• пятница, 29 Марта, 09:40
  • Baku Баку 5°C

В спутниковые системы заложена эмпирическая формула

15 марта 2020 | 13:30
В спутниковые системы заложена эмпирическая формула

НАУКА
Трудно представить себе сегодняшнюю жизнь без Global Positioning System (GPS). Что нового происходит в последнее время в этой области? Об этом и о многом - в беседе с известным ученым, лауреатом ряда международных премий, профессором Тель-Авивского университета, иностранным членом Российской академии естественных наук (РАЕН) Львом Эппельбаумом - кстати, выпускником АзИНЕФТЕХИМА (1982 г.).
Кроме того, ученый является автором порядка 400 публикаций (включая 9 книг, 10-я готовится к печати), обладателем медали Христиана Гюйгенса 2019 года (Европейское общество наук о Земле) и ряда других наград, членом нескольких международных комиссий (например, по изучению вращения Земли, экологической геофизике) и т.д.
Научный индекс профессора Эппельбаума в известной международной базе ResearchGate составляет 44.47 - больше, чем у кого-либо в области наук о Земле не только в Израиле, но и за его пределами.
От микроволнового диапазона до инфракрасного
- Лев Виленович, расскажите, пожалуйста, о вашей работе над проектом GPS, инициированным Российской академией наук.
- Начну, пожалуй, с участников проекта. Руководят данным исследованием действительный член РАЕН профессор Геннадий Голубков, действительный член Российской академии наук профессор Александр Берлин, д-р Михаил Манжелий. Все перечисленные лица, кроме меня - сотрудники Института химической физики им.Р.Р.Семенова РАН. Участвует в проекте и ряд других исследователей (в основном, с российской стороны).
Далее - приведу в пример очень занятный эпиграф, после чего будет дано некоторое вступление. Итак, эпиграф. Разговор отца с ребенком:
- Папа, а как вы ездили раньше без GPS?
- Очень просто, сынок. Мы пользовались картами, опрашивали местное население.
- И местное население показывало вам путь по GPS?
- Нет, сынок, GPS тогда совсем не было.
- Не может быть папа! Как же вы тогда жили?
Свою первую популярную лекцию в Тель-Авивском университете профессор Геннадий Голубков начал со слов «Давайте рассмотрим вырожденные состояния ридберговских комплексов». Это была стратегическая ошибка. Среди сотрудников и студентов университета насчитывалось некоторое количество человек, которые могли бы без подготовки принять это выражение, и их большая часть на этой лекции отсутствовала. Толпа слушателей стала таять, и концу лекции их осталось человек десять.
Мы не будем повторять этой ошибки, и будем постепенно вводить читателя в суть проблемы. Хотя здесь весьма сложно обойтись без формул и практически невозможно обойтись без ряда специфических терминов, которые я буду объяснять по ходу дела.
К примеру, многие автолюбители пользуются навигатором, который основан на использовании спутниковой системы GPS (или ГЛОНАСС - российский вариант GPS). Это исключительно удобно, поскольку позволяет не задумываясь ехать в нужном направлении. Однако иногда возникает ситуация, которая просто огорчает водителя. Навигатор ведет себя непредсказуемо и не соответствует своему прямому назначению. Более того, это происходит не только с одним водителем, а со всеми его окружающими, то есть нарушается порядок движения.
Специалисты утверждают, что такие события не являются редкими и проявляются при магнитных бурях в ионосфере, о которых толком ничего не сообщают. Однако известно, что эти бури возникают при повышении солнечной активности, когда Солнце испускает поток частиц, который называется солнечным ветром. Он содержит электроны, протоны, атомы водорода, гелия и другие более тяжелые частицы из таблицы Менделеева. Приблизительно через 30-35 часов этот поток приходит в ионосферу Земли.
