RU2754098C1 - Laser space gravity gradiometer - Google Patents
Laser space gravity gradiometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2754098C1 RU2754098C1 RU2021102273A RU2021102273A RU2754098C1 RU 2754098 C1 RU2754098 C1 RU 2754098C1 RU 2021102273 A RU2021102273 A RU 2021102273A RU 2021102273 A RU2021102273 A RU 2021102273A RU 2754098 C1 RU2754098 C1 RU 2754098C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- spacecraft
- test masses
- test
- masses
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
- G01V7/00—Measuring gravitational fields or waves; Gravimetric prospecting or detecting
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Geophysics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения гравитационного градиента на борту космических аппаратов и может быть использовано, в частности, в геологии для глобального поиска и определения запасов полезных ископаемых, в геодезии для уточнения глобальной и локальной моделей гравитационного поля Земли (ГПЗ) и других планет, для мониторинга временных вариаций гравитационного поля, а также в навигации по ГПЗ для подготовки глобальных навигационных гравиметрических карт.The invention relates to measuring equipment, is intended to measure the gravitational gradient on board spacecraft and can be used, in particular, in geology for the global search and determination of mineral reserves, in geodesy to clarify the global and local models of the Earth's gravitational field (GPF) and others planets, for monitoring temporal variations of the gravitational field, as well as in the navigation through the GPZ for the preparation of global navigation gravity maps.
Известен лазерный баллистический гравиметр (RU 2475786 С2), который может быть использован на борту космического аппарата для измерения гравитационного градиента. Он основан на использовании одного пробного тела, свободно падающего в гравитационном поле Земли. Ускорение свободного падения определяется по результатам измерения расстояния, пройденного свободно падающим пробным телом за известный промежуток времени, отсчитываемый измерителем интервалов времени. Пройденное расстояние определяется с помощью лазерного интерферометра путем счета количества интерференционных полос, прошедших перед фотоприемником интерферометра. При этом каждая полоса соответствует перемещению пробного тела на половину длины волны лазерного излучения. Импульсы с фотоприемника, соответствующие прохождению каждой полосы, а также результаты измерений соответствующих им интервалов времени с измерителя интервалов времени, поступают на вычислительную систему, определяющую значение ускорения свободного падения.Known laser ballistic gravimeter (RU 2475786 C2), which can be used on board a spacecraft to measure the gravitational gradient. It is based on the use of one test body freely falling in the Earth's gravitational field. The free fall acceleration is determined from the results of measuring the distance traveled by a freely falling test body for a known period of time, counted by a time interval meter. The distance traveled is determined using a laser interferometer by counting the number of interference fringes that have passed in front of the interferometer's photodetector. In this case, each strip corresponds to the movement of the test body by half the wavelength of the laser radiation. The pulses from the photodetector corresponding to the passage of each strip, as well as the results of measurements of the corresponding time intervals from the time interval meter, are fed to the computer system, which determines the value of the gravitational acceleration.
Устройство-аналог при измерении гравитационного градиента в космосе на борту КА имеют низкую точность, поскольку в невесомости ускорение свободного падения пробной массы примерно в 106 раз меньше, чем на Земле, а на КА, одновременно с гравитационным полем, дополнительно воздействует плохо прогнозируемая сила сопротивления остаточной атмосферы. В частности, при высоте орбиты КА 500 км остаточное гравитационное ускорение, вызванное горизонтальным градиентом гравитационного поля Земли Wxx=1210Е, на расстоянии 1 м от центра масс КА составляет 1,2⋅10-6 м/с2. Среднее значение горизонтальной составляющей ускорения атмосферного сопротивления, вызванного влиянием на КА остаточной атмосферы, имеет для КА средних размеров соизмеримую величину - 10-5-10-6 м/с2, причем на разных участках орбиты, в зависимости от влияния Солнца, эта величина изменяется на 20-30%. Это ограничивает точность определения истинного значения градиента, а также его аномалий вдоль орбиты. При размещении оси прибора вдоль других координатных осей КА проявляется трудно контролируемое воздействие солнечного давления, альбедо Земли и др., что также снижает точность определения градиента.An analog device for measuring the gravitational gradient in space on board the spacecraft has low accuracy, since in zero gravity the free fall acceleration of the test mass is about 10 6 times less than on Earth, and the spacecraft, simultaneously with the gravitational field, is additionally affected by a poorly predicted drag force residual atmosphere. In particular, at a spacecraft orbit altitude of 500 km, the residual gravitational acceleration caused by the horizontal gradient of the Earth's gravitational field W xx = 1210E at a distance of 1 m from the spacecraft's center of mass is 1.2⋅10 -6 m / s 2 . The average value of the horizontal component of the atmospheric drag acceleration caused by the influence of the residual atmosphere on the spacecraft has a comparable value for a spacecraft of medium size - 10 -5 -10 -6 m / s 2 , and in different parts of the orbit, depending on the influence of the Sun, this value changes by 20-30%. This limits the accuracy of determining the true value of the gradient, as well as its anomalies along the orbit. When the instrument axis is placed along other coordinate axes of the spacecraft, it is difficult to control the effect of solar pressure, the Earth's albedo, etc., which also reduces the accuracy of determining the gradient.
Известен гравитационный градиентометр (патент US 3693451), который может быть использован на борту космического аппарата (КА) для измерения градиента гравитационного поля Земли (ГПЗ). Схема прототипа включает следующие элементы (фиг. 1):Known gravitational gradiometer (patent US 3693451), which can be used on board a spacecraft (SC) to measure the gradient of the Earth's gravitational field (GPF). The prototype diagram includes the following elements (Fig. 1):
1 - первая пробная масса;1 - the first trial weight;
2 - вторая пробная масса;2 - second trial weight;
3 - лазер;3 - laser;
4 - светоделитель;4 - beam splitter;
5 - уголковый отражатель (ретрорефлектор) с нижней и верхней светопропускающими гранями;5 - corner reflector (retroreflector) with lower and upper light-transmitting edges;
6 - уголковый отражатель (ретрорефлектор) с нижней светопропускающей гранью;6 - corner reflector (retroreflector) with a lower light-transmitting edge;
7, 8 - светопропускающие каналы, проходящие через центры пробных масс 1 и 2;7, 8 - light-transmitting channels passing through the centers of
9 - лазерный луч;9 - laser beam;
10 - фотоприемник;10 - photodetector;
11 - измеритель;11 - meter;
12 - вычислитель;12 - calculator;
ЦМ КА - центр масс космического аппарата;CM KA - the center of mass of the spacecraft;
OXKA, OYKA, OZKA - оси бортовой системы координат КА;OX KA , OY KA , OZ KA - axes of the spacecraft onboard coordinate system;
OXe, OYe, OZe - оси геоцентрической прямоугольной системы координат.OXe, OYe, OZe - axes of the geocentric rectangular coordinate system.
