RU2767153C1 - Method for marine gravimetric survey and apparatus for implementation thereof - Google Patents
Method for marine gravimetric survey and apparatus for implementation thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2767153C1 RU2767153C1 RU2020136477A RU2020136477A RU2767153C1 RU 2767153 C1 RU2767153 C1 RU 2767153C1 RU 2020136477 A RU2020136477 A RU 2020136477A RU 2020136477 A RU2020136477 A RU 2020136477A RU 2767153 C1 RU2767153 C1 RU 2767153C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- survey
- carrier
- gravimetric
- measured
- measurements
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
- G01V7/00—Measuring gravitational fields or waves; Gravimetric prospecting or detecting
- G01V7/16—Measuring gravitational fields or waves; Gravimetric prospecting or detecting specially adapted for use on moving platforms, e.g. ship, aircraft
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Ocean & Marine Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Geophysics (AREA)
- Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области геофизики, а более конкретно - к способам съемки параметров гравитационного поля Земли.The invention relates to the field of geophysics, and more specifically to methods for capturing the parameters of the Earth's gravitational field.
Известен способ гравиметрической съемки на движущемся объекте, включающий измерения приращения УСТ гравиметром, неподвижно установленном на объекте-носителе, определение широты места, пути и абсолютной скорости объекта навигационным средством, вычисление по полученным данным поправки на эффект Этвеша [1 Гайнанов А.Г., Пантелеев В.Л. Морская гравиразведка. - М: «Недра», - 1991. - 214 с., Железняк Л.К., Конешов В.Н. Изучение гравитационного поля Мирового океана // Вестник Российской Академии Наук. 2007, том 77, №5, с. 408-419.] и вычисление УСТ в морских гравиметрических пунктах.There is a method of gravimetric survey on a moving object, including measuring the increment of the UST with a gravimeter fixedly mounted on the carrier object, determining the latitude of the place, the path and the absolute speed of the object by the navigation aid, calculating the correction for the Eötvös effect from the obtained data [1 Gainanov A.G., Panteleev V.L. Marine gravity exploration. - M: "Nedra", - 1991. - 214 p., Zheleznyak L.K., Koneshov V.N. Study of the gravitational field of the World Ocean // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. 2007, Volume 77, No. 5, p. 408-419.] and calculation of TSI at offshore gravimetric stations.
Также известен способ определения УСТ в море, включающей измерение УСТ гравиметром, неподвижно установленным на подвижном основании, определение широты места, пути объекта и абсолютной скорости гравиметра навигационным средством, вычисление по полученным данным поправки на эффект Этвеша и искомого УСТ [Способ морской гравиметрической съемки (19) RU (11) 2440592 (13) С2 (51) МПК G01V 11/00 (2006.01)(21)(22) Заявка: 2010110411/28, 2010.03.18 (24) Дата начала отчета срока действия патента: 2010.03.18 (22) Дата подачи заявки: 2010.03.18 (45). Опубликовано: 2012.01.20].Also known is a method for determining the SST in the sea, including measuring the SST with a gravimeter fixedly mounted on a movable base, determining the latitude of the place, the path of the object and the absolute speed of the gravimeter by a navigation aid, calculating the correction for the Eötvös effect and the desired SST from the obtained data [Method of marine gravimetric survey (19 ) RU (11) 2440592 (13) С2 (51) IPC G01V 11/00 (2006.01)(21)(22) Application: 2010110411/28, 2010.03.18 (24) Start date of the patent term report: 2010.03.18 ( 22) Application date: 2010.03.18 (45). Published: 2012.01.20].
Известное устройство для осуществления способа содержит функционально соединенные и расположенные на стабилизированной в горизонтальной плоскости платформе чувствительную систему, блок управления, навигационное средство, вычислитель и регистратор.The known device for implementing the method comprises a sensitive system, a control unit, a navigation aid, a computer and a recorder, functionally connected and located on a platform stabilized in a horizontal plane.