Проходя через ионосферу, быстрые электроны сталкиваются с нейтральными частицами плазмы. При этом однократно или даже многократно они ионизуют эти частицы, т.е. отрывают связанные электроны. В результате ионосфера получает дополнительные свободные электроны и положительно заряженные ионы, другими словами степень ионизации плазмы повышается. Взаимодействие электронов с нейтральными молекулами среды в такой плазме приводит к формированию сверхфонового излучения - от микроволнового диапазона до инфракрасного. Тяжелые частицы в свою очередь вступают в химические реакции, которые изменяют состав ионосферы. Таким образом, приход солнечного ветра немедленно отражается на ее физико-химических свойствах. Изменения этих свойств мы обсудим позже, а сейчас рассмотрим устройство и организацию работы глобальной спутниковой системы навигации.
GPS спасает жизнь
- Как же работает спутниковая система GPS?
- Global Positioning System позволяет определять географическое положение точки в околоземном пространстве, которое, как известно, задается с помощью трех координат. С этой целью должны приниматься постоянно передающиеся сигналы от различных искусственных спутников, вращающихся по 12-часовым орбитам на высотах от 20 до 30 тыс. км. С помощью полученной информации определяется расстояние до каждого спутника, их взаимное расположение, и вычисляются координаты точки по законам геометрии. Поэтому приемник должен принимать сигналы от не менее трех ближайших к нему спутников. Например, для определения координат на поверхности Земли достаточно трех спутников, а для определения еще и высоты над уровнем моря необходимы сигналы с четырех. Более того, постоянно отслеживая найденные свои координаты в течение некоторого времени, приемник также может определить скорость и направление движения. Основными рабочими гражданскими частотами GPS являются L1=1.57542 Гигагерц и L2=1.22760 Гигагерц.
- Возникает очевидный вопрос: какова точность этих измерений?
- Первым обстоятельством, ухудшающим точность позиционирования, является пространственное расположение передающих спутников, т.е. их взаимная геометрия. Если относительно приемника спутники расположены недалеко друг от друга, точность ухудшается. В противном случае она возрастает.
Далее - в автомобиле или пешком среди высоких зданий в городских условиях, в горах или в глубоких ущельях возможности приема спутниковой GPS-информации ограничены, так как полезная часть неба заслонена. При этом вследствие отражения спутникового сигнала от различных объектов, когда оно происходит раньше достижения сигналом приемной антенны, время достижения приемника возрастает. Следовательно, для приемника спутник находится на большем расстоянии, чем на самом деле, что приводит к увеличению ошибки измерения.
Существуют и другие источники ошибок, например, задержка прохождения сигнала из-за различных атмосферных явлений. Одним из них является влияние грозовой активности, что сейчас активно изучается. Это связано с тем, что на высотах 80-90 км над поверхностью Земли концентрация свободных электронов в такие периоды резко возрастает, по крайней мере, на два порядка. В нормальных условиях небольшие погрешности измерений, которые всегда присутствуют и даже превышают нескольких метров, практически не влияют на движение таких объектов как туристы, автомобили, поезда, самолеты и обычный водный транспорт. Этого вполне достаточно для решения задач гражданской навигации.
- Где еще может пригодиться система GPS?
- Система GPS, как и интернет, является важным элементом глобальной информационной инфраструктуры. Свободный и надежный доступ к системе привел к разработке сотен приложений, влияющих на каждый аспект современной жизни. Безусловно, что одним из главнейших приложений системы является транспорт. Технология GPS в настоящее время используется во всем, от сотовых телефонов и точных часов до бульдозеров, геофизических исследований, и даже банкоматов. GPS повышает производительность в различных отраслях экономики, включая сельское хозяйство, строительство, добыча полезных ископаемых, геодезия, почтовые услуги. Основные сетевые коммуникации, банковские системы, а также электрические сети сильно зависят от нее для точной синхронизации времени.
Система спасает жизнь, предотвращая несчастные случаи на транспорте, способствует поисково-спасательным работам, ускоряет доставку экстренных служб и ликвидации последствий стихийных бедствий. Решение многих насущных урбанистических проблем (например, полной автоматизации городского транспорта) невозможно без широкого внедрения новых систем GPS. Она является жизненно важной для следующего поколения авиатранспортной системы, что должно способствовать повышению безопасности полетов при увеличении пропускной способности воздушного пространства, а также необходима для решения научных и практических задач, таких как прогнозирование погоды, мониторинг землетрясений и охраны окружающей среды.