Устройство гравитационный градиентометр (прототип) основан на использовании двух пробных тел 1 и 2, размещенных на расстоянии L друг от друга, соединенных лазерным интерферометром, который включает: лазер 3, светоделитель 4, уголковые отражатели 5 и 6 в центре масс пробных тел 1 и 2, встроенные в пробные массы 1 и 2 светопропускающие каналы 7 и 8; лазерный луч 9, соединяющий уголковые отражатели 5 и 6, а также фотоприемник 10. Измерительная ось прототипа совпадает с направлением лазерного луча 9. К фотоприемнику 10 подключен измеритель 11, который предназначен для измерения количества интерференционных полос, прошедших на вход фотоприемника 10, а также для измерения временных интервалов, соответствующих проходу каждой интерференционной полосы. К выходу измерителя И подключен вычислитель 12.The device is a gravity gradiometer (prototype) based on the use of two
Принцип действия гравитационного градиентометра-прототипа на борту КА состоит в следующем. Две пробные массы 1 и 2 выстраиваются светопропускающими каналами 7 и 8 вдоль измерительной оси, а затем приводятся в состояние свободного движения. Вследствие разности вертикальных гравитационных ускорений g1, g2, соответствующим центрам пробных масс, а также вследствие центробежного ускорения они начинают удаляться друг от друга. При этом расстояние, на которое разбегаются две массы за известный промежуток времени, пропорционально гравитационному градиенту. Задача состоит в измерении приращения расстояния между свободно падающими пробными массами за известный промежуток времени. Для этого предназначен лазерный интерферометр, который работает следующим образом. От лазера 3 световой луч направляется на светоделитель 4, отразившись от которого попадает на полупрозрачный уголковый отражатель (ретрорефлектор) 5. Часть луча (обычно около 50%) от ретрорефлектора 5 отражается обратно на светоделитель 4, другая часть луча 9 (около 50%) - проходит на уголковый отражатель 6, отражается от него и через ретрорефлектор 5 направляется обратно на светоделитель 4. Проходя через светоделитель 4, оба возвратившихся луча интерферируют на плоскости фотоприемника 10, образуя бегущую интерференционную картину в виде последовательности светлых и темных интерференционных полос. Каждая полоса соответствует полуволновой разности хода двух интерферирующих лучей. На выходе фотоприемника формируется последовательность электрических импульсов, соответствующих началу и концу каждой полуволновой полосы, а количество импульсов определяет искомое приращение расстояния в конце свободного движения масс.The principle of operation of the prototype gravitational gradiometer on board the spacecraft is as follows. Two
Оценим погрешность прототипа при использовании традиционного метода счета количества интерференционных полос на интервале движения пробных масс. Для этого определим приращение расстояния между массами, вызванное воздействием искомого градиента. Дня этого условимся (фиг. 1), что ось ОХКА бортовой системы координат КА направлена по касательной к орбите КА по вектору его орбитальной скорости, ось OYKA - по нормали к плоскости орбиты. При этом вертикальная по отношению к Земле ось OZKA бортовой системы координат КА постоянно направлена по вертикали по направлению от Земли. По этой причине КА и его система координат вращаются на орбите вокруг оси OYKA с угловой скоростью обращения по орбите Ωy. Разместим измерительную ось 9 лазерного интерферометра прототипа (фиг. 1) так, чтобы она совпадала с осью OZKA, а центр масс КА размещался на измерительной оси прибора между пробными массами.Let us estimate the error of the prototype when using the traditional method of counting the number of interference fringes in the interval of motion of the test masses. To do this, we determine the increment in the distance between the masses caused by the action of the desired gradient. On this day, we will agree (Fig. 1) that the OX axis of the spacecraft of the spacecraft onboard coordinate system is directed tangentially to the spacecraft orbit along the vector of its orbital velocity, the OY KA axis - along the normal to the orbital plane. In this case, the vertical axis OZ KA with respect to the Earth of the spacecraft onboard coordinate system is constantly directed vertically away from the Earth. For this reason, the spacecraft and its coordinate system rotate in orbit around the OY KA axis with the orbital angular velocity Ω y . We will place the
Разность гравитационных и центробежных ускорений между точками размещения уголковых отражателей 5 и 6, соответственно g1, g2, на расстоянии L представим в виде:The difference of gravitational and centrifugal accelerations between the points of placement of
где - вертикальный гравитационный градиент ГПЗ.where - vertical gravity gradient of the GPZ.
Приращение расстояния ΔL между пробными массами при их ускоренном свободном «разбегании» на интервале времени Δt составит (начальной скоростью «разбегания» пренебрегаем):The increment in the distance ΔL between the test masses with their accelerated free "runaway" in the time interval Δt will be (we neglect the initial speed of "runaway"):
Интерферометр за счет использования прямого и обратного лучей измеряет удвоенное приращение этого расстояния, которое можно представим в двух формах:The interferometer, through the use of forward and backward beams, measures twice the increment of this distance, which can be represented in two forms:
где nизм - измеряемое количество полуволновых интерференционных полос в интерферометре; nG, nΩ - количество полос, соответствующее влиянию градиента и вращения;where n meas - the measured number of half-wave interference fringes in the interferometer; n G , n Ω - the number of stripes corresponding to the influence of the gradient and rotation;
- приращение расстояния, вызванное влиянием гравитационного градиента;- distance increment caused by the influence of the gravitational gradient;
- приращение расстояния, вызванное влиянием центробежных сил при вращении системы координат.- distance increment caused by the influence of centrifugal forces during the rotation of the coordinate system.
Известно, что для круговой орбиты угловая скорость системы координат с высокой точностью определяется геоцентрической гравитационной постоянной μe и текущим радиус-вектором КА ρKA в виде формулы: . Поэтому из (5) находим:It is known that for a circular orbit the angular velocity of the coordinate system is determined with high accuracy by the geocentric gravitational constant μ e and the current spacecraft radius vector ρ KA in the form of the formula: ... Therefore, from (5) we find:
Эта величина рассчитывается по текущим параметрам орбиты КА с относительной погрешностью 10-7-10-8.This value is calculated using the current parameters of the spacecraft orbit with a relative error of 10 -7 -10 -8 .
Далее из (3) с использованием (4)-(6) находим:Further, from (3) using (4) - (6) we find:
откуда следует искомый результат:whence the desired result follows:
Отсюда путем дифференцирования находим ошибку определения градиента:From here, by differentiation, we find the error in determining the gradient:
где δnизм - ошибка счета количества полос.where δn meas is the error in counting the number of strips.
Оценку количества интерференционных полос, соответствующих влиянию градиента Gzz в соответствии с формулой (7) и определение погрешности определения градиента проведем при следующих исходных данных:The estimation of the number of interference fringes corresponding to the influence of the gradient G zz in accordance with formula (7) and the determination of the error in determining the gradient will be carried out with the following initial data:
1) Δt=5 с. Этот выбор объясняется тем, что при измерении градиента с помощью прототипа на поверхности Земли время падения при разности высот падения пробных масс около 1 м составляет t21≈0,45 с. За это время изменение положения уголковых отражателей в свободном полете на Земле не выходит за допустимые пределы. При применении прототипа в состоянии невесомости это время необходимо увеличить, но не более, чем в 10 раз, иначе нестабильное положение отражателей внесет неконтролируемые ошибки;1) Δt = 5 s. This choice is explained by the fact that when measuring the gradient using a prototype on the Earth's surface, the fall time with a difference in the heights of the fall of the test masses of about 1 m is t 21 ≈0.45 s. During this time, the change in the position of the corner reflectors in free flight on Earth does not go beyond the permissible limits. When using the prototype in a state of zero gravity, this time must be increased, but no more than 10 times, otherwise the unstable position of the reflectors will introduce uncontrollable errors;
2) λ=0,63 мкм (гелий-неоновый лазер); L=1 м (как в прототипе);2) λ = 0.63 μm (helium-neon laser); L = 1 m (as in the prototype);
3) Gzz ≈ 2660 Е=2,66⋅10-6 с-2, 1Е=1Этвеш=10-9 с-2, что соответствует высоте круговой орбиты КА 300 км.3) G zz ≈ 2660 Е = 2.66⋅10 -6 s -2 , 1Е = 1Eotvos = 10 -9 s -2 , which corresponds to an altitude of the spacecraft's circular orbit of 300 km.
В результате имеем nG=211, а при δn=1 погрешность составит 12,6 Этвеш.As a result, we have n G = 211, and at δn = 1 the error is 12.6 Eotvos.
Такая точность измерений при решении задачи уточнения параметров ГПЗ из космоса неприемлема.Such measurement accuracy when solving the problem of refining the parameters of the GPZ from space is unacceptable.
В целом, недостатки прототипа при размещении его в космосе состоят в следующем:In general, the disadvantages of the prototype when placed in space are as follows:
- низкая точность измерений, что, в частности, объясняется отсутствием средств калибровки прибора во время космического полета, а также отсутствием стабилизации пробных масс, что ограничивает время их свободного полета и, как следствие, точность измерений;- low accuracy of measurements, which, in particular, is explained by the lack of means for calibrating the device during space flight, as well as the lack of stabilization of test masses, which limits the time of their free flight and, as a consequence, the accuracy of measurements;
- невозможность размещения прибора вблизи центра масс КА, если там размещаются другие устройства, например, баки с горючим, двигательные установки и др.;- impossibility of placing the device near the center of mass of the spacecraft if other devices are located there, for example, fuel tanks, propulsion systems, etc .;
- невозможность одновременного измерения других составляющих градиентного тензора ГПЗ.- impossibility of simultaneous measurement of other components of the GPZ gradient tensor.
Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является обеспечение измерений одновременно трех составляющих гравитационного градиента на борту КА, повышение точности измерений за счет повышения точности измерения параметров сигнала на выходе фотоприемника, за счет повышения степени стабилизации отражателей лазерного луча и увеличения длины пути рабочего лазерного луча, а также полетной калибровки прибора за счет введения в состав прибора специальной калибровочной массы. Кроме того, обеспечивается возможность обхода препятствий для измерительного лазерного луча вблизи центра масс КА, что облегчает размещение прибора на борту КА сложной конструкции.The technical result obtained from the implementation of the invention is to provide simultaneous measurements of three components of the gravitational gradient on board the spacecraft, increase the measurement accuracy by increasing the accuracy of measuring the signal parameters at the output of the photodetector, by increasing the degree of stabilization of the laser beam reflectors and increasing the path length of the working laser beam, as well as flight calibration of the device by introducing a special calibration mass into the device. In addition, it is possible to bypass obstacles for the measuring laser beam near the center of mass of the spacecraft, which facilitates the placement of the device on board a spacecraft of complex design.
