Эффект Доплера

Материал из Юнциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

В этой статье рассказывается, как используется в науке и технике эффект Доплера в радиосигналах искусственных спутников Земли.

Вследствие эффекта Доплера (см. Лучевая скорость) наземные станции принимают радиосигналы, излучаемые искусственными спутниками Земли в частотах, отличных от тех, на которые настроены бортовые радиопередатчики. Появившись в зоне радиослышимости станции, спутник сначала приближается к ней, а затем, пройдя точку орбиты, наиболее близкую к станции, начинает удаляться. В соответствии с этим принимаемые на станции радиосигналы сначала имеют частоту более высокую по сравнению со стандартной частотой излученного сигнала, постепенно она уменьшается и в конце концов становится более низкой, чем стандартная частота.

Уже в 1957 г. были разработаны методы определения орбиты спутника путем анализа характера изменения доплеровского сдвига частоты при пролете спутника около одной или нескольких станций с известными географическими координатами. Почти в то же время была решена и обратная задача, заключающаяся в определении координат станции по доплеровским сдвигам частот радиосигналов, излученных спутником с хорошо известной орбитой.

В 60–70‑х гг. были созданы специальные системы навигационных спутников, обеспечивающие возможность определения места расположения наблюдателя с помощью аппаратуры, принимающей и анализирующей доплеровский сдвиг частот радиосигналов, излучаемых спутником. Так, американская система «Транзит» (предшественник GPS) включала в себя часть спутников, обращающихся вокруг Земли по круговым орбитам на высоте около 1000 км над поверхностью Земли (период обращения около 107 мин). Наземная сеть постоянно работающих станций наблюдает, оперативно фиксирует все изменения в движении спутников и улучшенные элементы орбиты каждые 12 ч записывает в память бортовых электронных вычислительных машин.

В основе метода определения положения наблюдателя с помощью доплеровских навигационных спутников лежат следующие соображения. Если в течение некоторого точно зафиксированного интервала времени (обычно 2 мин) регистрировать доплеровский сдвиг частот радиосигналов, излучаемых спутником, то не представляет большого труда вычислить, на какое расстояние приблизился или удалился спутник за время наблюдений (как известно, доплеровский сдвиг частот пропорционален лучевой скорости спутника). Иными словами, из наблюдений становится известной разность расстояний от станции до точек орбиты спутников, в которых он начал и кончил передачу очередной серии радиосигналов. Координаты этих точек автоматически вычисляются на борту спутника и также передаются по радио наблюдателю.

Этих данных достаточно, чтобы определить поверхность («поверхность положения»), на которой где‑то расположен наблюдатель; эта поверхность имеет форму гиперболоида. Проведя три серии наблюдений, наблюдатель получает возможность математическим путем найти общую точку трех гиперболоидов и таким образом определить свое местоположение. Обычно все измерения и вычисления проводятся автоматически, с помощью портативной аппаратуры, которую можно разместить и на борту корабля, и в любой точке земной поверхности.

Доплеровские приемники, первоначально предназначавшиеся для нужд навигации, скоро вошли в практику геодезических работ, а с 1969 г. система «Транзит» использовалась также и для определения координат полюса (см. Служба движения полюсов). Координаты полюса вычисляются в виде поправок к «среднему» положению полюса, используемому при определении орбит спутников.

С 1973 г. Международное бюро времени использует эти наблюдения наряду с классическими астрономическими определениями широт и долгот.