В радиотени Земли
- Когда и какие нарушения происходят в самой системе GPS?
- Спонтанные усиления активности Солнца, включая вспышки, которые сопровождаются значительным ростом электромагнитного излучения и солнечного ветра, приводят к заметным возмущениям ионосферы и верхней атмосферы Земли. Одним из наиболее ярких проявлений таких возмущений являются сбои в работе системы GPS при прохождении спутникового сигнала от передатчика до приемника. Они сопровождаются также временной задержкой распространения сигнала, т.е. он движется со скоростью, меньшей скорости света в вакууме. Это явление приводит к ошибке позиционирования и является крайне вредным.
Несмотря на все усилия, которые непрерывно предпринимались исследователями всего мира за последние 30-40 лет, ясного понимания природы этого негативного явления среди большинства из них так и не было достигнуто. Более того, вплоть до настоящего времени эти исследователи придерживаются прямо противоположной точки зрения, полагая, что скорость распространения сигнала неизменна и равна скорости света, а задержка вызвана увеличением длины пути, как в обычной геометрической оптике. Однако никаких убедительных доказательств такого поведения сигнала приведено не было. Поэтому необходимость решения этой фундаментальной проблемы требует проведения специальных (и весьма дорогостоящих) экспериментов, направленных на выяснение истинной сути дела. К сожалению, ряд администраторов, ответственных за работу GPS в США, придерживаются принципов геометрической оптики, которые в рассматриваемых условиях работают неточно. Кроме этого в системе GPS наблюдаются и другие неприятные явления.
- Правильно ли я вас поняла, что солнечная активность является основной причиной ухудшения точности GPS?
- Абсолютно правильно. Причем ошибки позиционирования, т.е. точности определения наших координат на местности, в периоды повышения активности и последующих магнитных бурь (возмущений) могут достигать сотен метров, что нас не очень устраивает.
Прямые измерения с помощью баллистических ракет и радиозатменным методом показали, что слой атмосферы, где преимущественно происходит искажение сигнала GPS, расположен на высоте от 60 до 110 км над поверхностью Земли (эта область включает так называемые D и E слои нижней ионосферы). Радиозатменный метод организовывается с помощью двух сообщающихся между собой низкоорбитальных спутников и основан на поглощении сантиметровых радиоволн на трассах «спутник-спутник» при заходе одного из них в область радиотени Земли.
В настоящее время физическая интерпретация связи солнечных событий с нарушениями функционирования спутниковых навигационных систем представлена недостаточно полно. Для объяснения этих явлений необходимо выяснить, какие именно физико-химические процессы влияют на распространение радиоволн этого частотного диапазона в атмосфере.
Анализ данных экспериментальных исследований показывает, что основной вклад в ошибки позиционирования формируется на участках радиотрасс, проходящих через нижнюю ионосферу. Оправданность этого вывода подтверждается многочисленными исследованиями, где показано, что в дневное время ошибки позиционирования создаются преимущественно на высотах, меньших 110 км.
Влияние нижней ионосферы в слое 60-110 км на качество приема сигнала спутников GPS убедительно продемонстрировано с использованием изучения зависимости отношения сигнал/шум от времени полета ракеты, запущенной из космодрома Швеции по баллистической орбите с максимальной высотой подъема 700 км.
Вблизи границ ионизации
- Какой вывод вы можете сделать, исходя из приведенных вами экспериментальных фактов?
- Необходимо отметить следующее: частотный спектр излучения солнца в интервале от 2 до 18 ГГц является равномерным и одновременно влияет на весь интервал частот. Однако, в действительности с ростом солнечной активности наблюдается избирательная последовательность уменьшения отношения сигнал-шум для частот L1 и L2. Вначале уменьшается отношение сигнал/шум на частоте L1, т.е. этот сигнал GPS искажается первым. Далее с ростом активности подключается и второй на частоте L2. Заметим, что в этой работе приведена также аналогичная равномерная по частоте временная зависимость мощности излучения в интервале 1.2-1.6 ГГц при повышенной солнечной активности.
Это означает, что солнечное излучение не может отвечать за указанный эффект непосредственно и физическая причина явления состоит в другом явлении, которое связано наличием собственного некогерентного излучения ридберговских комплексов в неравновесной плазме как среды распространения сигналов GPS.
