RU2310892C1 - Method for reading vertical gradient of abnormal magnetic field of earth at stratospheric heights - Google Patents
Method for reading vertical gradient of abnormal magnetic field of earth at stratospheric heights Download PDFInfo
- Publication number
- RU2310892C1 RU2310892C1 RU2006122134/28A RU2006122134A RU2310892C1 RU 2310892 C1 RU2310892 C1 RU 2310892C1 RU 2006122134/28 A RU2006122134/28 A RU 2006122134/28A RU 2006122134 A RU2006122134 A RU 2006122134A RU 2310892 C1 RU2310892 C1 RU 2310892C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- earth
- magnetic field
- mpz
- anomalous
- values
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к магнитометрии, в частности к измерениям вертикального градиента (дифференциала) скаляра индукции магнитного поля Земли (МПЗ) в приземном пространстве на борту высотного аэростата, и предназначено для исследования процесса формирования аномального МПЗ в околоземном пространстве и для изучения строения земной коры по магнитному полю.The invention relates to magnetometry, in particular to measurements of the vertical gradient (differential) of the Earth's magnetic field induction scalar (MPZ) in surface space aboard a high-altitude balloon, and is intended to study the process of formation of anomalous MPZ in near-Earth space and to study the structure of the earth's crust by magnetic field .
Известны способы измерения вертикального градиента МПЗ с помощью аэромагнитной съемки. Но этот способ не позволяет получить градиенты от магнитных источников, расположенных на глубоких горизонтах земной коры вследствие их малости. Даже самые чувствительные магнитные аэроградиентометры не позволяют это сделать ввиду ограниченных размеров измерительной базы [1].Known methods for measuring the vertical gradient of the MPZ using aeromagnetic imaging. But this method does not allow to obtain gradients from magnetic sources located on the deep horizons of the earth's crust due to their smallness. Even the most sensitive magnetic airborne gradiometers do not allow this because of the limited size of the measuring base [1].
Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения вертикального градиента МПЗ с помощью аэростатного магнитного градиентометра, заключающийся в синхронных измерениях МПЗ в трех точках пространства с помощью верхнего, среднего и нижнего магнитных измерителей (магнитометров), распределенных вдоль вертикали на измерительной базе длиной в несколько километров, выделении аномального МПЗ путем вычитания из измеренных значений величин нормального МПЗ с последующим вычислением вертикального градиента аномального МПЗ из взаимных разностей величин аномальных МПЗ [2]. При этом определяется местоположение верхнего магнитометра триады, для среднего и нижнего магнетометров горизонтальные координаты берутся те же, что и для верхнего магнитометра, а их вертикальная координата изменена на длину несущего троса, соединяющего верхний - средний и верхний - нижний магнитометры соответственно [3]. Для получения величин нормального МПЗ используется аналитическая модель главного МПЗ, дающая значения нормального МПЗ в зависимости от пространственных координат. При этом выделенный градиент аномального МПЗ позиционируется с местоположением верхнего магнитометра.Closest to the proposed is a method of measuring the vertical gradient of the magnetic field with an aerostatic magnetic gradiometer, which consists in synchronous measurements of the magnetic field at three points in space using the upper, middle and lower magnetic meters (magnetometers) distributed along the vertical on a measuring base several kilometers long, highlighting anomalous SCR by subtracting from the measured values of the values of the normal SCR with subsequent calculation of the vertical gradient of the anomalous SCR from the reciprocal differences in the values of abnormal MPZ [2]. In this case, the location of the triad’s upper magnetometer is determined, for the middle and lower magnetometers, the horizontal coordinates are the same as for the upper magnetometer, and their vertical coordinate is changed to the length of the carrier cable connecting the upper - middle and upper - lower magnetometers, respectively [3]. To obtain the values of the normal MPZ, an analytical model of the main MPZ is used, which gives the values of the normal MPZ depending on spatial coordinates. In this case, the selected gradient of the anomalous MPZ is positioned with the location of the upper magnetometer.
