В астрономии большие расстояния — это одновременно благо и проклятие. Они могут вызывать такие проблемы, как увеличение времени связи, что требует более мощного оборудования, и неопределённость позиционирования, которая может повлиять на результаты измерений, особенно в дальних уголках Солнечной системы. Однако они также могут быть полезны для определённого типа измерений, называемого интерферометрией, где две системы, расположенные на большом расстоянии друг от друга, могут предоставить точные данные о местоположении третьей системе — по тому же принципу, что и в GPS.
Новая работа рассматривает возможность использования той же техники для отслеживания космических зондов в дальнем космосе
В новой статье рассматривается возможность использования той же техники для отслеживания космических зондов в дальнем космосе, а не автомобилей на автостраде. Исследование показывает, что, хотя точность примерно на том же уровне, оно может предоставлять те же данные о местоположении более чем в два раза дольше. Исследование было опубликовано на сервере препринтов arXiv.
Ключевым элементом этой системы является использование геостационарных спутников. Концепция, называемая Radiometric Interferometry for Deep Space Navigation using Geostationary Satellites (RINGS), использует спутники на геостационарной орбите для предоставления данных о местоположении космическим зондам по всей нашей Солнечной системе, а не традиционные интерферометры с очень длинной базой (VLBI), расположенные на самой Земле, которые обычно предоставляют данные о местоположении космическим зондам.
На бумаге у RINGS есть несколько преимуществ перед традиционными VLBI. Расстояние между спутниками-участниками на порядок больше, чем у любого VLBI, расположенного на Земле — 80 000 км по сравнению с 8 000 км. Большее расстояние между базовыми станциями интерферометра означает более точные расчёты местоположения, поэтому VLBI на Земле расположены так далеко друг от друга.
Спутники RINGS также не сталкиваются с атмосферными помехами, которые могут искажать фазу радиосигналов, используемых для передачи данных о расстоянии. Но, пожалуй, самым большим преимуществом является то, что время безотказной работы RINGS составляет 98%, тогда как на VLBI на Земле влияет вращение планеты, из-за чего время его бесперебойной работы до любого заданного места на небе приближается к 49,7%.
Однако у RINGS есть и свои недостатки. Один из них — доплеровский сдвиг между самим космическим аппаратом и движением спутников, составляющих систему измерения местоположения. На Земле компоненты VLBI будут неподвижны по отношению друг к другу, но в космосе два геостационарных спутника могут удаляться друг от друга на большее или меньшее расстояние, что затрудняет использование их для фазовых измерений, критически важных для расчётов местоположения.
Ещё одна проблема — стабильность часов на геостационарном спутнике. На Земле нет ограничений по весу, поэтому многие базовые станции VLBI используют водородный мазер — высокостабильную форму часов, способную к чрезвычайно точному учёту времени. Геостационарные спутники, напротив, обычно полагаются на рубидиевые часы, которые имеют средний дрейф в одну пикосекунду каждые тысячу секунд. Это может показаться незначительным, но за очень длительные периоды времени этот дрейф может привести к значительному расхождению между часами трёх систем в структуре RINGS, что приведёт к дополнительным ошибкам.
Но, пожалуй, самая сложная часть RINGS — это точное прогнозирование местоположения самих геостационарных спутников. Позиции базовых станций VLBI на Земле хорошо известны и понятны с точностью до нескольких сантиметров. Однако положение геостационарных спутников известно лишь с точностью до нескольких десятков или сотен метров. Это не сильно влияет на такие измерения, как GPS, но как только расстояния начинают составлять несколько астрономических единиц, эта неопределённость может накапливаться.
Авторы статьи, базирующиеся в Технионе в Хайфе, предполагают, что существуют способы снизить эту неопределённость до 0,5 м. Это большое предположение, но в противном случае точность всей системы будет нарушена, и это кажется осуществимым с точки зрения физики, хотя и потребует дальнейшей работы.
В конечном счёте, при таких предположениях точность RINGS находится в том же порядке величин, что и у наземных систем VLBI, хотя в целом она немного хуже. Однако у неё всё ещё есть преимущество в виде доступности 98% времени. Увидим ли мы, что это достаточно привлекательное предложение, чтобы убедить организацию потратить время и усилия на запуск системы геостационарных спутников специально для отслеживания дальнего космоса, покажет время.