- Так что же такое «ридберговские комплексы»?
- Ридберговскими называются такие высоковозбужденные состояния атомов и молекул, которые расположены вблизи границы ионизации и характеризуются наличием бесконечной последовательности уровней энергии, сходящихся к порогу ионизации. Ридберговские атомы и молекулы обладают одним возбужденным слабосвязанным электроном, состояние которого характеризуется энергией уровня с заданным главным квантовым числом n и угловым моментом электрона l относительно ионного остова. Энергии уровней с большими угловыми моментами не зависят от l (орбитально вырожденные состояния). Эти состояния являются статистически наиболее устойчивыми, поскольку электрон проводит основное время на больших расстояниях от ионного остова.
В опытах Афраймовича (США) с ростом интенсивности принимаемого сигнала наблюдалось увеличение количества сбоев, т.е. принимаемый сигнал отличается от исходного, что не может происходить от некогерентного излучения Солнца. Такое поведение сигнала может быть объяснено только тем, что он подвержен резонансному воздействию среды распространения, природа которого в последнее время интенсивно исследуется и связана с каскадом перерассеяния электромагнитных волн на ридберговских частицах в D слое.
Таким образом, имеется два явных противоречия, которые на первый взгляд несовместимы друг с другом, так как первое явление связано с собственным некогерентным световым воздействием ридберговских комплексов на отношение сигнал/шум в опытах Афраймовича, а второе - с их когерентным квантовым резонансным воздействием на сигнал GPS. Другими словами, перед нами возникает задача, которая заключается в том, чтобы связать воедино эти два явления. С другой стороны, согласно измерениям наиболее сильное искажение сигнала GPS происходит в нижней части E слоя и в D слое ионосферы (ниже 110 км над поверхностью Земли), физическую причину которого мы постараемся объяснить.
«Заселение» ридберговских комплексов
- Ридберговские состояния в атмосфере - чем же они мешают?
- Они играют определяющую роль в деградации спутникового сигнала GPS. Радиофизики хорошо понимали, что для эффективного воздействия на спутниковые сигналы необходима такая среда, в которой частоты радиационных переходов являются резонансными по отношению к несущим частотам системы GPS. Естественно, что такими свойствами обладают ридберговские атомы и молекулы, так как частоты переходов между их состояниями убывают с ростом главного квантового числа n. Однако частотам GPS соответствуют только переходы между ридберговскими состояниями с n ≥ 500, которые не заселяются в ионосфере вследствие наличия статических электрических полей. По этой причине максимальные значения главных квантовых чисел не превышают n = 200. Поэтому гипотеза об их участии оказалась несостоятельной.
На помощь пришел процесс рассеяния ридберговских частиц на молекулах нейтральной среды, приводящий к формированию состояний с большими значениями угловых моментов электрона l, который называется l-перемешиванием. Энергии уровней таких состояний не зависят от величины момента l (они называются орбитально вырожденными состояниями). Которые являются статистически наиболее устойчивыми, поскольку электрон проводит основное время на больших расстояниях от ионного остова. В верхней атмосфере он протекает быстро и является необратимым. Это напрямую связано с наличием среды, которая берет на себя часть поступательной энергии. Рассмотрим в качестве наглядного примера, раскрывающего роль нейтральной среды, игру в обыкновенный бильярд. После первого удара по треугольнику шары разлетаются по столу и останавливаются. При этом их начальная энергия частично поглощается сукном. Однако не существует такого удара, который привел бы эту систему в исходное положение, т.е. процесс является строго необратимым. Аналогичная ситуация имеет место и в атмосфере.
Чтобы понять роль потока свободных электронов, представим себе условно солдат, которые направляются на пункт переформирования, проходя равномерно через мост. Если солдаты расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, то на языке электронов это означает постоянную концентрацию в некотором слое (т.е. на мосту). Чем больше скорость перемещения солдат (поток электронов), тем меньше время прохождения моста той группы, которая будет направлена в заданную часть (аналог «заселенности» ридберговских комплексов). Далее эта часть направляется на фронт. Если переформирование по частям и их отправка на фронт происходит медленнее скорости прибытия новых солдат, то общая численность на пункте переформирования будет возрастать. Так происходит «заселение» ридберговских комплексов в неравновесной плазме за счет потока электронов.