Недостаток известного способа [2, 3] заключается в том, что, способы предполагают неизменность положения измерительной базы относительно вертикали в процессе дрейфа аэростата. Но из-за наличия в атмосфере вертикального градиента скорости ветра воздушного течения, возмущений течения, приводящих к неучтенным отклонениям измерительной базы от вертикали и неучтенным изменениям при этом действующей длины (проекция на вертикальную линию) измерительной базы, не обеспечивается высокая точность получения вертикального градиента аномального МПЗ. Вследствие разных скоростей воздушного течения на разных высотах магнитометры в полете аэростата располагаются не один под другим, а с отклонением нижних измерителей относительно вертикали, проходящей через верхний измеритель. Погрешности выделения аномального МПЗ возникают из-за ошибок определения величины нормального МПЗ, так как его вычисление в известных способах [2, 3] не учитывает отклонений магнитометров от вертикальной линии и уменьшения действующей величины измерительной базы. При этом примененное в [2, 3] позиционирование полученного градиента аномального МПЗ с местоположением верхнего магнитометра не соответствует действительному местоположению при отклонениях измерительной базы от вертикали.The disadvantage of this method [2, 3] is that, the methods assume that the position of the measuring base relative to the vertical during the drift of the balloon. But due to the presence in the atmosphere of a vertical gradient of the wind velocity of the air flow, flow disturbances leading to unaccounted deviations of the measuring base from the vertical and unaccounted for changes in the effective length (projection on the vertical line) of the measuring base, the accuracy of obtaining the vertical gradient of the anomalous . Due to the different speeds of the air flow at different heights, the magnetometers in the flight of the aerostat are not located one below the other, but with a deviation of the lower meters relative to the vertical passing through the upper meter. Errors in the allocation of anomalous MES arise due to errors in determining the magnitude of the normal MES, since its calculation in known methods [2, 3] does not take into account the deviations of the magnetometers from the vertical line and the decrease in the effective value of the measuring base. Moreover, the positioning of the obtained gradient of the anomalous MPZ with the location of the upper magnetometer used in [2, 3] does not correspond to the actual location when the measuring base deviates from the vertical.
Решаемая техническая задача состоит в повышении точности получения вертикального градиента аномального МПЗ за счет учета отклонения магнитометров от вертикали, проходящей через верхний магнитометр, учета уменьшения действующей величины измерительной базы и более точного позиционирования в пространстве полученного градиента.The technical task to be solved is to increase the accuracy of obtaining the vertical gradient of the anomalous MPZ by taking into account the deviation of the magnetometers from the vertical passing through the upper magnetometer, taking into account the decrease in the effective value of the measuring base and more accurate positioning in the space of the obtained gradient.
Для решения поставленной задачи в способе, заключающемся в синхронных измерениях скаляра индукции МПЗ в трех точках пространства с помощью магнитных измерителей, распределенных вдоль вертикали на измерительной базе длиной в несколько километров, выделении аномального МПЗ путем вычитания из измеренных значений соответствующих каждому измерению величин нормального МПЗ с последующим вычислением вертикального градиента из взаимных разностей величин аномальных МПЗ, согласно изобретению дополнительно во всех этих точках выполняют навигационные измерения и уточняют пространственные координаты местоположения магнитных измерителей в моменты выполнения ими одновременных измерений, дополнительно определяют действующую длину измерительной базы. Значения величин нормального МПЗ определяют в точках магнитных измерений по данным уточненного местоположения и вычитают их из соответствующих измеренных значений МПЗ, а результаты последующих операций (разностные величины аномальных МПЗ) соотносят с действующей длиной измерительной базы и получают величину вертикального градиента аномального МПЗ. При этом полученную величину вертикального градиента позиционируют с местоположением среднего магнитометра. Последнее делает более точной привязку места определения вертикального градиента к местоположению источника аномального МПЗ.To solve the problem in the method, which consists in synchronous measurements of the induction scalar of SCR at three points in space using magnetic meters distributed along the vertical on a measuring base several kilometers long, isolating the anomalous SCR by subtracting from the measured values the values of the normal SCR from each measurement, followed by by calculating the vertical gradient from the mutual differences of the values of the anomalous MPZ, according to the invention, in addition to all these points, navi measurement measurements and specify the spatial coordinates of the location of the magnetic meters at the time they perform simultaneous measurements, additionally determine the effective length of the measuring base. The values of the normal MPS values are determined at the points of magnetic measurements according to the data of the specified location and subtracted from the corresponding measured MPS values, and the results of subsequent operations (difference values of the anomalous MPS) are correlated with the effective length of the measuring base and the vertical gradient value of the anomalous MPS is obtained. In this case, the obtained value of the vertical gradient is positioned with the location of the middle magnetometer. The latter makes it more accurate to link the location of the vertical gradient to the location of the source of the anomalous MPZ.