Сущность изобретения поясняется фиг. 2, где обозначено:The essence of the invention is illustrated in FIG. 2, where it is indicated:
(1x,2x); (1y,2y); (1z,2z) - пробные (чувствительные) массы градиентометров, расположенные на осях орбитальной системы координат КА;(1x, 2x); (1y, 2y); (1z, 2z) - test (sensitive) masses of gradiometers located on the axes of the orbital coordinate system of the spacecraft;
3х, 3у, 3z - устройства записи и арретирования пробных масс;3x, 3u, 3z - devices for recording and arresting test masses;
4х, 4у, 4z - калибровочные массы, расположенные на осях орбитальной системы координат КА;4х, 4у, 4z - calibration masses located on the axes of the orbital coordinate system of the spacecraft;
5х, 5у, 5z - лазерные интерферометры;5x, 5y, 5z - laser interferometers;
6 - бортовой источник высокостабильных счетных импульсов;6 - onboard source of highly stable counting pulses;
7 - вычислитель.7 - calculator.
По сравнению с прототипом в предлагаемое устройство дополнительно введены еще два измерителя градиента, ориентированные по осям ОХ и 0Y орбитальной системы координат КА, устройства запуска в свободный полет и арретирования пробных масс 3, калибровочные массы 4, а также бортовой источник высокостабильных счетных импульсов 6 для повышения точности измерений.In comparison with the prototype, the proposed device additionally includes two more gradient meters oriented along the OX and 0Y axes of the spacecraft orbital coordinate system, devices for launching into free flight and locking
Для пояснения сущности изобретения условимся, что ось ОХКА бортовой орбитальной системы координат КА OXYZ направлена по касательной к орбите КА по вектору его орбитальной скорости, ось OYKA - по нормали к плоскости орбиты. При этом вертикальная по отношению к Земле ось OZKA бортовой системы координат КА постоянно направлена по вертикали по направлению от Земли. По этой причине КА и его орбитальная система координат вращаются на орбите вокруг оси OYKA с угловой скоростью обращения по орбите Ωy.To clarify the essence of the invention, let us agree that the OX axis of the spacecraft of the onboard orbital coordinate system of the spacecraft OXYZ is directed tangentially to the spacecraft orbit along the vector of its orbital velocity, the axis OY KA is directed along the normal to the orbital plane. In this case, the vertical axis OZ KA with respect to the Earth of the spacecraft onboard coordinate system is constantly directed vertically away from the Earth. For this reason, the spacecraft and its orbital coordinate system rotate in orbit around the OY KA axis with the orbital angular velocity Ω y .
Вдоль каждой оси орбитальной системы координат располагаются измерители гравитационного градиента (они помечены соответствующими индексами), в состав каждого из которых входят пробные массы 1xyz и 2xyz, располагаемые на исходном расстоянии Lxyz, арретиры масс 3xyz, калибровочные массы 4xyz, а также лазерные интерферометры 5xyz. Пробные массы приводятся в состояние свободного движения по соответствующим осям и возвращаются через заданный интервал времени в исходное состояние с помощью арретиров 3. Пробные (чувствительные) массы, приведенные арретирами 3 в состояние свободного движения, вследствие действия гравитационных градиентов ГПЗ начинают сближаться (или удаляться) вдоль соответствующей оси относительно исходного состояния. Как известно, чувствительные массы, размещенные на оси OZ, удаляются от центра масс КА с ускорением, пропорциональным расстоянию от центра масс. Чувствительные массы, размещенные на двух других осях - сближаются с ускорением, также пропорциональным расстоянию от центра.Along each axis of the orbital coordinate system, there are gravitational gradient meters (they are marked with appropriate indices), each of which includes
Пропорциональное гравитационному градиенту приращение расстояния (положительное или отрицательное) измеряется с помощью лазерных интерферометров 5, на вход которых подаются счетные импульсы от источника высокостабильных счетных импульсов 6. Результаты измерений градиентов Gxx, Gyy, Gzz по всем трем осям подаются в вычислитель 7, где ведется проверка соответствия результатов трех текущих измерений соотношению Лапласа: Gxx+Gyy=0.The distance increment proportional to the gravitational gradient (positive or negative) is measured using
Применение калибровочных масс 4 состоит в создании дополнительного калибровочного гравитационного градиента, который на некотором промежутке времени перемещает пробные массы прибора относительно друг друга на калиброванное расстояние. В частности, калиброванная масса из вольфрам-рениевого сплава размером 10x10x10 см имеет массу 19,3 кг. Центр калибровочной массы отстоит от граней на 5 см. Легко подсчитать, что при сближении с пробной массой такой же конструкции при расстоянии 10-11 см между их центрами создается гравитационное поле с ускорением около 1,3⋅10-7 м/с2. Создаваемый градиент на базе около 1 м составит 130 Этвеш, что соизмеримо с градиентом аномального ГПЗ.The use of
В качестве высокостабильного источника счетных импульсов могут использоваться либо кварцевые малогабаритные стандарты частоты с относительной нестабильностью не хуже 10-11, либо созданные в последние годы малогабаритные рубидиевые стандарты частоты типа «КСЧ КПН» - на эффекте так называемого когерентного пленения населенностей - КСЧ КПН [1]. Относительная нестабильность его не превышает 10-11-10-12, объем 60 см3 (5x4x3 см), потребляемая мощность 300 мВт. По некоторым показателям он превосходит зарубежные аналоги.As a highly stable source of counting pulses, either quartz small-sized frequency standards with a relative instability of at least 10 -11 can be used, or small-sized rubidium frequency standards of the "KSCh CPN" type, created in recent years, based on the effect of the so-called coherent population trapping - KSCh CPT [1] ... Its relative instability does not exceed 10 -11 -10 -12 , volume 60 cm 3 (5x4x3 cm), power consumption 300 mW. According to some indicators, it surpasses foreign counterparts.
Сущность каждого из трех идентичных измерителей гравитационного градиента вдоль соответствующих координатных осей приведена на фиг. 3, где обозначено:The essence of each of the three identical meters of the gravitational gradient along the corresponding coordinate axes is shown in Fig. 3, where it is indicated:
1, 2 - пробные (чувствительные) массы;1, 2 - test (sensitive) masses;
31, 32 - арретиры пробных масс;3 1 , 3 2 - test masses cages;
4 - калиброванная масса MZ;4 - calibrated mass M Z ;
5Z - лазерный интерферометр;5 Z - laser interferometer;
6 - источник измерительных импульсов (фиг. 2);6 - source of measuring pulses (Fig. 2);
7 - вычислитель (фиг. 2);7 - calculator (Fig. 2);
8, 9 - светопроводящие каналы;8, 9 - light guide channels;
10, 11 - гироскопические стабилизаторы положения;10, 11 - gyroscopic position stabilizers;
12, 13 - световозвращатели на пробной массе 1;12, 13 - reflectors on a
14, 15 - световозвращатели на пробной массе 2;14, 15 - reflectors on
16 - лазер;16 - laser;
17, 18 - светоделители;17, 18 - beam splitters;
19 - пучок параллельных лазерных лучей;19 - a beam of parallel laser beams;
20 - фотоприемник;20 - photodetector;
21 - измеритель доплеровской частоты и градиента.21 - Doppler frequency and gradient meter.