Недостаток известных способов и устройства заключаются в том, что они имеют недостаточно высокую точность определения УСТ на движущемся объекте при выполнении морской гравиметрической съемки. Это объясняется тем, что при их использовании имеют место существенная погрешность определения поправки на эффект Этвеша и существенная погрешность измерения УСТ, обусловленная искажением измерений за счет значительной (от 3 до 6 мин) постоянной времени низкочастотного фильтра гравиметра и скоростью изменения гравитационного поля, в котором движется объект-носитель. Погрешность возникает также при использовании известных способов и устройства из-за того, что при вычислении поправки на эффект Этвеша по формуле [Гайнанов А.Г., Пантелеев В.Л. Морская гравиразведка. - М: «Недра», - 1991. - 214 с. ]The disadvantage of the known methods and devices lies in the fact that they have insufficiently high accuracy in determining the SET on a moving object when performing a marine gravity survey. This is due to the fact that when using them, there is a significant error in determining the correction for the Eötvös effect and a significant measurement error in the SET due to measurement distortion due to a significant (from 3 to 6 min) time constant of the low-frequency filter of the gravimeter and the rate of change of the gravitational field in which the carrier object. An error also occurs when using known methods and devices due to the fact that when calculating the correction for the Eötvös effect according to the formula [Gainanov A.G., Panteleev V.L. Marine gravity exploration. - M: "Nedra", - 1991. - 214 p. ]
где V - скорость объекта-носителя; ϕ - широта мета измерения; А - направление вектора скорости объекта-носителя, которая в силу возможностей существующих навигационных средств не может быть измерена с требуемой точностью.where V is the speed of the carrier object; ϕ - latitude of the meta dimension; A - the direction of the velocity vector of the carrier object, which, due to the capabilities of existing navigation aids, cannot be measured with the required accuracy.
Необходимую точность измерения скорости носителя, чтобы учитывать поправку Этвеша с заданной точностью, можно оценить, продифференцировав функцию (2) по переменным V, А, ϕ и, перейдя к СКП, получить зависимость дисперсии функции как суммы дисперсий аргументов в виде [Зубченко Э.С. Обоснование требований к навигационному обеспечению морской гравиметрической съемки. // Записки по гидрографии, 2017, №302, с. 39-45]The required accuracy of measuring the carrier velocity, in order to take into account the Eotvos correction with a given accuracy, can be estimated by differentiating the function (2) with respect to the variables V, A, ϕ and, passing to the SCP, obtain the dependence of the function variance as the sum of the variances of the arguments in the form [Zubchenko E.S . Substantiation of requirements for navigational support of marine gravimetric survey. // Notes on Hydrography, 2017, No. 302, p. 39-45]
где 
mν, mА, тϕ - СКП V, А и ϕ, соответственно.m ν , m A , t ϕ - SCP V, A and ϕ, respectively.
Применяя для оценки принцип равного влияния каждого из членов правой части выражения (3) на погрешность учета поправки Этвеша, получим формулу для оценки допустимой СКП скорости объекта-носителя в зависимости от требуемой точности учета данной поправкиApplying for the assessment the principle of equal influence of each of the terms of the right side of expression (3) on the error of taking into account the Eötvös correction, we obtain a formula for estimating the allowable SCP speed of the carrier object, depending on the required accuracy of accounting for this correction
Выражение (3) позволяет оценить требования к точности выработки скорости навигационным комплексом объекта-носителя, выполняющего гравиметрическую съемку. Например, если считать, что поправка Этвеша должна учитываться с погрешностью, не превышающей одной третьей части допустимой погрешности съемки; 
Абсолютные гидроакустические лаги измеряют скорость судна относительно дна с погрешностью 0,2% от измеряемой величины для скоростей менее 10 узлов (при скорости судна 10 узлов это составит 0,01 м/с). [Система инерциальной навигации и стабилизации (СИНС) «Ладога» // http://www.elektropribor.spb.ru/ru/newprod/rekl/ladoga.pdf.]. Такая высокая точность достигается за счет усреднения измеренных значений за период, продолжительность которого у разных образцов лагов может составлять от одной минуты до одного часа. Например, у модели лага 3060 DSVL фирмы ITT Exelis указанная точность достигается при периоде усреднения, равном 1 часу [Model 3060 DSVL System// http://www.edocorp.com/capabilities/ piezoelectric /Documents/Doppler sonar velocity log systems.pdf]. При односекундном усреднении погрешность выработки скорости составляет 0,1 узла или 0,57 м/с.Absolute hydroacoustic logs measure the ship's speed relative to the bottom with an error of 0.2% of the measured value for speeds less than 10 knots (for a ship speed of 10 knots, this will be 0.01 m/s). [Inertial navigation and stabilization system (SINS) "Ladoga" // http://www.elektropribor.spb.ru/ru/newprod/rekl/ladoga.pdf.]. This high accuracy is achieved by averaging the measured values over a period that can vary from one minute to one hour for different lag samples. For example, the 3060 DSVL log model from ITT Exelis achieves the specified accuracy with an averaging period of 1 hour [Model 3060 DSVL System// http://www.edocorp.com/capabilities/ piezoelectric /Documents/Doppler sonar velocity log systems.pdf ]. With a one-second averaging, the speed generation error is 0.1 knots or 0.57 m/s.