В основу технической реализации предлагаемого способа может быть взят прототип [2, 3], но в этом случае каждый приборный контейнер должен быть дополнительно оснащен навигационными GPS-приемниками. Примененные GPS-приемники могут иметь цикличность работы - одно измерение текущих координат в 1 с, из которых можно сделать выборку показаний на моменты магнитных измерений. Эти показания используются при определении нормального МПЗ, на которых основывается выделение вертикального градиента аномального МПЗ в соответствии с изобретением. Операции выделения вертикального градиента аномального МПЗ можно выполнить на бортовых вычислительных устройствах, содержащих элементы дискретной логики, или с помощью специализированной бортовой ЭВМ. Действующая длина измерительной базы определяется по разности высотных уровней местоположения магнитометров на моменты выполняемых ими синхронных измерений. Указанные выше операции целесообразно выполнить при послеполетной обработке данных с помощью персонального компьютера.The prototype [2, 3] can be taken as the basis for the technical implementation of the proposed method, but in this case each instrument container must be additionally equipped with GPS navigation receivers. Applied GPS-receivers can have a cyclic operation - one measurement of the current coordinates in 1 s, from which you can make a selection of readings at the moments of magnetic measurements. These indications are used in determining the normal MPZ, which is the basis for the selection of the vertical gradient of the abnormal MPZ in accordance with the invention. The operations of isolating the vertical gradient of the anomalous MPZ can be performed on-board computing devices containing elements of discrete logic, or using a specialized on-board computer. The effective length of the measuring base is determined by the difference in altitude levels of the magnetometers at the moments of synchronous measurements. It is advisable to perform the above operations during post-flight data processing using a personal computer.
Оценка эффективности предложенного способа выполнялась на основе данных, экспериментально полученных в натурном полете аэростата. В этом эксперименте градиентометр содержал три измерительных контейнера, равномерно разнесенные по вертикали, в каждом из которых находились магнитный измеритель и навигационный GPS-приемник. В процессе полета аэростата по данным GPS-приемников с точностью до 2-3 м определялись пространственные координаты положения магнитных измерителей и действующая длина измерительной базы, соответствующая проекции отклоненной измерительной базы на вертикаль в моменты выполнения синхронных магнитных измерений. Измеренные координаты каждого магнитного измерителя триады использовались для определения нормального МПЗ на моменты синхронных измерений. При этом использовалась международная аналитическая модель нормального МПЗ (IGRF) на соответствующую эпоху. Аномальные магнитные поля в точках синхронных измерений определялись путем вычитания из измеренных величин МПЗ соответствующих величин нормального МПЗ. Вертикальные градиенты аномального МПЗ вычислялись из взаимных разностей аномальных МПЗ, полученных в каждом синхронном магнитном измерении. Для наглядности результата в расчетах использовались аномальные МПЗ для местоположения нижнего и верхнего магнитных измерителей, образующих измерительную базу длиной 6 км. Покажем эффективность применения такого подхода при выделении величин вертикального градиента аномального АМП из данных, полученных в реальном полете. Для этого сопоставим погрешности выделения вертикального градиента аномального МПЗ, полученные по способу прототипа и по предлагаемому авторами способу. Натурный аэростатный эксперимент, выполненный авторами 03 ноября 2005 