По отношению к прототипу, в предлагаемое устройство, располагаемое на оси OZ на борту КА, дополнительно введены гироскопические стабилизаторы 10 и 11 пробных масс, арретиры пробных масс 3, калибровочная масса 4, а также дополнительные уголковые отражатели лазерного луча на каждой пробной массе. Дополнительные отражатели удваивают рабочий путь лазерных лучей, тем самым обеспечивают повышение чувствительности прибора в 2 раза.In relation to the prototype, the proposed device, located on the OZ axis on board the spacecraft, additionally introduced
Измеритель гравитационного градиента содержит два пробных (чувствительных) тела 1 и 2, арретиры 3, калибровочную массу 4, интерферометр 5, к которому подключен выход источника счетных импульсов 6 (см. фиг. 2), а выход подключен к вычислителю 7 (фиг. 2). Центры пробных тел 1 и 2 размещены вдоль координатной оси КА на расстоянии L друг от друга и могут свободно двигаться относительно друг друга под действием градиента гравитационного поля Земли. Пробные массы представляют собой цилиндрические тела, на пробной массе 1 имеются светопроводящие каналы 8 и 9, оси которых параллельны осям симметрии пробных тел. Пробные тела 1 и 2 механически связаны с арретирами 31 и 32, предназначенными для их запуска в состояние свободного полета и последующего арретирования в исходном состоянии, при этом они жестко связаны с корпусом КА. Для стабилизации продольных осей симметрии пробных масс 1 и 2 в пространстве во время свободного полета на них установлены малогабаритные гироскопические стабилизаторы 10 и 11, электропитание которых выполнено через арретиры 3 в состоянии покоя. Калибровочная масса 4 в режиме калибровки может приближаться к пробной массе 2.The gravitational gradient meter contains two test (sensitive)
Светопроводящие каналы 8 и 9, уголковые отражатели (световозвращатели) 12-13, размещаемые на пробной массе 1, а также уголковые отражатели (световозвращатели) 14-15, размещаемые на пробной массе 2, образуют единую измерительную ось лазерного интерферометра 5z. Он включает: лазер 16, светоделители 17 и 18, уголковые отражатели 12-15, соединенные пучком параллельных лазерных лучей 19, а также фотоприемник 20. Направление пучка лазерных лучей 19 совпадает с измерительной осью прибора OZ. К фотоприемнику 20 подключен измеритель 21, который предназначен для измерения количества интерференционных полос, прошедших на вход фотоприемника 20, а также для измерения доплеровского смещения частоты сигнала, снимаемого с фотоприемника и соответствующих временных интервалов доплеровского колебания, соответствующих проходу каждой полосы интерференции. К измерителю 21 подключен выход источника измерительных импульсов 6 (фиг. 2), а выход измерителя 21 подключен к вычислителю 7 (фиг. 2).Light-guiding
Принцип действия предлагаемого измерителя гравитационного градиента, размещенного вдоль одной из осей бортовой системы КА, состоит в следующем. Две пробные массы 1 и 2 с помощью арретиров 31 и 32 выстраиваются продольными осями симметрии вдоль измерительной оси, а затем приводятся в состояние свободного движения. В процессе свободного движения пробные 1 и 2 массы стабилизируются в пространстве с помощью закрепленных на них гироскопических стабилизаторов 10 и 11, соответственно. Вследствие разности гравитационных ускорений g1, g2 центров пробных масс, а также вследствие центробежного ускорения они начинают удаляться друг от друга. При этом расстояние, на которое разбегаются две массы за известный промежуток времени, пропорционально гравитационному градиенту. Задача состоит в измерении приращения расстояния между свободно падающими пробными массами за известный промежуток времени. Для этого предназначен лазерный интерферометр 5, который работает следующим образом. От лазера 16 световой луч направляется на светоделитель 17, пройдя через который он через канал 8 попадает на полупрозрачный уголковый отражатель (ретрорефлектор) 12. Часть луча (обычно около 50%) от ретрорефлектора 12 отражается обратно на светоделитель 17, другая часть луча (около 50%) - проходит на уголковый отражатель 14, отражается от него, попадает на световозвращатель 13, отражается от него, далее попадает на ретрорефлектор 15, отразившись от которого в сторону пробной массы 1 через канал 9 далее направляется на светоделитель 18. Пройдя через светоделитель 18, оба возвратившихся луча интерферируют на плоскости фотоприемника 20, образуя бегущую интерференционную картину в виде последовательности светлых и темных интерференционных полос. Каждая полоса соответствует полуволновой разности хода двух интерферирующих лучей. На выходе фотоприемника формируется последовательность электрических импульсов, соответствующих началу и концу каждой полуволновой полосы, а количество импульсов определяет искомое приращение расстояния в конце свободного движения масс.The principle of operation of the proposed gravitational gradient meter, located along one of the axes of the spacecraft onboard system, is as follows. Two
Калибровочная масса 4 с известной массой Mz в нерабочем состоянии находится на некотором расстоянии от пробных масс. В рабочем режиме она максимально приближается к пробной массе на расстояние d, создавая дополнительное калиброванное гравитационное ускорение, которое фиксируется лазерным интерферометром.
За счет двукратного прохода лазерного луча между пробными массами измеряемый эффект удваивается, обеспечивая повышение чувствительности прибора, по сравнению с однократным проходом в прототипе, примерно в 2 раза.Due to the double pass of the laser beam between the test masses, the measured effect is doubled, providing an increase in the sensitivity of the device, in comparison with a single pass in the prototype, by about 2 times.
В качестве альтернативного варианта градиентометра повышенной точности предлагается прибор со специальными клиновидными отражающими зеркалами, обеспечивающими многократное прохождение лазерного луча между пробными массами. Устройство содержит (фиг. 4):As an alternative version of a high-precision gradiometer, a device with special wedge-shaped reflecting mirrors is proposed, which ensures multiple passes of the laser beam between the test masses. The device contains (Fig. 4):
1, 2 - пробные (чувствительные) массы;1, 2 - test (sensitive) masses;
3, 6 - клиновидные полностью отражающее зеркала;3, 6 - wedge-shaped fully reflecting mirrors;
4, 5 - каналы ввода и вывода лазерного луча;4, 5 - channels for input and output of the laser beam;
7, 8 - арретиры пробных масс;7, 8 - cages of test masses;
9,10 - гироскопические стабилизаторы;9.10 - gyroscopic stabilizers;
11 - лазер;11 - laser;
12, 13 - светоделители;12, 13 - beam splitters;
14 - фотоприемник;14 - photodetector;
15 - измеритель.15 - meter.
Особенностью этого варианта градиентометра является применение клиновидных зеркал 3 и 6, закрепленных на пробных массах 1 и 2. Клиновидность зеркал 3 и 6 обеспечивает многократное отражение рабочего лазерного луча в пространстве между ними, тем самым увеличивая измеряемый эффект и повышая точность измерений градиента. Пробные массы снабжены арретирами 7 и 8, обеспечивающими свободный полет пробных масс. Стабильное положение в пространстве пробных масс 1 и 2 и зеркал 3 и 6 обеспечивается гиростабилизаторами 9 и 10. Измерение характеристик интерференционных полос выполняется лазерным интерферометром, включающим лазер 11, светоделители 12 и 13, а также фотоприемник 14.A feature of this version of the gradiometer is the use of wedge-shaped
Устройство работает следующим образом. Пробные массы 1 и 2 с закрепленными на них зеркалами 3 и 6 с помощью арретиров 7 и 8 приводятся в состояние свободного полета и одновременно стабилизируются гиростабилизаторами 9 и 10. Луч лазера И светоделителем 12 делится на два луча, один из которых - опорный, отражается от светоделителя 13 и попадает на плоскость фотоприемника. Другой луч - рабочий - отражается от светоделителя, через канал 5 зеркала 3 попадает на зеркало 6, многократно отражается от него и через канал 4 в зеркале 3, через светоделитель 13 попадает на плоскость фотоприемника 14, где вместе с опорным лучом образует бегущую картину интерференции. Далее электрический сигнал с фотоприемника, как и в других вариантах прибора, подается на измеритель 15, с выхода которого снимается информация о градиенте.The device works as follows.
Главной особенностью варианта, созданного в соответствии с фиг. 4, является повышение измеряемого эффекта и, как следствие, точности измерений за счет многократного (до 10 раз) переотражения рабочего лазерного луча между клиновидными зеркалами.The main feature of the embodiment according to FIG. 4, is an increase in the measured effect and, as a consequence, in the measurement accuracy due to multiple (up to 10 times) re-reflection of the working laser beam between the wedge-shaped mirrors.