Рассмотрим возможность решения этой проблемы при измерении скорости с помощью глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС).Let us consider the possibility of solving this problem when measuring speed using global navigation satellite systems (GNSS).
Двухчастотные судовые приемники ГНСС, работающие в режиме RTK измерений, например, модели DC201 производства фирмы AD Navigation AS, измеряют скорость судна с погрешностью (доверительная вероятность 68,3%) 0,005 м/с [RTK DGPS Receivers// Hydro International, - 2007, - v. 11, - No 9, - p. 32-37]. Для получения данных о скорости в реальном масштабе времени должен использоваться преемник ГНСС, работающий в режиме RTK, что требует установки специальных корректирующих береговых станций, дальность действия которых ограничивается расстоянием прямой видимости, т.е. около 20 км, а их главным недостатком является невозможность приема сигналов ГНСС под водой.Dual-frequency GNSS shipborne receivers operating in RTK measurement mode, for example, DC201 models manufactured by AD Navigation AS, measure ship speed with an error (68.3% confidence level) of 0.005 m/s [RTK DGPS Receivers// Hydro International, - 2007, -v. 11, -
Выполненный анализ показывает, что требуемая точность измерения скорости объекта-носителя для учета поправки Этвеша современными навигационными средствами недостижима. Более того, существующая практика определения поправки Этвеша путем ее вычисления не по мгновенному значению скорости на момент измерения, а по ее среднему значению за промежуток времени, равный 5-30 мин [Огородова Л.В., Шимбирев Б.П., Юзефович А.П. Гравиметрия. М.: Недра, 1978. 325 с. ] представляется некорректной по своей сути и заведомо приводит к неопределенному результату. На самом деле, каждому отсчету приращения УСТ по гравиметру должна соответствовать поправка Этвеша для скорости объекта в момент взятия отсчета по гравиметру. Для устранения этих ограничений необходимо искать принципиально новый подход.The performed analysis shows that the required accuracy of measuring the velocity of a carrier object to take into account the Eötvös correction by modern navigation aids is unattainable. Moreover, the existing practice of determining the Eötvös correction by calculating it not by the instantaneous value of the speed at the time of measurement, but by its average value over a period of time equal to 5-30 minutes [Ogorodova L.V., Shimbirev B.P., Yuzefovich A. P. Gravimetry. M.: Nedra, 1978. 325 p. ] is inherently incorrect and obviously leads to an undefined result. In fact, each reading of the SET increment by the gravimeter must correspond to the Eötvös correction for the object's velocity at the time the reading was taken by the gravimeter. To eliminate these limitations, it is necessary to look for a fundamentally new approach.
Другой методической погрешностью известных способов съемки ГПЗ следует признать невозможность точного учета центробежных ускорений при движении объекта по траектории с переменным значением радиуса кривизны. Считается, например, что преобладающий период вертикальных перемещений движущегося подводного объекта составляет 30-120 с, а их амплитуда 2…3 м [Попов Е.И. Определение силы тяжести на подвижном основании. - М.: Наука, 1967, с. 178]. Если для оценки принять траекторию объекта синусоидальной с амплитудой 2 м и пространственным периодом, равным расстоянию, проходимому объектом за 120 с со скоростью 4 узла, центробежные ускорения могут достигать значения от 1,3 до 546 мГал и их учет требует специального технического решения.Another methodological error of the known methods of surveying the GPZ should be recognized as the impossibility of accurately accounting for centrifugal accelerations when an object moves along a trajectory with a variable value of the radius of curvature. It is believed, for example, that the predominant period of vertical movements of a moving underwater object is 30-120 s, and their amplitude is 2 ... 3 m [Popov E.I. Determination of gravity on a movable base. - M.: Nauka, 1967, p. 178]. If for evaluation we accept the trajectory of the object as sinusoidal with an amplitude of 2 m and a spatial period equal to the distance traveled by the object in 120 s at a speed of 4 knots, centrifugal accelerations can reach values from 1.3 to 546 mGal and their accounting requires a special technical solution.