г, показал, что величина взаимного отклонения магнитометров при шестикилометровой длине измерительной базы в основном не превышала 300 м, но в отдельные периоды достигала 1500 м, при этом вертикальный размер измерительной базы сокращается на ~80 м. Рассмотрим возможные ошибки выделения градиента аномального МПЗ, присущие прототипу, возникающие за счет влияния нормального МПЗ для предельных экспериментально полученных величин взаимного отклонения магнитометров. Дадим исходные данные для оценки ошибок: а) градиент нормального магнитного поля в приземном пространстве в соответствии с моделью IGRF в горизонтальной плоскости, в среднем, составляет 2 нТл/км, вертикальный градиент нормального магнитного поля, в среднем, по той же модели составляет 25 нТл/км; б) средняя величина вертикального градиента аномального магнитного поля составляет 2,2 нТл/км [3] или 13,2 нТл на базе длиной 6 км, относительно которой выполним оценки погрешностей. При отклонении нижнего магнитометра от вертикальной оси, проходящей через верхний магнитометр на 1500 м, неучтенная ошибка определения нормального МПЗ составила 3 нТл, которая полностью переходит в ошибку вертикального градиента аномального МПЗ, что составляет 23% от величины 13,2 нТл (первая составляющая погрешности). Сокращение вертикального размера измерительной базы на 80 м, неучтенное влияние этого эффекта на расчет нормального МПЗ приведет к ошибке вертикального градиента аномального МПЗ в 2 нТл, что составляет 15% от величины 13,2 нТл (вторая составляющая погрешности). Полученная величина погрешности выделения градиента аномального МПЗ за счет влияния этих факторов, т.е. присущая прототипу, составит 20% (среднеквадратическое значение). При введении координатных поправок искомая погрешность будет определяться точностью позиционирования магнитометров, которая для GPS-приемников даже невысокого класса составляет ~10 м. При этом первая составляющая погрешности уменьшится в 150 раз и составит 0,15%, вторая - в 8 раз и составит 1,9%. В этом случае искомая среднеквавдратическая погрешность составит 2%.Evaluation of the effectiveness of the proposed method was carried out on the basis of data experimentally obtained in full-scale flight of a balloon. In this experiment, the gradiometer contained three measuring containers uniformly spaced vertically, each of which contained a magnetic meter and a GPS navigation receiver. During the flight of the aerostat, the spatial coordinates of the position of the magnetic meters and the effective length of the measuring base, corresponding to the projection of the deflected measuring base onto the vertical at the time of synchronous magnetic measurements, were determined with an accuracy of 2-3 m from GPS data. The measured coordinates of each magnetic triad meter were used to determine the normal MPZ at the time of synchronous measurements. In this case, we used the international analytical model of normal MPZ (IGRF) for the corresponding era. Anomalous magnetic fields at the points of synchronous measurements were determined by subtracting from the measured values of the magnetic field, the corresponding values of the normal magnetic field. The vertical gradients of the anomalous MPZ were calculated from the mutual differences of the anomalous MPZ obtained in each synchronous magnetic measurement. For clarity of the result, the calculations used anomalous faults for the location of the lower and upper magnetic meters, forming a measuring base 6 km long. Let us show the effectiveness of applying this approach when isolating the values of the vertical gradient of anomalous AMF from data obtained in real flight. To do this, we compare the errors in highlighting the vertical gradient of the anomalous MPZ obtained by the prototype method and the