Другая возможная реализация градиентометра, схема которого приведена на фиг. 4, основана на использовании плоских параллельных зеркал 3 и 6, закрепленных на пробных массах 1 и 2. Особенность такого прибора заключается в том, что при переходе пробных масс в режим свободного взаимного движения, что выполняется с помощью арретиров 7 и 8, параллельные зеркала 3 и 6 образуют многопроходный интерферометр Фабри-Перо. В этом интерферометре при многократном отражении от плоских зеркал создается система интерференционных полос с очень резким контрастом, которые при взаимном перемещении зеркал перемещаются по поверхности зеркал в одну или другую сторону, в зависимости от направления взаимного движения зеркал. Движение этих полос по плоскости зеркала 3 через канал 4 фиксируется фотоприемником 14. Для реализации интерферометра Фабри-Перо необходимы зеркала с очень высоким коэффициентом отражения. Важная особенность картины интерференции в интерферометре Фабри-Перо заключается в повышенной резкости полос интерференции, которая превосходит резкость полос в рассмотренном выше интерферометре Майкельсона, как минимум в десять раз. Это обстоятельство позволяет повысить точность фиксации перехода яркости картины интерференции через нуль и, соответственно, повысить на выходе фотоприемника точность формирования импульсов, соответствующих этим моментам. Эти импульсы используются в измерителе 15 для подсчета количества «пробежавших» по полю фотоприемника интерференционных полос и их длительности. Погрешность момента выработки этих импульсов в интерферометре Фабри-Перо, по сравнению с картиной интерференции в интерферометре Майкельсона, снижается, как минимум в десять раз, что позволяет повысить точность определения гравитационного градиента на выходе измерителя 15.Another possible implementation of the gradiometer, the diagram of which is shown in Fig. 4, is based on the use of flat
Вместе с тем, использование интерферометра Фабри-Перо предъявляет повышенные требования к точности стабилизации плоских зеркал в пространстве с помощью гиростабилизаторов 9 и 10.At the same time, the use of a Fabry-Perot interferometer imposes increased requirements on the accuracy of stabilization of plane mirrors in space using
В качестве еще одного альтернативного технического решения, обеспечивающего повышение точности измерений, предлагается использование оптических линз Люнеберга в качестве пробных масс 1 и 2 с отражателями. Применение этих шаровых линз не требует стабилизации пробных масс, которые могут внести дополнительные погрешности, и тем самым повышает точность измерений. Вариант применения этих линз представлен на фиг. 5, где обозначено:As another alternative technical solution that provides an increase in the measurement accuracy, it is proposed to use Luneberg optical lenses as
1 и 2 - пробные массы в виде оптических линз Люнеберга;1 and 2 - test masses in the form of optical Luneberg lenses;
31 и 32 - арретиры;3 1 and 3 2 - cages;
4 - полупрозрачное покрытие на полусфере линзы 1;4 - translucent coating on the hemisphere of the
5 - полностью отражающее покрытие на полусфере линзы 2;5 - fully reflective coating on the hemisphere of the
6 - лазерный интерферометр;6 - laser interferometer;
7 - лазер;7 - laser;
8 - светоделитель;8 - beam splitter;
9 - лазерный луч между пробными массами, совпадающий с измерительной осью прибора;9 - laser beam between the test masses, coinciding with the measuring axis of the device;
10 - фотоприемник;10 - photodetector;
11 - измеритель доплеровской частоты и градиента.11 - Doppler frequency and gradient meter.
Главной особенностью известной линзы Люнеберга является зависимость коэффициента преломления от радиуса "r" исследуемой точки по закону "1/r". В центре линзы коэффициент преломления максимален. По этой причине любой оптический луч, попадающий в линзу из одной полусферы, возвращается обратно, отражаясь от металлизированного покрытия, покрывающего вторую полусферу (см. фиг. 5). Если входной луч распространяется через центр линзы, то выходной отразившийся луч также пройдет через центр линзы. Входные лучи, идущие не через центр, обратно выходят симметрично входному по другую сторону от центра. Одна полусфера линзы 1 (на фиг. 5 - нижняя) покрыта полупрозрачным металлизированным слоем 4 для того, чтобы часть луча проходила на линзу 2, а часть луча отражалась обратно в лазерный интерферометр 6. В линзе 2 верхняя полусфера покрыта отражающим слоем 5, обеспечивающим возвращение луча на линзу 1. Арретиры 3 предназначены для запуска в режим свободного движения и последующего арретирования пробных масс 1 и 2 в исходное состояние через заданный промежуток времени.The main feature of the well-known Luneberg lens is the dependence of the refractive index on the radius "r" of the point under study according to the "1 / r" law. In the center of the lens, the refractive index is maximum. For this reason, any optical beam entering the lens from one hemisphere is bounced back, reflected from the metallized coating covering the second hemisphere (see Fig. 5). If the input beam propagates through the center of the lens, then the reflected output beam will also pass through the center of the lens. Input rays that do not go through the center exit back symmetrically to the input rays on the other side of the center. One hemisphere of the lens 1 (in Fig. 5 - the lower one) is covered with a
Предлагаемый вариант устройства работает следующим образом. С помощью арретиров 3 пробные массы 1 и 2 приводятся в состояние свободного движения. Требования к углу разворота обеих линз вокруг центра масс во время свободного парения невысоки, поскольку оптические свойства линз не зависят от угла входа лазерного луча. Это свойство линз позволяет повысить точность измерений. Под действием градиента гравитации расстояние между пробными массами изменяется, а приращение расстояния измеряется лазерным интерферометром 6. Для этого лазер 7 посылает луч света на светоделитель 8, отраженный луч попадает на полупрозрачное покрытие 4 линзы 1. Этот луч частично отражается обратно, а частично проходит через тело линзы 1 на линзу 2 в виде луча 9. Здесь, преломляясь в теле линзы 2, луч отражается обратно на линзу 1. Далее, проходя через тело линзы 1 и полупрозрачное покрытие 4, попадает на светоделитель 8, на выходе которого вместе с первым лучом образует интерференционную картину на плоскости фотоприемника 10, к выходу которого подключен измеритель параметров доплеровского сигнала 11. По результатам измерений находится искомый градиент.The proposed version of the device works as follows. With the help of restraints, 3
Рассмотренный альтернативный вариант построения измерителя градиента на линзах Люнеберга обеспечивает более высокую точность, чем прототип, основанный на использовании нестабилизированных уголковых отражателей (фиг. 1). Это объясняется тем, что феддеквадратический разброс погрешности времени отражения (так называемая «ошибка цели») для нестабилизированной линзы Люнеберга примерно на порядок меньше, чем для нестабилизированных уголковых отражателей [2].The considered alternative construction of the gradient meter on Luneberg lenses provides higher accuracy than the prototype based on the use of unstabilized corner reflectors (Fig. 1). This is explained by the fact that the fed-square spread of the reflection time error (the so-called "target error") for an unstabilized Luneberg lens is about an order of magnitude smaller than for unstabilized corner reflectors [2].
Другим альтернативным вариантом построения измерителя градиента, обеспечивающим более высокую точность и обход препятствия вблизи центра масс КА, является измеритель на основе использования линз Люнеберга и оптических волоконных световодов. Он содержит (фиг. 6):Another alternative option for constructing a gradient meter, providing a higher accuracy and avoiding an obstacle near the center of mass of the spacecraft, is a meter based on the use of Luneberg lenses and optical fibers. It contains (Fig. 6):
1, 2 - пробные массы в виде оптических линз Люнеберга;1, 2 - test masses in the form of Luneberg optical lenses;
31, 32 - арретиры пробных масс;3 1 , 3 2 - test masses cages;
4 - полупрозрачное отражающее покрытие нижней части поверхности линзы 1;4 - translucent reflective coating of the lower part of the surface of the
5 - полностью отражающие покрытия поверхностей линз 1 и 2;5 - fully reflective coatings of the surfaces of
6 - лазерный интерферометр;6 - laser interferometer;
7-10 - волоконные световоды с фокусирующими линзами на обоих концах;7-10 - fiber optics with focusing lenses at both ends;
11 - жгут волоконных световодов, огибающий препятствие для прямых лазерных лучей;11 - a bundle of optical fibers, bending around an obstacle for direct laser beams;
12 - вводная фокусирующая линза;12 - introductory focusing lens;
13 - выводная фокусирующая линза;13 - output focusing lens;
14 - лазер;14 - laser;
15 - светоделитель;15 - beam splitter;
16 - зеркало;16 - mirror;
17 - фотоприемник;17 - photodetector;
18 - измеритель градиента Gaa вдоль данной оси.18 - gauge of the gradient G aa along this axis.