Гравитационное и инерционное ускорения невозможно отделить друг от друга физическими методами, но при измерении в движении их частотные характеристики часто не совпадают. Практически задача определения силы тяжести на подвижном основании решается частотной фильтрацией с синхронными вычислениями инерционных ускорений по траекторным измерениям неинерциальными приборами.Gravitational and inertial accelerations cannot be separated from each other by physical methods, but when measured in motion, their frequency characteristics often do not match. In practice, the problem of determining the force of gravity on a moving base is solved by frequency filtering with synchronous calculations of inertial accelerations from trajectory measurements by non-inertial devices.
Как следует из приведенных в [Применение гравиинерциальных технологий в геофизике. - СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2002, - 199 с.] частотных характеристик идеального фильтра, предназначенного для подавления помех с частотами >0,4 10-2 Гц, сигнал помех, формируемый движением объекта-носителя по синусоидальной траектории и имеющий частоты в диапазоне 3 10-2 - 8 10-3 с-1 с амплитудой от 1,3 до 546 мГал, не будет подавляться даже идеальным фильтром и, следовательно, будет вносить погрешность в измеряемый гравиметром полезный сигнал.As follows from those given in [Application of inertial gravity technologies in geophysics. - St. Petersburg: State Scientific Center of the Russian Federation Central Research Institute "Elektropribor", 2002, - 199 p.] frequency characteristics of an ideal filter designed to suppress interference with frequencies > 0.4 10 -2 Hz, an interference signal generated by the movement of the carrier object along a sinusoidal path and having frequencies in the
Таким образом, из-за недостаточной точности учета поправки Этвеша и учета динамических ускорений современные способы гравиметрической съемки и используемые для этого технические средства не позволяют достичь требуемой точности.Thus, due to the insufficient accuracy of taking into account the Eötvös correction and taking into account dynamic accelerations, modern methods of gravimetric survey and the technical means used for this do not allow achieving the required accuracy.
Данное изобретение направлено на преодоление недостатков существующих способов и технических средств морской гравиметрической съемки. Для повышения точности гравиметрических измерений на подвижном основании в предлагаемом изобретении предлагается использование градиентометрических измерений. Гравитационная градиентометрия включает измерение пространственных изменений (градиентов) ГПЗ.The present invention is directed to overcoming the shortcomings of existing marine gravimetric survey methods and techniques. To improve the accuracy of gravimetric measurements on a movable base, the present invention proposes the use of gradiometric measurements. Gravity gradiometry involves the measurement of spatial variations (gradients) of the GEA.
Гравитационный градиентометр (ГГ), ориентированный осями чувствительности в топоцентрической координатной системе (ТКС), связанной с ГПЗ, измеряет компоненты тензора градиента силы тяжести, представленных формулой [Colm A. Murphy The Air-FTG™ airborne gravity gradiometer system// Geoscience Australia Record 2004/18 Airborne Gravity 2004 Abstracts from the ASEG-PESA Airborne Gravity 2004 Workshop Edited by Richard Lane // [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://docviewer.yandex.ru/view/. (дата доступа 2.06.20)].A gravity gradiometer (GG) oriented with sensitivity axes in a topocentric coordinate system (TCS) associated with the GPZ measures the gravity gradient tensor components represented by [Colm A. Murphy The Air-FTG™ airborne gravity gradiometer system// Geoscience Australia Record 2004 /18 Airborne Gravity 2004 Abstracts from the ASEG-PESA Airborne Gravity 2004 Workshop Edited by Richard Lane // [Electronic resource]. Access mode: https://docviewer.yandex.ru/view/. (accessed 2.06.20)].
