RU2754098C1 - Laser space gravity gradiometer - Google Patents

Laser space gravity gradiometer Download PDF

Info

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
Application number
RU2021102273A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вячеслав Филиппович Фатеев
Олег Валентинович Денисенко
Игорь Станиславович Сильвестров
Руслан Аскарджонович Давлатов
Original Assignee
Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри") filed Critical Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри")
Priority to RU2021102273A priority Critical patent/RU2754098C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2754098C1 publication Critical patent/RU2754098C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01VGEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V7/00Measuring 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

FIELD: space industry.
SUBSTANCE: invention relates to a device for measuring the gravitational gradient on board a spacecraft. The device contains two test masses (1, 2) with optical reflective elements of the laser beam fixed on them in the form of a pair of corner reflectors (12-15) and a laser interferometer (5) optically connected to them, located on one coordinate axis of the spacecraft, as well as calculator (7). Additionally, the device includes arresters (3) rigidly connected to the spacecraft body for fixing and ensuring the free flight of test masses (1, 2) inside the spacecraft, gyroscopic stabilizers (10, 11) of the position in space, calibration mass (4), mounted on a movable carriage rigidly connected to the spacecraft body. The device also contains two additional laser space gravity gradiometers in the same composition, located on two other coordinate axes of the spacecraft, meters (21) of the Doppler shift of laser radiation as part of laser interferometers (5), a source of highly stable counting pulses in the form of a highly stable frequency standard (6). Moreover, the output of a highly stable frequency standard (6) is connected to laser interferometers (5) of all three gradiometers, and the outputs of laser interferometers (5) of all gradiometers are connected to a computer (7).
EFFECT: ensuring simultaneous measurements of three components of the gravitational gradient on board the spacecraft, increasing 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 the flight calibration of the device by introducing in the composition of the device of the calibration mass; facilitating the placement of the instrument on board a spacecraft of complex design by avoiding obstacles for the measuring laser beam near the center of mass of the spacecraft.
6 cl, 6 dwg

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 test masses 1 and 2;

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 test bodies 1 and 2, placed at a distance L from each other, connected by a laser interferometer, which includes: laser 3, beam splitter 4, corner reflectors 5 and 6 at the center of mass of test bodies 1 and 2 light-transmitting channels 7 and 8 built into test masses 1 and 2; laser beam 9 connecting the corner reflectors 5 and 6, as well as the photodetector 10. The measuring axis of the prototype coincides with the direction of the laser beam 9. A meter 11 is connected to the photodetector 10, which is designed to measure the number of interference fringes transmitted to the input of the photodetector 10, as well as for measuring time intervals corresponding to the passage of each interference fringe. Calculator 12 is connected to the output of the meter AND.

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 test masses 1 and 2 are lined up by light-transmitting channels 7 and 8 along the measuring axis, and then they are brought into a state of free movement. Due to the difference in vertical gravitational accelerations g 1 , g 2 , corresponding to the centers of test masses, as well as due to centrifugal acceleration, they begin to move away from each other. In this case, the distance by which two masses scatter over a known period of time is proportional to the gravitational gradient. The task is to measure the increment in the distance between freely falling test masses over a known period of time. For this, a laser interferometer is designed, which works as follows. From the laser 3, the light beam is directed to the beam splitter 4, reflected from which it hits the semi-transparent corner reflector (retroreflector) 5. Part of the beam (usually about 50%) from the retroreflector 5 is reflected back to the beam splitter 4, the other part of the beam 9 (about 50%) - passes to the corner reflector 6, is reflected from it and through the retroreflector 5 is directed back to the beam splitter 4. Passing through the beam splitter 4, both returned beams interfere on the plane of the photodetector 10, forming a traveling interference pattern in the form of a sequence of light and dark interference fringes. Each stripe corresponds to a half-wave path difference between the two interfering beams. At the output of the photodetector, a sequence of electrical pulses is formed, corresponding to the beginning and end of each half-wave band, and the number of pulses determines the desired increment in the distance at the end of the free motion of the masses.

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 measuring axis 9 of the prototype laser interferometer (Fig. 1) so that it coincides with the axis OZ KA , and the center of mass of the spacecraft is located on the measuring axis of the device between the test masses.

