С.В. Ермак1, В.В. Семенов2, М.В. Сергеева3

1-3 Высшая школа прикладной физики и космических технологий, Институт электроники и телекоммуникаций Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (Санкт-Петербург, Россия)

1 serge_ermak@mail.ru; 2 vladimir_semenov@mail.ru; 3 sergeeva_mar_vyach21@mail.ru

Постановка проблемы. Поскольку при движении навигационного спутника по орбите на частоту его бортовых рубидиевых атомных часов существенно влияет меняющееся по величине и направлению геомагнитное поле, необходимо найти решение этой проблемы посредством измерения напряженности геомагнитного поля на орбите спутника навигационных систем, вектор которого периодически изменяет свое направление по отношению к ориентации носителя при его движении.

Цель. Исследовать возможность коррекции частоты бортовых рубидиевых атомных часов с помощью показаний бортового квантового магнитометра при движении спутника навигационной системы в меняющемся по величине и направлению геомагнитном поле.

Результаты. Представлены результаты расчета ориентационной зависимости частоты бортовых рубидиевых атомных часов для навигационных спутников систем GPS и Galileo c учетом периодической переориентации вектора геомагнитного поля, связанной с движением спутника по орбите, вращением его вокруг собственной оси и изменением угла магнитного склонения Земли. Проведен эксперимент, демонстрирующий возможность коррекции малогабаритных рубидиевых атомных часов, размещенных в имитирующем магнитную обстановку на орбите спутника лабораторном вращающемся магнитном поле, по показаниям идеального квантового магнитометра в предположении, что параметры создаваемых лабораторных магнитных полей известны. Рассчитаны коэффициенты корреляции между временны́ми зависимостями ошибки позиционирования систем GPS и Galileo и смоделированной ориентационной погрешностью частоты атомных часов. Выполнена оценка эффективности подавления влияния вариаций величины и направления геомагнитного поля на стабильность частоты малогабаритных рубидиевых атомных часов. Описан один из методов измерения параметров геомагнитного поля с помощью квантового магнитометра МZ-типа.

Практическая значимость. Возможность коррекции частоты атомных часов по сигналу бортового квантового магнитометра позволяет существенно подавить влияние вариаций величины и направления геомагнитного поля. поля на точность позиционирования навигационных спутников.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант № 20-19-00146, https://rscf.ru/project/20-19-00146/.

Ермак С.В., Семенов В.В., Сергеева М.В. Возможность коррекции бортовых рубидиевых атомных часов по показаниям квантового магнитометра // Радиотехника. 2025. Т. 89. № 1. С. 87−98. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202501-08

1. Donley E.A., Hodby E., Hollberg L., Kitching J. Demonstration of high-performance compact magnetic shields for chip-scale atomic devices // Review of Scientific Instruments. 2007. № 78. Р. 083102; https://doi.org/10.1063/1.2767533.
2. Ермак С.В., Семенов В.В., Ермак О.В. Исследование возможности подавления влияния изменений направления внешнего магнитного поля на относительные частотные флуктуации двух рубидиевых атомных часов // Радиотехника. 2021. Т. 85.
   № 12. С. 129−138. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202112-11.
3. Лозов Р.К., Ермак С.В., Семенов В.В., Ермак О.В. Моделирование влияния геомагнитного поля на точность атомных часов бортовой аппаратуры систем спутниковой навигации // Радиотехника. 2019. Т. 83. № 12(20). С. 32-37.
4. Svehla D. Geometrical Theory of Satellite Orbits and Gravity Field. Springer. 2018.
5. Бандура А.С. Оценка точности данных навигационных сообщений космических аппаратов спутниковых радионавигационных систем // Научнотехнический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2006. № 29.   
6. Borisov D.A., Lozov R.K., Kuznetsov M.N., Nitkina A.A., Chekireva A.A. Modeling the Effect of Geomagnetic Field Anomalies on the Frequency of Satellite Onboard Rubidium Clock in the GPS Navigation System. In: Velichko E., Kapralova V., Karaseov P., Zavjalov S., Angueira P., Andreev S. (eds). International Youth Conference on Electronics, Telecommunications and Information Technologies // Springer Proceedings in Physics. Springer. Cham. 2022. V. 268. Р. 515-520. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-81119-8_56.
7. Dinkelaker A.N., Kaparthy A., Reher S.E., Krutzik M. Optical quantum technologies for compact rubidium vapor-cell frequency standards in space using small satellites // Journal of the British Interplanetary Society. 2019. V. 72. № 3. P. 74-82.
8. Патент RU №140875, полезная модель. Квантовый MZ-магнитометр. / Семенов В.В., Ермак С.В. Опубл. 20.05.2014; бюлл. № 14.
9. Куршин А.В. Повышение точности определения местоположения потребителей ГЛОНАСС путем увеличения частоты закладок временной информации на спутники // Труды МАИ (электронный журнал). 2012. № 57. С. 1-7.
10. Ермак С.В., Семенов В.В., Баранов А.А., Лозов Р.К. Ориентационные сдвиги частоты бортовых рубидиевых атомных часов // Радиотехника. 2022. Т. 86. № 12. С. 59-68. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202212-05.
11. Прикладной потребительский центр ГЛОНАСС: сайт. URL: https://www.glonass-iac.ru/ (дата обращения: 11.06.24).