где Wij (i, j принимают попеременно обозначения осей координатной системы х, у, z) - градиенты составляющих вектора силы тяжести (Wx, Wy, Wz) по осям х, у, z ТКС.where W ij (i, j alternately take the notation of the axes of the coordinate system x, y, z) - the gradients of the components of the gravity vector (W x , W y , W z ) along the x, y, z axes of the TCS.
На ограниченном участке земной поверхности Wx << Wz, Wy << Wz, и поэтому можно считать, что 
Это приближение используется в прикладной геофизике [Торге В. Гравиметрия: Пер. с англ. - М., Мир, 1999. - 429 с., ил.].This approximation is used in applied geophysics [Torg V. Gravimetry: Per. from English. - M., Mir, 1999. - 429 p., ill.].
При небольших расстояниях в плане и по высоте составляющие гравитационного градиента (5) можно представить в видеAt small distances in plan and in height, the components of the gravitational gradient (5) can be represented as
где 
Δх, Δy, Δz - расстояния между точками измерений вертикальных составляющих УСТ на осях ТКС.Δх, Δy, Δz - distances between the measurement points of the vertical components of the UST on the axes of the TCS.
В ГГ измеряют смещения двух или большего числа пробных масс в неоднородном гравитационном поле измерительной системы. При этом полагают, что градиент постоянен.In GG, the displacements of two or more test masses are measured in an inhomogeneous gravitational field of the measuring system. It is assumed that the gradient is constant.
В системе с поступательным движением (осевая система) датчиком служит пара акселерометров. Составляющие УСТ действуют в направлениях осей чувствительности акселерометров. Разность измеренных по каждой из осей ускорений позволяет получить составляющие градиента УСТ по этим осям:In a system with translational motion (axial system), the sensor is a pair of accelerometers. The SET components act in the directions of the sensitivity axes of the accelerometers. The difference between the accelerations measured along each of the axes makes it possible to obtain the components of the UST gradient along these axes:
где axi, ayi, azi (i=1,2) - ускорения, измеренные акселерометрами, установленными по осям ТКС прибора;where ax i , ay i , az i (i=1.2) - accelerations measured by accelerometers installed along the axes of the instrument's TCS;
bх, by, bz - расстояния между нулями отсчетов пар акселерометров по осям ТКС прибора.bx, by, bz are the distances between the zeros of readings of pairs of accelerometers along the axes of the instrument's TCS.
Гравитационный градиентометр, ориентированный в ТКС, связанной с гравитационным полем, измеряет компоненты тензора градиента силы, измеряя разность ускорений, воздействующих на близкие пробные массы, а градиент вычисляется по разности их измеряемых перемещений (осевая система с поступательным движением), либо углов поворота (вращательная система). Эти перемещения измеряют оптическими или электрическими устройствами.A gravity gradiometer oriented in the TCS associated with the gravitational field measures the components of the force gradient tensor by measuring the difference in accelerations acting on close test masses, and the gradient is calculated from the difference in their measured displacements (axial system with translational motion) or rotation angles (rotary system ). These movements are measured by optical or electrical devices.
Чтобы получить градиент с ошибкой ±1 нc-2, необходимо измерять ускорение с ошибкой ±1 нм с-2, что соответствует 10-10 g [Торге В. Гравиметрия: Пер. с англ. - М.: Мир, 1999. - 429 с., ил.].To obtain a gradient with an error of ±1 ns -2 , it is necessary to measure the acceleration with an error of ±1 nm s -2 that corresponds to 10 -10 g [Torge V. Gravimetry: Per. from English. - M.: Mir, 1999. - 429 p., ill.].