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 corner reflectors 5 and 6, respectively g 1 , g 2 , at a distance L is represented as:

Figure 00000001
Figure 00000001

где

Figure 00000002
- вертикальный гравитационный градиент ГПЗ.where
Figure 00000002
- 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"):

Figure 00000003
Figure 00000003

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:

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

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;

Figure 00000006
Figure 00000006

- приращение расстояния, вызванное влиянием гравитационного градиента;- distance increment caused by the influence of the gravitational gradient;

Figure 00000007
Figure 00000007

- 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:

Figure 00000008
. 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:
Figure 00000008
... Therefore, from (5) we find:

Figure 00000009
Figure 00000009

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:

Figure 00000010
Figure 00000010

откуда следует искомый результат:whence the desired result follows:

Figure 00000011
Figure 00000011

Отсюда путем дифференцирования находим ошибку определения градиента:From here, by differentiation, we find the error in determining the gradient:

Figure 00000012
Figure 00000012

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 test masses 3, calibration masses 4, as well as an onboard source of highly stable counting pulses 6 to increase measurement accuracy.

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 test masses 1 xyz and 2 xyz , located at the initial distance L xyz , mass cages 3 xyz , calibration masses 4 xyz , and laser interferometers 5 xyz . The test masses are brought into a state of free motion along the corresponding axes and return after a given time interval to their initial state with the help of cages 3. The test (sensitive) masses, brought by cages 3 to a state of free motion, due to the action of gravitational gradients of the GPZ, begin to approach (or move away) along the corresponding axis relative to the initial state. As is known, the sensitive masses located on the OZ axis move away from the spacecraft's center of mass with an acceleration proportional to the distance from the center of mass. Sensitive masses, placed on the other two axes - approach with acceleration, also proportional to the distance from the center.

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 laser interferometers 5, to the input of which counting pulses are fed from a source of highly stable counting pulses 6. The results of measurements of the gradients G xx , G yy , G zz along all three axes are fed to the calculator 7, where the compliance of the results of the three current measurements with the Laplace relation is carried out: G xx + G yy = 0.

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 calibration masses 4 consists in creating an additional calibration gravitational gradient, which, for a certain period of time, moves the test masses of the device relative to each other by a calibrated distance. In particular, a 10x10x10 cm calibrated tungsten-rhenium alloy mass has a mass of 19.3 kg. The center of the calibration mass is 5 cm away from the edges. It is easy to calculate that when approaching a test mass of the same design at a distance of 10-11 cm between their centers, a gravitational field is created with an acceleration of about 1.3⋅10 -7 m / s 2 . The created gradient on the base of about 1 m will be 130 Eötvös, which is commensurate with the gradient of the anomalous GPZ.

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 test mass 1;

14, 15 - световозвращатели на пробной массе 2;14, 15 - reflectors on test weight 2;

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 gyroscopic stabilizers 10 and 11 test masses, test masses arresters 3, calibration mass 4, as well as additional corner reflectors of the laser beam on each test mass. Additional reflectors double the working path of the laser beams, thereby increasing the sensitivity of the device by 2 times.

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) bodies 1 and 2, cages 3, calibration mass 4, interferometer 5, to which the output of the source of counting pulses 6 is connected (see Fig. 2), and the output is connected to the calculator 7 (Fig. 2 ). The centers of test bodies 1 and 2 are located along the spacecraft coordinate axis at a distance L from each other and can freely move relative to each other under the action of the Earth's gravitational field gradient. The test masses are cylindrical bodies, on the test mass 1 there are light-guiding channels 8 and 9, the axes of which are parallel to the symmetry axes of the test bodies. Test bodies 1 and 2 are mechanically connected with cages 3 1 and 3 2 , designed to launch them into a free flight state and subsequent cage in their initial state, while they are rigidly connected to the spacecraft body. To stabilize the longitudinal axes of symmetry of the test masses 1 and 2 in space during free flight, they are equipped with small-sized gyroscopic stabilizers 10 and 11, the power supply of which is made through locks 3 at rest. The calibration mass 4 in the calibration mode may approach the trial mass 2.

