко С,А, и др.. Использование ГНСС для экспериментальной проверки теории относШсльнОсти и определения ускорения силы тяжести по изменению частоты сигнала в гравитационном поле. Сучасные досягненя геодезической науки та виробництва. Ведомости НУ «Львовская политехника». Выпуск 1(13). -2007. --С. 84-87,
14. Матвиенко С,А, и др., Система измерения гравитационного поля Земли на базе навигационных спутниковых систем. Сборник статей ГП <КБ «Южное» (готовится к публикации).
15. Matvienko S.A., Global monitoring oí" Earth gravitational field utilizing space navigation systems. Proceedings of the 31st International Symposium on Remote Sensing of Environment. 2005.
16. Ма (viento Щ.А. and others, Relativistic effects in the Global Positioning System. Acta Astronáutica (готовится к публикации).
17. Матвиенко С,А, и др., Глобальный мониторинг гравитационного поля Земли с использованием гравитационных спутниковых систем. Сборник докладов 58-го Международного конгресса гю астронавтике. -- Хайдарабад. Индия, 2007,
18. Agarkov AV., G rigor ash I.V.. Matvinenko S.A.. Selivanov Yu.A.. Measurements of Earth gravitational field using geophysical micro satellite. 2nd Open All-Russia Conference "Current problems of Earth remote sensing from outer space". -- f 6. November, 2004.
19. Matvienko S.A., Geophysical parameters-based space system of Earth remote diagnosis proceedings of the 31 si International Symposium on Remote Sensing of Environment. -- 2005,
20. Agarkov A.V., Grigorash I.V., Matvinenko S.A., Meleshko A.V.. Geophysical miera satellite. 4th Ukrainian conference on promising space exploration trends. 12.09.04.
21. Grigorasb l.V. and Matvinenko S.A., Application of geophysical mcrüsatellfte for studies into seismic activity. VII International youth scientific and practical conference "Man and outer space". ■ ■ 13.04.05
22. Радионавигационная система, автор Матвиенко СЛ.-№а2005 12250 от 19.12.2005.
23. Matvienko S.A. Measurements of Earth Gravita liona I Field by Satellite Navigation Systems Thematic International Conference on Bio-, Nano- and Space Technologies; El.) A Science Centers Collaboration. - Ljubljana, Slovenia, - March 10-12. 2008,
24. Гофманн-Велленгоф Б., Jlixretierrep Г., Коллшз Д., Глобальна система ьизначення шецеположень (GPS). Teopia i практика. Пер. i англ. за ред. акад. НАНУ Яцгава Я.С. - Кшб. Наукова думка, 1996.
380 с.
25. Тартачинська 3,Р„ Визначення висот геоша i анома.ш Й сили ваги за даними еупушиково! альтиметри. Дисергащя на здобугтя наукового ступеня кандидата техшчних наук. НУ «Львовская политехиика ». Львов, 2001.
26. Эльясбсрг П.Е., Введение в теорию полёта ИСЗ - М.: Наука, 1965. 27 Савельев И. В„ Куре общей физики, т. 3 — М,: Наука, 1989. -527 с.
28. Кошкин Н.И.3 Швркевдч М.Г.. Справочник по адементярной физике. - М.; Наука, 1972,
29. Бутиков Е,Й и др., Фи шка для поступающих в ВУЗы - М.: Наука, 1991, - С. 529.
30. Проект ИЩУ № 3856. www.sicu int.
311 Матвиенко С.А.. Глобальный мониторинг гравитационного пола с целью выявления воздействия на психофизиологическое состояние человека. Доклад на VII международной крымской конференции «Космос и биос<]>ера». - Судак, 1-6.10,07, 32. Зорькин Л.М., К а рус Е.В., Кузнецов О.Л. и др. Явление парагенезиса субвергикальных зонально-кольцевых геофизических, геохимических и биохимических нолей в осадочном чехле. - Открытие от 24.07.80 № 234.
MamsieHKO СЛ. АналЬ можлнвост! ни корне тання ефекту i -рав1тацшного зеуву частота елекггромагштного впнромипонапия з метою мотторингу гравпац!¡inoro наш ievi.ri . Bneni записки Тавршського нацюналъного ушверситету 1м. В. Í. Вернадского, - 2008. - Сщяя «Географы». - Т. 21 (60).- № 1. -С. 81-86
У стати описаний аиалЬ можливост! BHMipy параметр1в rpaeiтщцйного ноля Земл1 з викориетанням ефекгу i pariiani иного зеуву частота електр' м:и iiinioio випромшювання. Ключаci слова: гравНащя. частота.
Matvienko S. Analysis of possibility of use of gravitational shift of electroin agnetic radiation frequency effect with the purpose of Earth's gravitational field monitoring // Uchenye zapiski Tavricheskogo Natsionalnoso Universiteta im. V.I. Vernadskogo - 2008. - Series «Geography». - V. 21 (60). - № I. P. 81-86
In this article described analysis of possibility of measurements of Earth's gravitational field parameters with Lite use of effect of gravitational shift of electromagnetic radiation frequency. Key words: gravitation, frequency
Поступила в редакцию 24.04.2008 г.