Гравитационные градиентометры содержат комбинации пар датчиков с различной пространственной ориентировкой. Например, ортогональное расположение трех систем с поступательным движением, образованных трехосными акселерометрами, позволяет получить все девять компонент тензора силы тяжести, четыре из которых будут избыточными величинами [Colm A. Murphy The Air-FTG™ airborne gravity gradiometer system// Geoscience Australia Record 2004/18 Airborne Gravity 2004 Abstracts from the ASEG-PESA Airborne Gravity 2004 Workshop Edited by Richard Lane // [Электронный ресурс] [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://docviewer.yandex.ru/view/. (дата доступа 2.06.20)]..Gravity gradiometers contain combinations of pairs of sensors with different spatial orientations. For example, the orthogonal arrangement of three translational systems formed by triaxial accelerometers makes it possible to obtain all nine components of the gravity tensor, four of which will be redundant values [Colm A. Murphy The Air-FTG™ airborne gravity gradiometer system// Geoscience Australia Record 2004/ 18 Airborne Gravity 2004 Abstracts from the ASEG-PESA Airborne Gravity 2004 Workshop Edited by Richard Lane // [Electronic resource] [Electronic resource]. Access mode: https://docviewer.yandex.ru/view/. (accessed 2.06.20)]..
В отличие от измерений на неподвижном основании при работе в динамическом режиме приборная ТКС движется относительно системы координат, фиксированной в пространстве; при этом возникают линейные и центробежные ускорения подвижного носителя.In contrast to measurements on a fixed base, when operating in a dynamic mode, the instrumental TCS moves relative to a coordinate system fixed in space; in this case, linear and centrifugal accelerations of the movable carrier arise.
Образуя разность ускорений, измеренных парой акселерометров, влияние негравитационных поступательных ускорений исключается. Если же градиентометр стабилизирован в инерциальном пространстве, то члены, описывающие вращения, также исключаются. В различных известных конструкциях градиентометров используется разное число пар акселерометров с различным расположением, которые измеряют до девяти компонент тензора. Разрабатываются традиционные электронные схемы, а также схемы, использующие эффект сверхпроводимости. Измерения выполняются со сравнительно большой частотой (например, через 1 с), перед последующей обработкой результаты усредняются (например, за 10 с). Чувствительность акселерометров при наземных измерениях должна быть порядка 101-100 нc-2. При осреднении за 10 с ожидаемая точность будет ±3-0,3 нc-2 [Торге В. Гравиметрия: Пер. с англ. - М.: Мир, 1999. - 429 с., ил.]. Поскольку величины градиентов и возмущающих ускорений велики, необходимо, чтобы приборы имели большой динамический диапазон. И наконец, повышенные требования предъявляются к стабильности во времени и надежности учета дрейфа.Forming the difference in accelerations measured by a pair of accelerometers, the influence of non-gravitational translational accelerations is eliminated. If the gradiometer is stabilized in inertial space, then the terms describing rotations are also excluded. Various well-known gradiometer designs use a different number of pairs of accelerometers in different locations that measure up to nine tensor components. Traditional electronic circuits are being developed, as well as circuits using the effect of superconductivity. The measurements are performed at a relatively high frequency (for example, after 1 s), and the results are averaged before further processing (for example, over 10 s). The sensitivity of accelerometers for ground measurements should be of the order of 10 1 -10 0 ns -2 . When averaged over 10 s, the expected accuracy will be ± 3-0.3 ns -2 [Torge V. Gravimetry: Per. from English. - M.: Mir, 1999. - 429 p., ill.]. Since the values of gradients and perturbing accelerations are large, it is necessary that the instruments have a large dynamic range. And finally, increased requirements are placed on the stability in time and the reliability of drift accounting.
Для исключения неустранимых существующими способами и средствами недостатков в данном изобретении предлагается на одной гиростабилизируемой в горизонтальной плоскости платформе и ориентируемой по направлению на север имитирующей ТКС (с осью абсцисс, направленной на север, с направленной по отвесу вниз осью аппликат, и дополняющей координатную систему до правосторонней осью ординат), установить по осям ТКС три пары акселерометров по одной паре на каждую так, чтобы их оси чувствительности совпадали с направлением оси аппликат ТКС как показано на фиг. 1.To eliminate disadvantages that cannot be eliminated by existing methods and means, this invention is proposed on one gyro-stabilized platform in the horizontal plane and oriented northward simulating TCS (with the abscissa axis directed to the north, with the applicate axis directed down the plumb line, and complementing the coordinate system to the right-hand side along the TCS axes, install three pairs of accelerometers, one pair for each, so that their sensitivity axes coincide with the direction of the TCS applicate axis, as shown in Fig. one.