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 channels 8 and 9, corner reflectors (reflectors) 12-13, placed on the test mass 1, as well as corner reflectors (retroreflectors) 14-15, placed on the test mass 2, form a single measuring axis of the laser interferometer 5 z . It includes: a laser 16, beamsplitters 17 and 18, corner reflectors 12-15, connected by a beam of parallel laser beams 19, as well as a photodetector 20. The direction of the beam of laser beams 19 coincides with the measuring axis of the device OZ. A meter 21 is connected to the photodetector 20, which is designed to measure the number of interference fringes that have passed to the input of the photodetector 20, as well as to measure the Doppler frequency shift of the signal taken from the photodetector and the corresponding Doppler time intervals corresponding to the passage of each interference band. The output of the source of measuring pulses 6 (Fig. 2) is connected to the meter 21, and the output of the meter 21 is connected to the calculator 7 (Fig. 2).

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 test masses 1 and 2 are aligned with the longitudinal axes of symmetry along the measuring axis with the help of cages 3 1 and 3 2 , and then they are brought into a state of free movement. In the process of free movement, test masses 1 and 2 are stabilized in space with the help of gyroscopic stabilizers 10 and 11 attached to them, respectively. Due to the difference in gravitational accelerations g 1 , g 2 of the centers of test masses, as well as due to centrifugal acceleration, they begin to move away from each other. In this case, the distance by which two masses scatter over a known period of time is proportional to the gravitational gradient. The task is to measure the increment in the distance between freely falling test masses over a known period of time. For this purpose, a laser interferometer 5 is intended, which operates as follows. From the laser 16, the light beam is directed to the beam splitter 17, passing through which, through channel 8, it enters the semi-transparent corner reflector (retroreflector) 12. Part of the beam (usually about 50%) from the retroreflector 12 is reflected back to the beam splitter 17, the other part of the beam (about 50 %) - passes to the corner reflector 14, is reflected from it, hits the reflector 13, is reflected from it, then falls on the retroreflector 15, reflected from which towards the test mass 1 through channel 9 is then directed to the beam splitter 18. Having passed through the beam splitter 18, both returned beams interfere on the plane of the photodetector 20, forming a traveling interference pattern in the form of a sequence of light and dark interference fringes. Each stripe corresponds to a half-wave path difference between the two interfering beams. At the output of the photodetector, a sequence of electrical pulses is formed, corresponding to the beginning and end of each half-wave band, and the number of pulses determines the desired increment in the distance at the end of the free motion of the masses.

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.Calibration mass 4 with a known mass M z in the inoperative state is at a certain distance from the test masses. In the operating mode, it approaches the test mass as much as possible at a distance d, creating an additional calibrated gravitational acceleration, which is recorded by a laser interferometer.

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 mirrors 3 and 6, mounted on test masses 1 and 2. The wedge-shaped mirrors 3 and 6 provide multiple reflection of the working laser beam in the space between them, thereby increasing the measured effect and increasing the accuracy of the gradient measurements. The test masses are equipped with cages 7 and 8, which ensure the free flight of the test masses. A stable position in space of test masses 1 and 2 and mirrors 3 and 6 is provided by gyrostabilizers 9 and 10. Measurement of the characteristics of interference fringes is performed by a laser interferometer, which includes a laser 11, beam splitters 12 and 13, and a photodetector 14.

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. Test masses 1 and 2 with mirrors 3 and 6 attached to them are brought into free flight with the help of cages 7 and 8 and are simultaneously stabilized by gyro stabilizers 9 and 10. The laser beam is divided into two beams by the beam splitter 12, one of which is the reference one, is reflected from beam splitter 13 and falls on the plane of the photodetector. Another beam - the working one - is reflected from the beam splitter, through the channel 5 of the mirror 3 falls on the mirror 6, is repeatedly reflected from it and through the channel 4 in the mirror 3, through the beam splitter 13 it enters the plane of the photodetector 14, where, together with the reference beam, it forms a traveling interference pattern. Further, the electrical signal from the photodetector, as in other versions of the device, is fed to the meter 15, from the output of which information about the gradient is taken.

