This website works best with JavaScript enabled

image title

Ученые Физического института им. Лебедева и Московского государственного технического университета им. Баумана разработали сверхточные лазерные часы. Это устройство можно будет применить в GPS, ГЛОНАСС и аналогичных системах. Часы будут определять время в десять раз точнее уже существующих измерителей.

2018 tochnye chasy

Стандарт частоты и времени

От смены дня и ночи до маятников и квантовых систем – для измерения времени человек издавна пользовался разными периодическими процессами. Современные квантовые часы, они же – атомные и молекулярные, состоят из двух основных частей: генератора электромагнитных колебаний – маятника, и реперной спектральной линии – делителя, с помощью которого стабилизируется частота маятника. То есть, одно колебание маятника – это процесс, при котором он пересек реперную линию.

Каждую секунду в часах происходит строго определенное количество колебаний – их количество зависит от типа устройства. Их отмеряет специальный счетчик колебаний. Когда он фиксирует это определенное количество колебаний, он выдает импульс. Так отмеряется секунда. С 1967 года международная система единиц определяет одну секунду как время, за которое происходит 9 192 631 770 циклов таких колебаний.

Еще есть оптические часы. Они работают по тому же принципу, что и квантовые, только с помощью световой волны. Секунды отсчитывает лазерный маятник, который «тикает» в миллиард раз чаще, чем генератор самых точных квантовых часов. Благодаря этому оптические часы стабильнее и точнее квантовых.

Долгое время у оптических часов существовала серьезная проблема – их маятник так часто «тикал» (1014-1015 Гц), что эти колебания невозможно было отмерить. На рубеже XX и XXI веков эта проблема разрешилась: ученые создали специальный «делитель» – устройство, которое способно фиксировать и отмерять частоту периодических колебаний.

После этого лаборатории по всему миру – в США, Германии, Франции, Японии, Китае, Индии – активно занялись различными проектами, работа которых основывается на оптических часах и генераторах. От разработки стандарта частоты сегодня зависит точность навигации, геолокации, системы связи и транспорта, что означает огромный рывок в экономике.

«Дальнозоркая» навигация

Без квантовых часов немыслимы GPS и ГЛОНАСС. Системы телекоммуникации, телефоны, системы энергоснабжения, навигаторы – все они соединены сетью из квантовых часов, установленных по всему миру. Системы навигации помогают человеку определить свое местоположение за счет связи со спутниками. Сегодня на таких спутниках установлены квантовые часы, в которых в качестве генератора выступают атомы цезия или рубидия.

Впервые воспользоваться спутниками для определения навигации предложил советский профессор Шебшаевич в 1957 году. Другим советским ученым идея понравилась, они стали изучать такую возможность и проводить исследования. Спустя десять лет на орбиту вывели первый спутник «Космос-192» навигационной системы «Цикада», которая проработает до 2008 года, пока не войдет в ГЛОНАСС.

Систему ГЛОНАСС советские ученые начали разрабатывать в 1967 году. Руководителем и «отцом» этой навигационной системы стал контр-адмирал, начальник Научно-исследовательского навигационно-гидрографического института Министерства обороны Юрий Максюта.

Максюте и его команде ученых предстояло решить проблемы, которые были выявлены при запуске «Цикады». Первая из них касалась шкалы времени на спутниках, которая должна была определять миллиардные доли секунд – наносекунды. Эту проблему разрешили – на спутнике установили часы с атомами цезия, которые стали работать точнее.

Второй вопрос – четкое определение и прогнозирование параметров орбит навигационных спутников – решали долго. Проводили научные работы, изучали множество второстепенных факторов – неравномерность вращения Земли, движение ее полюсов и так далее. Но и эта проблему в итоге решили.

В 1978 году Максюту уволили в запас. К тому моменту не начались даже летные испытания навигационной системы – сроки постоянно сдвигали. Первый спутник – «Ураган» – в тестовом режиме запустили на орбиту только в 1982 году. Постепенно стали выводить другие спутники. К 1991 году в космосе их было двенадцать. В 1993 году систему ГЛОНАСС официально приняли в эксплуатацию. Ее «отец» Юрий Максюта этого момента не застал – он умер двумя годами ранее.