method proposed by the authors. A full-scale balloon experiment performed by the authors on November 03, 2005 showed that the magnitude of the mutual deviation of the magnetometers at a six-kilometer length of the measuring base generally did not exceed 300 m, but in some periods reached 1500 m, while the vertical size of the measuring base is reduced by ~ 80 m. Let us consider the possible errors in the allocation of the gradient of the anomalous MPZ inherent in the prototype, arising due to the influence of the normal MPZ for the limit experimentally obtained values of the mutual deviation of the magnetometers. Let us give the initial data for error estimation: a) the gradient of the normal magnetic field in the surface space, in accordance with the IGRF model in the horizontal plane, is on average 2 nT / km, the vertical gradient of the normal magnetic field, on average, is 25 nT for the same model / km; b) the average value of the vertical gradient of the anomalous magnetic field is 2.2 nT / km [3] or 13.2 nT on the basis of a length of 6 km, relative to which we carry out error estimates. When the lower magnetometer deviates from the vertical axis passing through the upper magnetometer by 1,500 m, the unaccounted for error in determining the normal MPZ was 3 nT, which completely turns into the error of the vertical gradient of the anomalous MPZ, which is 23% of 13.2 nT (the first component of the error) . The reduction of the vertical size of the measuring base by 80 m, the unaccounted for effect of this effect on the calculation of the normal MPZ will lead to an error of the vertical gradient of the anomalous MPZ of 2 nT, which is 15% of 13.2 nT (the second component of the error). The resulting error in the allocation of the gradient of the anomalous MPZ due to the influence of these factors, i.e. inherent in the prototype will be 20% (rms value). When introducing coordinate corrections, the desired error will be determined by the accuracy of magnetometer positioning, which for GPS receivers of even a low class is ~ 10 m. In this case, the first component of the error will decrease by 150 times and will be 0.15%, the second - by 8 times and will be 1, 9%. In this case, the sought standard error is 2%.
Следовательно, с использованием предложенного способа погрешность выделения градиента аномального МПЗ уменьшится в ~10 раз по сравнению с прототипом. При использовании более точных навигационных систем, чем упомянутая выше (например, дифференциальных), выигрыш будет в еще большее количество раз.Therefore, using the proposed method, the error in highlighting the gradient of the anomalous MPZ will decrease by ~ 10 times compared with the prototype. When using more accurate navigation systems than those mentioned above (for example, differential ones), the gain will be even greater.
ЛитератураLiterature
1. Nelson J.B., Marcotte D.V., Hardwick C.D. Comments on "Magnetic field gradients and their uses in the study of the Earth's magnetic field" of by Harrison and Southam. J. Geomag. Geoelectr., V.44, pp.367-370, 1992.1. Nelson J.B., Marcotte D.V., Hardwick C.D. Comments on "Magnetic field gradients and their uses in the study of the Earth's magnetic field" of by Harrison and Southam. J. Geomag. Geoelectr., V.44, pp. 367-370, 1992.
2. Белкин В.А., Резников А.Е., Цветков Ю.П. Способ измерения вертикального градиента магнитного поля Земли на борту аэростата и устройство для его осуществления. Патент №2006889 C1, G01V 3/40. Опубл. 30.01.94, бюл. №2. (Прототип).2. Belkin V.A., Reznikov A.E., Tsvetkov Yu.P. A method of measuring the vertical gradient of the Earth's magnetic field on board an aerostat and a device for its implementation. Patent No. 2006889 C1, G01V 3/40. Publ. 01/30/94, bull. No. 2. (Prototype).
