Квантовый нивелир и сеть «Квантовый футшток». Возможности и проблемы реализации

В. Ф. Фатеев

ФГУП «ВНИИФТРИ», пос. Менделеево, Моск. обл., Россия

В 2015 г. на Пражской конференции IAG была принята специальная резолюция «Об определении и реализации международной системы отсчета высот» (IHRS). Согласно этой резолюции за опорную поверхность при определении высоты следует принять эквипотенциальную поверхность геоида и высоту любой точки на Земле отсчитывать относительно нее.

В новой системе определения высот измеряемой физической величиной является разность гравитационных потенциалов. Согласно общей теории относительности, физическими эффектами, непосредственно связанными с разностью гравитационных потенциалов, являются эффекты гравитационного смещения частоты и гравитационного замедления (смещения) времени. Эти эффекты в настоящее время измеряются с помощью высокостабильных стандартов частоты и времени (СЧВ). В свою очередь, разность потенциалов в первом приближении линейно связана с разностью ортометрических высот геоида и исследуемой точки через значение ускорения свободного падения. В системе GGOS установлено требование измерения разности потенциалов с погрешностью на уровне 10^-2 м²/с². Для достижения такой точности необходимы СЧВ с относительной нестабильностью 10^-19. При этом условии разность ортометрических высот точек на поверхности Земли определяется с эквивалентной погрешностью 1 мм.

Комплекс средств, необходимых для измерения разности гравитационных потенциалов и соответствующей разности ортометрических высот включает два разнесенных СЧВ и систему их синхронизации [1]. Такой комплекс можно назвать квантовым нивелиром. По сравнению с классическим нивелиром его погрешность слабо зависит от расстояния между исследуемыми точками, и на нем, в зависимости от возможностей системы синхронизации, можно выполнять глобальные измерения. Синхронизация может выполняться с использованием сигналов ГНСС, РСДБ, а также с помощью ВОЛС.

Во ФГУП «ВНИИФТРИ» созданы два макета квантового нивелира, созданные на основе перебазируемых квантовых водородных часов с нестабильностью 1×10^-15 и 4×10^-15 [2]. При этом успешно прошел испытания новый метод синхронизации, который назван «методом релятивистской синхронизации» [3]. Он основан на непрерывном вычислении релятивистских эффектов вдоль трассы движения, которое получают по результатам измерений текущих координат и скорости движения перевозимых квантовых часов с помощью приёмников ГЛОНАСС/GPS и последующей их компенсации. Ожидаемая погрешность метода при погрешностях современной навигационной аппаратуры потребителя ГНСС — единицы-десятки пикосекунд.

Кроме измерения разности ортометрических высот квантовый нивелир открывает ряд других возможностей:

1. Повышение точности транспортирования ШВ с помощью мобильных СЧВ. Метод экспериментально подтвержден при перемещении СЧВ на трассе «Москва — Иркутск».

2. Измерение уклонения отвесной линии.

3. Создание распределенной сети квантовых нивелиров для непрерывного мониторинга разности ортометрических высот (геопотенциальных чисел) между удаленными точками. Схема такой системы мониторинга включает в себя Центральный СЧВ, региональные СЧВ, мобильные СЧВ и различные системы синхронизации между ними. Центральный СЧВ с наивысшей стабильностью предлагается назвать «Квантовый футшток», по аналогии с Кронштадтским футштоком в системе классических нивелиров. Относительно Квантового футштока ведется отсчет изменений ортометрических высот во всей сети квантовых нивелиров. В системе GGOS по подобной схеме предполагается создавать Международную систему отсчета высот IHRF.

Рассмотрены различные схемы и проблемы реализации квантовых нивелиров и элементов сети Квантовый футшток, предъявлены требования к характеристикам СЧВ и распределенной сети их взаимных радио- и оптических измерений.

Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта номер 19-29-11023.

Литература

1. Фатеев В. Ф. Жариков А. И., Сысоев В. П. и др. Об измерении разности гравитационных потенциалов Земли с помощью перевозимых квантовых часов // ДАН. 2017. Т. 472, № 2.
2. Фатеев В. Ф., Рыбаков Е. А. Экспериментальная проверка квантового нивелира на мобильных квантовых часах // ДАН. Физика, технические науки. 2021. Т. 496, № 1. С. 41–44.
3. Фатеев В. Ф., Рыбаков Е. А., Смирнов Ф. Р. Метод релятивистской синхронизации мобильных атомных часов и его экспериментальная проверка // Письма в ЖТФ. 2017. Т. 43, № 10. С. 3–11.