Подтверждено экспериментально
- В чем же суть выдвигаемого вами анализа?
- Суть нашего анализа состоит в квантовом подходе к описанию задержки спутникового сигнала. На квантовом языке речь идет о фотонах, посылаемых спутником, через резонансную квантовую среду верхней атмосферы Земли, расположенной в слое 80-110 км. Сигналы постоянно работающего передатчика представляют собой набор фотонов, посылаемых в определенном порядке. При прохождении спутникового сигнала через этот слой происходит многократное резонансное рассеяние фотонов на орбитально вырожденных ридберговских комплексах, где за счет взаимодействия с нейтральной средой возникает множество электронных состояний, между которыми возможны различные радиационные переходы. Эти переходы являются вынужденными, так как происходят в электромагнитном поле передатчика. Напряженность этого поля определяется его мощностью и по отношению к рассеиванию фотонов может рассматриваться постоянной, поскольку длительность сигнала GPS порядка 0.001 сек и значительно превышает время задержки. Учитывая также, что длины волн спутникового сигнала относятся к дециметровому диапазону, что много больше размера комплекса, все эти переходы достаточно рассматривать в дипольном приближении. Для обработки измерений предполагается использовать передовые методы вэйвлет анализа и теории информации
- Как же происходит распространение и искажение радиосигнала?
- Для качественного объяснения особенностей распространения и искажения сигнала GPS достаточно ограничиться случаем резонансного (релеевского) упругого рассеяния (когда квантовое состояние ридберговского комплекса не изменяется). Тогда при прохождении спутникового сигнала через атмосферный слой 60-110 км в нормальных геофизических условиях, сдвиг частоты будет порядка 0.01 Гигагерц, а время задержки сигнала - порядка 100 наносекунд. При этом ошибка позиционирования, которая определяется приемником GPS, соответствует нескольким метрам, что хорошо согласуется с наблюдаемыми величинами. Таким образом, ридберговские комплексы в атмосфере служат своеобразными оптическими ловушками для рассеивающихся фотонов спутникового сигнала.
Заметим, что вплоть до настоящего времени в спутниковые системы позиционирования GNSS для времени задержки заложена эмпирическая формула, которая была получена в результате статистической обработки принимаемых сигналов в нормальных условиях. Ситуация существенно изменяется при возникновении магнитных бурь (возмущений), когда концентрация и поток электронов заметно возрастают. Попытки описать эти ситуации в рамках классической электродинамики принципиально не могут привести к задержке сигнала, так как показатель преломления в ионосфере (включая плазменные неоднородности) отличается от единицы только в четвертом знаке после запятой (т.е., пренебрежимо мал), что хорошо известно и подтверждено экспериментально.
Именно резонансное многократное взаимодействие сигнала с квантовой средой определяет процесс задержки. В заключение отметим, что последовательная квантовая теория распространения спутниковых сигналов для более полной картины явления должна учитывать также комбинационное (рамановское) рассеяние фотонов и возможность распада ридберговских комплексов, которые до сих пор в научной литературе не обсуждались. Это позволит рассчитывать достоверные значения сдвига несущей частоты и времени задержки приходящего на Землю спутникового сигнала GPS. Таким образом, исследователям всего мира предстоит еще много работы, чтобы избавить GPS от негативного воздействия эффектов, возникающих в атмосфере (ионосфере) Земли.
- В чем сложность данного исследования? Похоже, что с теоретической базой здесь все в порядке.
- Действительно, теория уже практически наработана и на эту тему у нас было опубликовано более 15 статей в международной печати (часть - с тайваньскими и индийскими учеными), готовится к печати книга в издательстве Springer. Однако дальнейшие исследования в этой области требуют проведения ряда дорогостоящих экспериментов, в том числе, - в ионосфере и на орбите Земли. В настоящее время мы ищем (уже почти нашли) заинтересованных спонсоров.
Галия АЛИЕВА
banner

Советуем почитать