3. Цветков Ю.П. Исследования аномального магнитного поля Земли на стратосферных высотах. Геомагнетизм и аэрономия. 1993. Том 33. №6, с.159-164.3. Tsvetkov Yu.P. Studies of the anomalous magnetic field of the Earth at stratospheric heights. Geomagnetism and aeronomy. 1993. Volume 33. No. 6, p. 159-164.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006122134/28A RU2310892C1 (en) | 2006-06-22 | 2006-06-22 | Method for reading vertical gradient of abnormal magnetic field of earth at stratospheric heights |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006122134/28A RU2310892C1 (en) | 2006-06-22 | 2006-06-22 | Method for reading vertical gradient of abnormal magnetic field of earth at stratospheric heights |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2310892C1 true RU2310892C1 (en) | 2007-11-20 |
Family
ID=38959533
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006122134/28A RU2310892C1 (en) | 2006-06-22 | 2006-06-22 | Method for reading vertical gradient of abnormal magnetic field of earth at stratospheric heights |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2310892C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112836378A (en) * | 2021-02-08 | 2021-05-25 | 中国人民解放军92859部队 | Method for calculating central region effect of external gravity abnormal vertical gradient based on Poisson theory |
| CN112946691A (en) * | 2021-02-06 | 2021-06-11 | 长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局 | Zonal area coordinate conversion segmentation method considering elevation abnormal trend change |
-
2006
- 2006-06-22 RU RU2006122134/28A patent/RU2310892C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ЦВЕТКОВ Ю.П. Исследование аномального магнитного поля Земли на стратосферных высотах. Геомагнетизм и аэрономия, 1993, т.3, №6, с.159-164. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112946691A (en) * | 2021-02-06 | 2021-06-11 | 长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局 | Zonal area coordinate conversion segmentation method considering elevation abnormal trend change |
| CN112946691B (en) * | 2021-02-06 | 2024-03-12 | 长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局 | Band-shaped region coordinate conversion segmentation method considering elevation anomaly trend change |
| CN112836378A (en) * | 2021-02-08 | 2021-05-25 | 中国人民解放军92859部队 | Method for calculating central region effect of external gravity abnormal vertical gradient based on Poisson theory |
| CN112836378B (en) * | 2021-02-08 | 2023-01-10 | 中国人民解放军92859部队 | Method for calculating central region effect of external gravity abnormal vertical gradient based on Poisson theory |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104764436B (en) | It is determined that the method and apparatus for the wire topographic section of track of being marched into the arena along the transverse direction on airport | |
| US4870602A (en) | Method for determining route angles | |
| CN106323334B (en) | A kind of magnetometer calibration method based on particle group optimizing | |
| CN104006827B (en) | Method for evaluating stability of north orientation benchmark for inertial measurement unit calibration | |
| CN109856689B (en) | Noise suppression processing method and system for superconducting aeromagnetic gradient tensor data | |
| CN106092106B (en) | Eulerian angles scaling method between star sensor and Magnetic Sensor | |
| Nettleton et al. | Tests of an airborne gravity meter | |
| CN104280013A (en) | Method for determining attitude of rock mass structural plane based on measurement coordinates | |
| CN105091880A (en) | Method for tracking and positioning underwater long-distance magnetic object based on scalar sensor array | |
| CN104297771B (en) | GNSS device and method for precisely and quickly measuring elevation | |
| CN103562753A (en) | Gravity gradiometer survey techniques | |
| CN103926627A (en) | Underwater carrier geomagnetic three-component measuring method | |
| CN108520112A (en) | A kind of aircraft interference field compensation method based on Tikhonov regularization | |
| CN109856691A (en) | A kind of airborne gravity vector downward continuation method and system based on gradient method | |
| CN110006454A (en) | A kind of method of IMU calibration three-axle table verticality and initial attitude | |
| EP3214404B1 (en) | Systems and methods for calibrating and adjusting a heading reference system | |
| RU2310892C1 (en) | Method for reading vertical gradient of abnormal magnetic field of earth at stratospheric heights | |
| CN113447993B (en) | Magnetic force vector measurement compensating flight method and system and magnetic compensation method and system | |
| CN110736484A (en) | Background magnetic field calibration method based on fusion of gyroscope and magnetic sensor | |
| CN106771682B (en) | A kind of space charge concentration acquisition methods and device | |
| CN103901496A (en) | Gravity measuring method based on fiber-optic gyroscope SINS and Big Dipper | |
| RU2577806C1 (en) | Method of calibrating accelerometric three-axis inclinometer | |
| RU2589495C1 (en) | Method of determining spatial orientation angles of aircraft and device therefor | |
| CN102621506A (en) | Total field magnetometer 4-direction determining method and device for magnetic parameters of rock and ore samples | |
| RU2526234C1 (en) | Method for complex evaluation of effect of geomagnetic pseudo-storms |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160623 |