Как определяется геолокация? Пользователь жмет на GPS-приемнике на кнопку «Определить местоположение». Приемник отправляет сигнал в космос, ему отвечают несколько разных спутников. Они сообщают собственные координаты и текущее время на своих часах – эти данные у каждого спутника уникальны. Затем GPS-приемник анализирует эти данные: он определяет свое местоположение относительно положения спутников, вычисляет разницу времени на Земле и в космосе, а затем определяет скорость передачи радиоволн от каждого спутника к приемнику. И после этих вычислений приемник показывает точку на карте, в которой он находится. Все, местоположение установлено.

Таким образом каждый человек может прокладывать маршруты и находить себя в пространстве в режиме реального времени. И чем точнее работают часы на спутниках, тем точнее определяется геопозиция.

Скорость распространения сигналов спутника равна скорости света. Поэтому ошибка в одну секунду дает погрешность в 300 тыс. км. Для того чтобы погрешность была не более 30 метров, точность хода и синхронизации всех часов, входящих, например, в систему ГЛОНАСС, должна составлять одну наносекунду (10-9 секунд) – нормой, которую в прошлом веке установила группа Юрия Максюты, пользуются до сих пор.

Сейчас погрешность рубидиевых часов составляет около 10-14 секунд. Это значит, что на одну секунду они ошиблись бы один раз в три миллиона лет, если бы прибор смог проработать так долго. Обычных рубидиевых часов достаточно для нормальной работы простых геолокационных систем. Но чтобы геолокация определялась с точностью в три сантиметра, погрешность часов не должна быть больше 10-15 секунд. А эталонные часы, по которым вычисляется время на Земле, должны работать еще точнее.

Время повышенной точности

Лазерные часы, которые разработали ученые Физического института им. Лебедева (ФИАН) и Московского государственного технического университета им. Баумана, могут измерять время, а вместе с ним и определять геолокацию, гораздо точнее.

Их кратковременная стабильность – интервал «тиканья» генератора – превосходит лучшие маятники с самой разной частотой колебаний. Эти часы измеряют время на порядок точнее – до 10–15 секунд. Это возможно благодаря «оптическому маятнику» – лазерному генератору, который отличается высокой частотой колебаний и ее стабильностью. За то, что эта разработка лучше других часов измеряет короткие интервалы времени, она получила второе название – «оптический секундомер».

Новые часы более компактные и надежные в сравнении с уже существующими аналогами. Делитель частоты – реперная линия – в разработанных часах представляет собой компактный лазер, который по своим характеристикам не уступает зарубежным аналогам, объяснил автор разработки, заведующий лабораторией стандартов частоты ФИАН Михаил Губин.

«При соответствующем финансировании разработка может быть превращена в весьма полезный прибор. Высокоточные измерения, полученные оптическими часами, могут быть полезны для многих целей. Например, при глобальном дистанционном зондировании земной атмосферы, для изучения космических гравитационных волн, для высокоточных измерений длины в геофизике и геодинамике, в частности, для мониторинга движения континентов», – рассказал Михаил Губин.

В скором времени эти лазерные часы смогут улучшить точность работы ГЛОНАСС на суше, в море, в воздухе и космических объектах, находящихся на расстоянии до двух тыс. километров над поверхностью Земли. Увеличение точности спутниковых систем навигации даст толчок разработкам в области беспилотного транспорта. Финансирование проекта, который рассчитан на три года, суммарно составит около 18 млн рублей. А ученые уже проводят новые исследования лазера и обещают, что будущая разработка повысит стабильность частоты оптических часов еще на два порядка.

 

 

 

Автор: Татьяна Кучинская

По материалам: https://www.lebedev.ru/ru/

Фото: pixabay.com

 

#fc3424 #5835a1 #1975f2 #2fc86b #f_syc9 #eef77 #020614063440