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 parallel mirrors 3 and 6, mounted on test masses 1 and 2. The peculiarity of such a device is that when the test masses pass into the free mutual motion mode, which is performed using cages 7 and 8, parallel mirrors 3 and 6 form a multi-pass Fabry-Perot interferometer. In this interferometer, with multiple reflections from flat mirrors, a system of interference fringes with a very sharp contrast is created, which, when the mirrors move together, move along the surface of the mirrors in one direction or the other, depending on the direction of the mutual movement of the mirrors. The movement of these stripes along the plane of mirror 3 through channel 4 is fixed by a photodetector 14. To implement a Fabry-Perot interferometer, mirrors with a very high reflectance are required. An important feature of the interference pattern in the Fabry-Perot interferometer is the increased sharpness of the interference fringes, which exceeds the sharpness of the fringes in the Michelson interferometer considered above by at least ten times. This circumstance makes it possible to increase the accuracy of fixing the transition of the brightness of the interference pattern through zero and, accordingly, to increase the accuracy of the formation of pulses corresponding to these moments at the output of the photodetector. These pulses are used in the meter 15 to count the number of interference fringes that have "run through" the field of the photodetector and their duration. The error of the moment of generation of these pulses in the Fabry-Perot interferometer, in comparison with the interference pattern in the Michelson interferometer, is reduced by at least ten times, which makes it possible to increase the accuracy of determining the gravitational gradient at the output of the meter 15.

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 gyro stabilizers 9 and 10.

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 test masses 1 and 2 with reflectors. The use of these ball lenses does not require stabilization of the test masses, which can introduce additional errors, and thereby increases the measurement accuracy. An embodiment of these lenses is shown in FIG. 5, where it is indicated:

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 lens 1;

5 - полностью отражающее покрытие на полусфере линзы 2;5 - fully reflective coating on the hemisphere of the lens 2;

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 semitransparent metallized layer 4 so that part of the beam passes to the lens 2, and part of the beam is reflected back into the laser interferometer 6. In lens 2, the upper hemisphere is covered with a reflective layer 5, which ensures the return beam on the lens 1. Arresters 3 are designed to start in the free movement mode and then lock test masses 1 and 2 to their original state after a given period of time.

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 test masses 1 and 2 are brought into a state of free movement. The requirements for the angle of rotation of both lenses around the center of mass during free hovering are low, since the optical properties of the lenses do not depend on the angle of entry of the laser beam. This property of the lenses improves the measurement accuracy. Under the action of the gravitational gradient, the distance between the test masses changes, and the increment in the distance is measured by a laser interferometer 6. For this, the laser 7 sends a beam of light to the beam splitter 8, the reflected beam hits the semitransparent coating 4 of the lens 1. This beam is partially reflected back and partially passes through the body lens 1 on lens 2 in the form of ray 9. Here, refracting in the body of lens 2, the ray is reflected back to lens 1. Further, passing through the body of lens 1 and semitransparent coating 4, it hits the beam splitter 8, at the output of which, together with the first ray, it forms the interference pattern on the plane of the photodetector 10, to the output of which the Doppler signal parameters meter 11 is connected. According to the measurement results, the desired gradient is found.

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 lens 1;

5 - полностью отражающие покрытия поверхностей линз 1 и 2;5 - fully reflective coatings of the surfaces of lenses 1 and 2;

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 test mass 1 equipment;

20 - самостоятельный блок аппаратуры пробной массы 2.20 - independent unit of test mass equipment 2.

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 bundle 11. It allows you to bypass an obstacle on board the spacecraft that arises in the path of direct laser beams. These can be rocket engines, fuel tanks, telescopes, etc. Another feature is the use of Luneberg lenses 1 and 2, through which optical beams can propagate at different angles without interfering with each other. A partially reflective coating 4 is applied to the lens 1 in the lower part of the hemisphere, and reflective coatings 5 are applied to both lenses. The end focusing lenses of the optical fibers are located near the surface of test bodies 1 and 2 at a distance of 1-2 mm. The input of light beams into the Luneberg lens 1 from the interferometer 6 is carried out using a focusing lens 12, the output of the beam into and the interferometer is carried out using a lens 13. The laser interferometer 6 contains a laser 14, a beam splitter 15, a mirror 16, an introductory focusing lens 12, an output focusing lens 13 , photodetector 17, the output of which is connected to the meter 18.