19 - самостоятельный блок аппаратуры пробной массы 1;19 - an independent unit of the
20 - самостоятельный блок аппаратуры пробной массы 2.20 - independent unit of
Главной особенностью данного варианта измерителя являются оптические линзы Люнеберга и волоконные световоды 7-10 с фокусирующими линзами на концах, которые собраны в жгут 11. Он позволяет обходить препятствие на борту КА, возникающее на пути прямых лазерных лучей. Таковыми могут быть ракетные двигатели, баки с горючим, телескопы и др. Другой особенностью является применение линз Люнеберга 1 и 2, через которые могут распространяться оптические лучи под разными углами, не мешая друг другу. На линзу 1 в нижней части полусферы нанесено частично отражающее покрытие 4, на обе линзы нанесены отражающие покрытия 5. Концевые фокусирующие линзы световодов располагаются вблизи поверхности пробных тел 1 и 2 на расстоянии 1-2 мм. Ввод световых лучей в линзу Люнеберга 1 из интерферометра 6 производится с помощью фокусирующей линзы 12, вывод луча в и интерферометр - с помощью линзы 13. Лазерный интерферометр 6 содержит лазер 14, светоделитель 15, зеркало 16, вводную фокусирующую линзу 12, выводную фокусирующую линзу 13, фотоприемник 17, выход которого подключен к измерителю 18.The main feature of this version of the meter are optical Luneberg lenses and fiber optic fibers 7-10 with focusing lenses at the ends, which are assembled in a
Устройство работает следующим образом. После запуска пробных масс 1 и 2 с помощью арретиров 3 лазерный луч от лазера 14 через светоделитель 15 попадает на зеркало 16, далее через линзу 12 на частично отражающее покрытие 4 на линзе Люнеберга 1. Часть луча отражается обратно и в качестве опорного луча через зеркало 16 и светоделитель 15 попадает на плоскость фотоприемника 17. Другая часть через центр линзы Люнеберга 1 попадает в световод 7. С выхода световода 7 луч попадает в линзу Люнеберга 2, отражается от покрытия задней ее полусферы 5 и попадает в световод 8. Далее луч по световоду 8 попадает в линзу 1, отражается от ее покрытия 5 и попадает в световод 9. Аналогично пройдя световоды 9 и 10, луч через центр линзы 1 и фокусирующую линзу 13 через делитель 15 попадает на плоскость фотоприемника 17, где интерферирует с опорным лучом. Выход фотоприемника соединен с измерителем 18, который работает также, как и в предыдущих рассмотренных вариантах градиентометра.The device works as follows. After launching
Все световоды 7-10 собраны в гибкий компактный жгут 11, с помощью которого можно легко обойти препятствия для прямых лазерных лучей. Рабочий луч интерферометра дважды проходит расстояние между пробными телами, увеличивая измеряемый эффект и повышая чувствительность прибора Измеряемое с помощью интерферометра приращение расстояния между пробными массами определяется изменением оптических путей между линзами Люнеберга 1 и 2 и фокусирующими линзами световодов 7-10. Остальные оптические пути постоянны.All light guides 7-10 are assembled in a flexible
Весь прибор можно разделить на 3 независимых конструктивных блока: 19 - самостоятельный блок аппаратуры пробной массы 1; 20 - самостоятельный блок аппаратуры пробной массы 2, а также самостоятельный блок - гибкий жгут световодов 11. Это открывает большие возможности при конструировании прибора, когда максимально используются габариты КА для повышения чувствительности градиентометра.The entire device can be divided into 3 independent structural units: 19 - an independent unit of the
Обоснование возможностей трехосной системы бортовых космических градиентометров, представленной на фиг. 2.Justification of the capabilities of the triaxial system of onboard space gradiometers shown in Fig. 2.
Проведем обоснование принятого технического решения по одновременному измерению нескольких составляющих градиентного тензора.Let us justify the adopted technical solution for the simultaneous measurement of several components of the gradient tensor.
Выше мы условились (фиг. 2), что с центром масс КА связана орбитальная система координат OXYZ. Ось ОХКА этой системы координат направлена по касательной к орбите КА по вектору его орбитальной скорости, ось OYKA - по нормали к плоскости орбиты. При этом вертикальная по отношению к Земле ось OZKA системы координат КА постоянно направлена по вертикали по направлению от Земли. По этой причине КА и его орбитальная система координат вращаются на орбите вокруг оси OYKA с угловой скоростью обращения по орбите Ωy. Вдоль каждой оси орбитальной системы координат располагаются измерители гравитационного градиента, в состав каждого из которых входят пробные массы 1 и 2, располагаемые на исходном расстоянии L, а также лазерные интерферометры 5. Пробные массы с помощью арретиров 3 приводятся в состояние свободного движения по соответствующим осям и возвращаются через заданный интервал времени в исходное состояние. Приращение расстояния между пробными массами вдоль выбранных осей координат вызывается их взаимными ускорениями вдоль этих осей.Above we agreed (Fig. 2) that the orbital coordinate system OXYZ is associated with the spacecraft's center of mass. The OX axis of the spacecraft of this coordinate system is directed tangentially to the spacecraft orbit along the vector of its orbital velocity, the OY KA axis is directed along the normal to the orbital plane. In this case, the vertical axis OZ KA of the spacecraft coordinate system, vertical with respect to the Earth, is constantly directed vertically in the direction from the Earth. For this reason, the spacecraft and its orbital coordinate system rotate in orbit around the OY KA axis with the orbital angular velocity Ω y . Along each axis of the orbital coordinate system, there are gravitational gradient meters, each of which includes
Ускорение, действующее на материальную точку на борту КА, определяется известным соотношением [3]:The acceleration acting on a material point on board the spacecraft is determined by the well-known relation [3]:
где первое слагаемое определяет гравитационное ускорение материальной относительно центра масс КА; второе - ускорение за счет ускорения центра масс самого КА (например, по причине сопротивления остаточной атмосферы и др.); третье - центробежное ускорение за счет вращения системы координат; четвертое - ускорение за счет углового ускорения; последнее - кориолисово ускорение за счет скорости самой массы.where the first term determines the gravitational acceleration of the material relative to the center of mass of the spacecraft; the second is acceleration due to the acceleration of the center of mass of the spacecraft itself (for example, due to the resistance of the residual atmosphere, etc.); third - centrifugal acceleration due to the rotation of the coordinate system; fourth - acceleration due to angular acceleration; the latter is Coriolis acceleration due to the velocity of the mass itself.
Пренебрегая влиянием углового ускорения (на круговой орбите оно ничтожно мало), влиянием кориолисового ускорения (в силу чрезвычайной малости скоростей пробных масс относительно центра масс КА), а также приливными ускорениями от Луны и Солнца (в силу малых габаритов КА), а также принимая во внимание факт вращения бортовой системы координат только вокруг оси OY с угловой скоростью Ωу (т.е. Ωх=Qz=0), ускорение пробной массы на борту КА представим в виде:Neglecting the influence of angular acceleration (in a circular orbit it is negligible), the influence of Coriolis acceleration (due to the extremely small velocities of test masses relative to the center of mass of the spacecraft), as well as tidal accelerations from the Moon and the Sun (due to the small dimensions of the spacecraft), as well as taking into attention to the fact of rotation of the onboard coordinate system only around the OY axis with an angular velocity Ω у (i.e. Ω х = Q z = 0), we represent the acceleration of the test mass on board the spacecraft in the form:
где - радиус-вектор центра масс КА; g0, g1 - гравитационное ускорение центра масс КА и i-й пробной массы. Как видно, влияние внешнего ускорения негравитационного происхождения WKA на разность ускорений пробных масс внутри КА полностью исключается.where - radius vector of the spacecraft center of mass; g 0 , g 1 - gravitational acceleration of the spacecraft center of mass and the i-th test mass. As can be seen, the influence of the external acceleration of non-gravitational origin W KA on the difference in the acceleration of test masses inside the spacecraft is completely excluded.
Разлагая в ряд разность гравитационных ускорений вблизи центра масс КА по малому параметру а также раскрывая векторные произведения при принятых условиях, получаем выражение для разностного ускорения пары пробных масс 2 и 1 по координатным осям:Expanding in a series the difference of gravitational accelerations near the center of mass of the spacecraft in terms of the small parameter and also expanding the vector products under the accepted conditions, we obtain an expression for the differential acceleration of a pair of
где Δх=х2-х1; Δy=y2-y1; Δz=z2-z1;where Δx = x 2 -x 1 ; Δy = y 2 -y 1 ; Δz = z 2 -z 1 ;
- компоненты градиентного тензора, три из которых связаны соотношением Лапласа: - components of the gradient tensor, three of which are related by the Laplace relation:
Разместим измерительные оси градиентометров в соответствии с фиг. 2. Для прибора, размещенного вдоль оси ОХ, в соответствии с (12), при условии Δx=Lx; Δy=Δz=0 получаем:We place the measuring axes of the gradiometers in accordance with Fig. 2. For a device located along the ОХ axis, in accordance with (12), provided Δx = L x ; Δy = Δz = 0 we get:
Для прибора, размещенного на оси OY при Δy=Ly; Δx=Δz=0 получаем:For a device located on the OY axis at Δy = L y ; Δx = Δz = 0 we get:
Наконец, для прибора на оси OZ при Δх=Δу=0 имеем:Finally, for a device on the OZ axis at Δх = Δу = 0 we have:
Следует отметить, что для высоты орбиты КА около 300 км Gzz≈+2660 Е=2,66⋅10-6 с-2; Gxx≈-1330 E; Gyy ≈ -13305. Они удовлетворяют соотношению Лапласа (13). Знаки перед градиентами указывают на тот факт, что в градиентометрах, размещенных по осям OX, OY свободные пробные массы под действием кавитации сближаются, на оси OZ - разбегаются.It should be noted that for a spacecraft orbit altitude of about 300 km G zz ≈ + 2660 Е = 2.66⋅10 -6 s -2 ; G xx ≈ -1330 E; G yy ≈ -13305. They satisfy the Laplace relation (13). The signs in front of the gradients indicate the fact that in gradiometers placed along the OX, OY axes, free test masses under the action of cavitation approach, and on the OZ axis, they diverge.