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 test masses 1 and 2 with the help of cages 3, the laser beam from the laser 14 through the beam splitter 15 hits the mirror 16, then through the lens 12 onto the partially reflecting coating 4 on the Luneberg lens 1. Part of the beam is reflected back and as a reference beam through the mirror 16 and the beam splitter 15 hits the plane of the photodetector 17. The other part through the center of the Luneberg lens 1 enters the light guide 7. From the output of the light guide 7, the beam enters the Luneberg lens 2, is reflected from the coating of its rear hemisphere 5 and enters the light guide 8. Further, the beam through the light guide 8 enters the lens 1, is reflected from its coating 5 and enters the light guide 9. Similarly, passing the light guides 9 and 10, the beam through the center of the lens 1 and the focusing lens 13 through the divider 15 enters the plane of the photodetector 17, where it interferes with the reference beam. The output of the photodetector is connected to the meter 18, which operates in the same way as in the previously considered variants of the gradiometer.

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 compact bundle 11, with which you can easily bypass obstacles to direct laser beams. The working beam of the interferometer passes the distance between the test bodies twice, increasing the measured effect and increasing the sensitivity of the device.The increment in the distance between the test masses measured with the interferometer is determined by the change in the optical paths between the Luneberg lenses 1 and 2 and the focusing lenses of the optical fibers 7-10. The rest of the optical paths are constant.

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 test mass 1 equipment; 20 - an independent unit of the test mass 2 equipment, as well as an independent unit - a flexible bundle of optical fibers 11. This opens up great possibilities in the design of the device, when the spacecraft dimensions are used to the maximum to increase the sensitivity of the gradiometer.

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 test masses 1 and 2, located at the initial distance L, as well as laser interferometers 5. The test masses are brought into a state of free motion along the corresponding axes with the help of cages 3 and return after a specified time interval to their original state. The increment in the distance between the trial masses along the selected coordinate axes is caused by their mutual accelerations along these axes.

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]:

Figure 00000013
Figure 00000013

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:

Figure 00000014
Figure 00000014

где

Figure 00000015
- 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
Figure 00000015
- 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

Figure 00000016
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
Figure 00000016
and also expanding the vector products under the accepted conditions, we obtain an expression for the differential acceleration of a pair of test masses 2 and 1 along the coordinate axes:

Figure 00000017
Figure 00000017

где Δх=х21; Δy=y2-y1; Δz=z2-z1;where Δx = x 2 -x 1 ; Δy = y 2 -y 1 ; Δz = z 2 -z 1 ;

Figure 00000018
- компоненты градиентного тензора, три из которых связаны соотношением Лапласа:
Figure 00000018
- components of the gradient tensor, three of which are related by the Laplace relation:

Figure 00000019
Figure 00000019

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:

Figure 00000020
Figure 00000020

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:

Figure 00000021
Figure 00000021

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:

Figure 00000022
Figure 00000022

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 :

Figure 00000023
Figure 00000023

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 device 3. As can be seen from this formula, the mutual velocity of the test masses increases with time due to the gravitational gradient.

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 photodetector 20, at times t 1 and t 2 will be, respectively:

Figure 00000024
Figure 00000024

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:

Figure 00000025
Figure 00000025

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:

Figure 00000026
Figure 00000026

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:

Figure 00000027
Figure 00000027

где

Figure 00000028
- измеренное значение разностной частоты (19).where
Figure 00000028
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:

Figure 00000029
Figure 00000029

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:

Figure 00000030
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
Figure 00000031
раз. В этой связи, достижимая точность в заявленном устройстве характеризуется погрешностью измерения около
Figure 00000032
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:
Figure 00000030
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
Figure 00000031
once. In this regard, the achievable accuracy in the claimed device is characterized by a measurement error of about
Figure 00000032

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)