Таким образом, три лазерных градиентометра, размещенные строго по осям бортовой орбитальной системы координат OXYZ, позволяют, по сравнению с прототипом, измерить одновременно три независимых компонента градиентного тензора Gαβ. В вычислителе 7 (фиг. 2) по результатам измерений проводится контрольное суммирование по формуле (13). При отказе одного из трех градиентометров значение недостающего компонента градиентного тензора можно вычислить по этой же формуле.Thus, three laser gradiometers, placed strictly along the axes of the onboard orbital coordinate system OXYZ, allow, in comparison with the prototype, to measure simultaneously three independent components of the gradient tensor G αβ . In the calculator 7 (Fig. 2), according to the measurement results, a check summation is carried out according to the formula (13). If one of the three gradiometers fails, the value of the missing component of the gradient tensor can be calculated using the same formula.
Таким образом, заявленный технический результат от внедрения изобретения, состоящий в обеспечении измерений одновременно трех составляющих гравитационного градиента на борту КА, достигнут.Thus, the claimed technical result from the introduction of the invention, consisting in ensuring simultaneous measurements of three components of the gravitational gradient on board the spacecraft, has been achieved.
Оценка точности предлагаемых вариантов градиентометраAssessment of the accuracy of the proposed gradiometer options
Оценку точности предлагаемого варианта градиентометра, представленного на фиг. 3, проведем для градиентометра, расположенного вдоль оси OY бортовой системы координат КА. Взаимное гравитационное ускорение двух пробных масс в этом случае определяется формулой (15).The estimation of the accuracy of the proposed version of the gradiometer shown in Fig. 3 is carried out for a gradiometer located along the OY axis of the spacecraft onboard coordinate system. The mutual gravitational acceleration of the two test masses in this case is determined by formula (15).
Взаимная скорость пробных масс определяется однократным интегрированием этого ускорения на интервале времени Δt=t-t0:The mutual speed of the test masses is determined by a single integration of this acceleration over the time interval Δt = tt 0 :
где V0 - начальная скорость взаимного движения, придаваемая массам в момент их разарретирования и запуска в свободный полет устройством 3. Как видно из этой формулы, взаимная скорость пробных масс растет во времени за счет гравитационного градиента.where V 0 is the initial velocity of mutual motion, imparted to the masses at the moment of their unloading and launch into free flight by
Учитывая, что в данном варианте градиентометра реализован четырехкратный проход лазерного луча между пробными массами, взаимное допплеровское смещение лазерных лучей - опорного и рабочего, регистрируемое фотоприемником 20, в моменты времени t1 и t2 составит, соответственно:Taking into account that in this version of the gradiometer a fourfold passage of the laser beam between the test masses is realized, the mutual Doppler displacement of the laser beams - reference and working, recorded by the
Поскольку неизвестной величиной здесь является начальная скорость запуска пробных масс, соизмеримая со скоростью сближения масс вследствие влияния гравитации, то при взятии разности доплеровских частот (18) ее влияние исчезает:Since the unknown quantity here is the initial speed of launching test masses, commensurate with the speed of approach of masses due to the influence of gravity, then when taking the difference of Doppler frequencies (18), its influence disappears:
Из этой формулы определяется искомый градиент.The desired gradient is determined from this formula.
Рассматриваемое доплеровское смещение очень мало: при Gyy=-1330⋅10-6 c-2; (t1-t0)=13 c; λ=0,63 мкм; Ly=1 м доплеровский сдвиг, вызванный влиянием градиента, составляет около 100 Гц. Поэтому сначала необходимо измерить исходные доплеровские частоты (18) методом периодомера. Периоды колебания, соответствующие доплеровским смещениям (18), определяются соотношениями:The considered Doppler shift is very small: at G yy = -1330⋅10 -6 s -2 ; (t 1 -t 0 ) = 13 s; λ = 0.63 μm; L y = 1 m the Doppler shift due to the influence of the gradient is about 100 Hz. Therefore, it is first necessary to measure the original Doppler frequencies (18) using the periodometer method. The oscillation periods corresponding to the Doppler shifts (18) are determined by the relations:
Величина этих интервалов порядка 0,01 с. Поэтому с помощью счетных импульсов, поступающих от источника высокостабильных импульсов 6 (фиг. 2 и 3) с частотой Fсч=1010 Гц и соответствующим периодом следования δТсч=10-10 с заданные интервалы можно измерить с относительной погрешностью 10-8. С погрешностью такого же порядка из формул (20) определяются и доплеровские частоты (18) и искомая разностная частота (19): δTсч/TD=δFD/FD≈10-8.The magnitude of these intervals is of the order of 0.01 s. Therefore, with the help of counting pulses coming from a source of highly stable pulses 6 (Figs. 2 and 3) with a frequency of F cp = 10 10 Hz and a corresponding repetition period δT cc = 10 -10 s, the specified intervals can be measured with a relative error of 10 -8 . Since an error of the same order of the formulas (20) and Doppler frequencies determined (18) and the desired difference frequency (19): δT MF / T D = δF D / F D ≈10 -8.
По результатам измерений и вычислений разностной доплеровской частоты из соотношения (19) находим искомый градиент:Based on the results of measurements and calculations of the difference Doppler frequency from relation (19), we find the desired gradient:
где - измеренное значение разностной частоты (19).where is the measured value of the difference frequency (19).
Путем дифференцирования находим относительную и абсолютную погрешности измерения градиента, определяемую погрешностью измерения частоты Допплера:By differentiation, we find the relative and absolute errors in measuring the gradient, determined by the error in measuring the Doppler frequency:
Среднеквадратические относительные ошибки всех входящих в эту формулу величин не превышают 10-6. Поэтому максимальная абсолютная погрешность определения градиента по оси OY составляет: σGyy=Gyy⋅10-6≈1,3⋅10-3 Этвеш, что существенно меньше, чем в прототипе (12,6 Этвеш).The root-mean-square relative errors of all quantities included in this formula do not exceed 10 -6 . Therefore, the maximum absolute error in determining the gradient along the OY axis is: σG yy = G yy ⋅10 -6 ≈1.3⋅10 -3 Eotvos, which is significantly less than in the prototype (12.6 Eotvos).
Кроме того, возможно повышение точности за счет статистической обработки результатов измерений в одном запуске пробных масс. При продолжительности полета масс 25 секунд, за которые КА пролетает 200 км (как в проекте CRACE) количество интерференционных полос, прошедших через плоскость фотоприемника, в соответствии с формулой (4), составит: Если производить измерения каждого периода доплеровского колебания (а их 10 тысяч), а разность брать между двумя разнесенными по времени измерениями, то таких разностей на интервале 25 секунд будет: NΔ≈5000. Поэтому в результате статистической обработки погрешность измерения градиента в одном запуске пробных масс уменьшается в раз. В этой связи, достижимая точность в заявленном устройстве характеризуется погрешностью измерения около In addition, it is possible to improve accuracy due to statistical processing of measurement results in one run of test masses. With a duration of a flight of masses of 25 seconds, during which the spacecraft flies 200 km (as in the CRACE project), the number of interference fringes passing through the plane of the photodetector, in accordance with formula (4), will be: If we measure each period of the Doppler oscillation (and there are 10 thousand of them), and the difference is taken between two measurements spaced apart in time, then such differences in the interval of 25 seconds will be: N Δ ≈ 5000. Therefore, as a result of statistical processing, the error in measuring the gradient in one run of test masses decreases by once. In this regard, the achievable accuracy in the claimed device is characterized by a measurement error of about
Точность альтернативных вариантов градиентометров, представленных на фиг. 4 и 5, обосновывается так же и тоже составляет около 10-4 Этвеш.The accuracy of the alternate gradiometers shown in FIGS. 4 and 5, it is settled in the same way and also amounts to about 10 -4 Eotvos.
Таким образом, заявленный технический результат от внедрения изобретения, состоящий в повышении точности измерения гравитационного градиента на борту КА, достигнут.Thus, the claimed technical result from the introduction of the invention, consisting in increasing the accuracy of measuring the gravitational gradient on board the spacecraft, has been achieved.
Заявленный технический результат - обеспечение возможности обхода препятствий для измерительного лазерного луча вблизи центра масс КА также достигнута в альтернативном варианте градиентометра, использующем линзы Люнеберга и волоконные световоды (фиг. 6).The claimed technical result - ensuring the possibility of avoiding obstacles for the measuring laser beam near the center of mass of the spacecraft is also achieved in an alternative version of the gradiometer using Luneberg lenses and optical fibers (Fig. 6).
В целом, все заявленные технические результата достигнуты:In general, all the stated technical results have been achieved:
- обеспечено одновременное измерение трех составляющих градиентного тензора (в прототипе - одна составляющая);- provided simultaneous measurement of three components of the gradient tensor (in the prototype - one component);
- повышена точность измерений, по сравнению с прототипом, как минимум, на 3-4 порядка во всех предложенных вариантах градиентометра;- the measurement accuracy is increased, in comparison with the prototype, by at least 3-4 orders of magnitude in all the proposed variants of the gradiometer;
- обеспечена возможность обхода препятствий для измерительного лазерного луча вблизи центра масс КА (в прототипе такой возможности нет).- the possibility of avoiding obstacles for the measuring laser beam near the center of mass of the spacecraft is provided (in the prototype this is not possible).
Предлагаемый космический лазерный градиентометр может найти применение в следующих областях:The proposed space laser gradiometer can be used in the following areas:
- в геологии для глобального поиска и определения запасов полезных ископаемых;- in geology for the global search and determination of mineral reserves;
- в геодезии для уточнения глобальной и локальной моделей гравитационного поля Земли (ГПЗ) и других планет;- in geodesy to clarify the global and local models of the gravitational field of the Earth (GPZ) and other planets;
- для прогноза землетрясений на основе глобального мониторинга временных вариаций гравитационного поля;- for forecasting earthquakes based on global monitoring of temporal variations of the gravitational field;
- для предсказаний изменений климата за счет контроля изменений ГПЗ при таянии ледников и вечной мерзлоты;- to predict climate change by monitoring changes in gas fields during the melting of glaciers and permafrost;
- в навигации по ГПЗ для подготовки глобальных навигационных гравиметрических карт.- in the navigation through the gas processing plant for the preparation of global navigation gravity maps.
Источники информацииSources of information
1. Зотов Е.А., Парехин Д.А. Исследование метрологических характеристик сверхминиатюрного квантового стандарта частоты. Альманах современной метрологии, №3, стр. 128-137, 2020 г.1. Zotov E.A., Parekhin D.A. Investigation of the metrological characteristics of a subminiature quantum frequency standard. Almanac of modern metrology, No. 3, pp. 128-137, 2020
2. Васильев В.П., Садовников М.А., Соколов А.Л., Шаргородский В.Д., Акентьев А.С. Прецизионный КА "БЛИЦ-М" // Материалы VII Международного симпозиума. Метрология времени и пространства. 2014.2. Vasiliev V.P., Sadovnikov M.A., Sokolov A.L., Shargorodsky V.D., Akentiev A.S. Precision spacecraft "BLITZ-M" // Materials of the VII International Symposium. Metrology of time and space. 2014.
3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика. Изд. «Наука», М. 1973, стр. 161.3. Landau L. D., Lifshits E. M. Mechanics. Ed. "Science", M. 1973, p. 161.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021102273A RU2754098C1 (en) | 2021-02-01 | 2021-02-01 | Laser space gravity gradiometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021102273A RU2754098C1 (en) | 2021-02-01 | 2021-02-01 | Laser space gravity gradiometer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2754098C1 true RU2754098C1 (en) | 2021-08-26 |
Family
ID=77460382
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021102273A RU2754098C1 (en) | 2021-02-01 | 2021-02-01 | Laser space gravity gradiometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2754098C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114814968A (en) * | 2022-04-29 | 2022-07-29 | 华中科技大学 | Space gravitational wave detection device based on single proof mass |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3693451A (en) * | 1970-08-12 | 1972-09-26 | Henry F Dunlap | Falling weight gravity gradiometer |
-
2021
- 2021-02-01 RU RU2021102273A patent/RU2754098C1/en active
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3693451A (en) * | 1970-08-12 | 1972-09-26 | Henry F Dunlap | Falling weight gravity gradiometer |
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
В.И.Пустовойт и др. Лазерные гравиметры на основе интерферометра Фабри-Перо / Физические основы приборостроения, 2017, т.6, N3(25), стр.63-71. * |
В.И.Пустовойт и др. Лазерные гравиметры на основе интерферометра Фабри-Перо / Физические основы приборостроения, 2017, т.6, N3(25), стр.63-71. В.Ф.Фатеев, Р.А.Давлатов. Космические детекторы гравитационных волн: отработка прорывных технологий для перспективных гравитационных градиентометров / Астрономический журнал, 2019, т.96, N8, стр.687-698. В.Ф.Фатеев. Космические измерители параметров гравитационного поля / Альманах современной метрологии, 2015, N3, стр.32-61. * |
В.Ф.Фатеев, Р.А.Давлатов. Космические детекторы гравитационных волн: отработка прорывных технологий для перспективных гравитационных градиентометров / Астрономический журнал, 2019, т.96, N8, стр.687-698. * |
В.Ф.Фатеев. Космические измерители параметров гравитационного поля / Альманах современной метрологии, 2015, N3, стр.32-61. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114814968A (en) * | 2022-04-29 | 2022-07-29 | 华中科技大学 | Space gravitational wave detection device based on single proof mass |
CN114814968B (en) * | 2022-04-29 | 2024-05-14 | 华中科技大学 | Space gravitational wave detection device based on single inspection quality |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Williams | Optical methods in engineering metrology | |
US9134450B2 (en) | Cold atom gravity gradiometer | |
Zhou et al. | Observing the effect of wave-front aberrations in an atom interferometer by modulating the diameter of Raman beams | |
CN104007480B (en) | Horizontal gravity gradient based on cold atomic beam interferometer measures sensor | |
RU2754098C1 (en) | Laser space gravity gradiometer | |
Kuroda et al. | Limits on a possible composition-dependent force by a Galilean experiment | |
Bouyer | The centenary of Sagnac effect and its applications: From electromagnetic to matter waves | |
US10591632B2 (en) | Interferometric pendulum gravimeter, and method for same | |
Silvestrin et al. | The future of the satellite gravimetry after the GOCE mission | |
US20080285046A1 (en) | System and method for improving the resolution of an optical fiber gyroscope and a ring laser gyroscope | |
Arnautov et al. | " Gabl", an absolute free-fall laser Gravimeter | |
Hammond | A laser-interferometer system for the absolute determination of the acceleration of gravity | |
Fateev et al. | Space-based gravitational-wave detectors: Development of ground-breaking technologies for future space-based gravitational gradiometers | |
Seasholtz et al. | Rayleigh scattering diagnostic for measurement of temperature and velocity in harsh environments | |
US7586587B1 (en) | Stand-alone speedometer using two spaced laser beams | |
Rice et al. | Submarine navigation applications of atom interferometry | |
WO2020005082A1 (en) | The method of determining navigation (geocentric) coordinates in the space defined by constraints of the gravitational field of the earth | |
US6813006B1 (en) | Stand-alone speedometer directly measuring the translational speed based on the difference between dispersive dragging effects of different media | |
Donati | Photonic Instrumentation: Sensing and Measuring with Lasers | |
Fateev et al. | Problems of creating autonomous navigation systems on geophysical fields | |
AU2004260958B2 (en) | Speed measurement | |
Lavrov et al. | Two-wave laser displacement meter | |
Kershaw | Twentieth-century length: the origins, use, and formalization of electromagnetic standards | |
Pisani et al. | New applications for Compact Optical Attitude Sensor (COATS) for space | |
Diachenko et al. | High-Sensitive Fiber Optical Accelerometer With Pulse Modulation of Optical Flow Intensity |