1. Лазерный космический гравитационный градиентометр, включающий две пробные массы с закрепленными на них оптическими отражающими элементами лазерного луча в виде пары уголковых отражателей и оптически связанный с ними лазерный интерферометр, расположенные на одной координатной оси космического аппарата, а также вычислитель, отличающийся тем, что в его состав дополнительно включены жестко связанные с корпусом космического аппарата арретиры для фиксации и обеспечения свободного полета пробных масс внутри космического аппарата, установленные на пробных массах гироскопические стабилизаторы положения в пространстве, калибровочная масса, установленная на подвижной и жестко связанной с корпусом космического аппарата каретке, а также два дополнительных лазерных космических гравитационных градиентометра в том же составе, размещенных на двух других координатных осях космического аппарата, измерители допплеровского смещения лазерного излучения из состава лазерных интерферометров, источник высокостабильных счетных импульсов в виде высокостабильного стандарта частоты, причем выход высокостабильного стандарта частоты подключен к лазерным интерферометрам всех трех градиентометров, а выходы лазерных интерферометров всех градиентометров подключены к вычислителю.1. Laser space gravity gradiometer, including two test masses with optical reflective elements of the laser beam fixed on them in the form of a pair of corner reflectors and a laser interferometer optically connected to them, located on one coordinate axis of the spacecraft, as well as a computer, characterized in that in its composition additionally includes arresters rigidly connected to the spacecraft body for fixing and ensuring the free flight of test masses inside the spacecraft, gyroscopic stabilizers of position in space installed on the test masses, a calibration mass mounted on a movable carriage rigidly connected to the spacecraft body, as well as two additional laser space-based gravitational gradiometers in the same composition, located on two other coordinate axes of the spacecraft, laser radiation Doppler displacement meters from the composition of laser interferometers, a high stable counting pulses in the form of a highly stable frequency standard, and the output of the highly stable frequency standard is connected to the laser interferometers of all three gradiometers, and the outputs of the laser interferometers of all gradiometers are connected to the computer. 2. Лазерный космический гравитационный градиентометр по п. 1, отличающийся тем, что измерители допплеровского смещения лазерного излучения в интерферометрах выполнены в виде периодомеров.2. The laser space gravity gradiometer according to claim 1, characterized in that the Doppler displacement meters of the laser radiation in the interferometers are made in the form of periodometers. 3. Лазерный космический гравитационный градиентометр по п. 1, отличающийся тем, что оптические отражающие элементы лазерного луча, закрепленные на пробных массах, выполнены в виде двух параллельно расположенных клиновидных зеркал.3. Laser space gravity gradiometer according to claim 1, characterized in that the optical reflecting elements of the laser beam, fixed on the test masses, are made in the form of two parallel wedge-shaped mirrors. 4. Лазерный космический гравитационный градиентометр по п. 1, отличающийся тем, что оптические отражающие элементы лазерного луча, закрепленные на пробных массах, выполнены в виде плоских параллельных зеркал, образующих интерферометр Фабри-Перо.4. Laser space gravity gradiometer according to claim 1, characterized in that the optical reflecting elements of the laser beam, fixed on the test masses, are made in the form of flat parallel mirrors forming a Fabry-Perot interferometer. 5. Лазерный космический гравитационный градиентометр по п. 1, отличающийся тем, что пробные массы выполнены в виде оптических линз Люнеберга, причем на внешнюю полусферу одной из них нанесено полностью отражающее покрытие, а на полусферу другой линзы нанесено полупрозрачное отражающее покрытие.5. The laser space gravitational gradiometer according to claim 1, characterized in that the test masses are made in the form of optical Luneberg lenses, with a fully reflecting coating applied to the outer hemisphere of one of them, and a translucent reflective coating applied to the hemisphere of the other lens. 6. Лазерный космический гравитационный градиентометр по п. 1, отличающийся тем, что пробные массы выполнены в виде оптических линз Люнеберга, в состав градиентометра введен гибкий многоканальный жгут световодов, выполненный из множества оптических волокон с концевыми фокусирующими линзами, причем жгут световодов не имеет механического контакта с линзами Люнеберга и по отношению к ним расположен так, что рабочий лазерный луч лазерного интерферометра последовательно проходит через все оптические волокна жгута световодов и обе линзы Люнеберга.6. Laser space gravity gradiometer according to claim 1, characterized in that the test masses are made in the form of optical Luneberg lenses, a flexible multichannel fiber bundle made of a plurality of optical fibers with end focusing lenses is introduced into the gradiometer, and the fiber bundle has no mechanical contact with Luneberg lenses and in relation to them is located so that the working laser beam of the laser interferometer sequentially passes through all optical fibers of the fiber bundle and both Luneberg lenses.
RU2021102273A 2021-02-01 2021-02-01 Laser space gravity gradiometer RU2754098C1 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3693451A (en) * 1970-08-12 1972-09-26 Henry F Dunlap Falling weight gravity gradiometer

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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