Акселерометры измеряют деформацию упругого элемента при действии суммы ускорений на пробную массу с одной степенью свободы относительно корпуса, а гиростабилизируемая платформа непрерывно совмещает ось чувствительности (линию перемещения пробной массы) с направлением силы тяжести (с местной вертикалью).Accelerometers measure the deformation of the elastic element under the action of the sum of accelerations on the test mass with one degree of freedom relative to the body, and the gyro-stabilized platform continuously aligns the sensitivity axis (line of test mass movement) with the direction of gravity (with the local vertical).
Согласно данному изобретению для реализации предлагаемого способа морской гравиметрической съемки предлагается съемочная система, устанавливаемая на носителе съемочной аппаратуры, например, автономном необитаемом подводном аппарате (далее - носитель), включающая гравиметрический градиентометр (далее - градиентометр). Градиентометр, включающий платформу и систему стабилизации платформы в горизонтальной плоскости и в плоскости меридиана, воспроизводящую топоцентрическую координатную систему, первой пары акселерометров, устанавливаемых на горизонтальной платформе на оси абсцисс симметрично на фиксированном расстоянии от начала воспроизводимой ТКС и ориентированные осью чувствительности, по направлению оси аппликат, удерживаемому системой стабилизации в плоскости меридиана (на север), для измерения и генерации сигналов смещения пробной массы от исходного положения и соответствующих им сигналов ускорения; вторая пара акселерометров, устанавливаемых на той же платформе на оси ординат ТКС симметрично на фиксированном расстоянии от ее начала и ориентированных осью чувствительности, по направлению оси аппликат, предназначенный для измерения и генерации сигналов смещения пробной массы от начального положения и соответствующих этим смещениям сигналов ускорения, третья пара акселерометров на вертикальной штанге, жестко скрепленной в начале ТКС с этой же горизонтальной стабилизируемой платформой и совпадающей по направлению ее осью аппликат для измерения смещения пробных масс акселерометров третьей пары относительно исходного положения и генерации сигналов ускорений, соответствующих этим смещениям пробных масс; электронный блок для приема и сигналов ускорения от акселерометров каждой пары и сигналов смещения от устройств слежения для обработки сигналов и вычисления составляющих градиента УСТ по формулам (4) и последующего вычисления по этим данным и по данным навигационной системы носителя о его перемещении в ТКС с началом в начальной точке съемки в текущий морской гравиметрический пункт значения УСТ в морских гравиметрических пунктах по формулеAccording to this invention, to implement the proposed method of marine gravimetric survey, a survey system is proposed that is installed on a carrier of survey equipment, for example, an autonomous uninhabited underwater vehicle (hereinafter referred to as the carrier), including a gravimetric gradiometer (hereinafter referred to as the gradiometer). A gradiometer including a platform and a system for stabilizing the platform in the horizontal plane and in the meridian plane, reproducing the topocentric coordinate system, of the first pair of accelerometers installed on the horizontal platform on the abscissa axis symmetrically at a fixed distance from the beginning of the reproduced TCS and oriented with the sensitivity axis in the direction of the applicate axis, held by the stabilization system in the plane of the meridian (to the north), for measuring and generating signals of displacement of the test mass from the initial position and the corresponding acceleration signals; the second pair of accelerometers installed on the same platform on the ordinate axis of the TCS symmetrically at a fixed distance from its origin and oriented with the sensitivity axis in the direction of the applicate axis, designed to measure and generate signals of the test mass displacement from the initial position and the acceleration signals corresponding to these displacements, the third a pair of accelerometers on a vertical rod rigidly fastened at the beginning of the TCS with the same horizontal stabilized platform and an applicate coinciding in the direction of its axis for measuring the displacement of the test masses of the accelerometers of the third pair relative to the initial position and generating acceleration signals corresponding to these displacements of the test masses; an electronic unit for receiving both acceleration signals from the accelerometers of each pair and displacement signals from tracking devices for signal processing and calculation of the components of the UST gradient according to formulas (4) and subsequent calculation from these data and from the data of the navigation system of the carrier about its movement into the TCS with the beginning at the starting point of the survey to the current marine gravimetric point SET values in marine gravimetric points according to the formula
где 
K - количество измерений градиентометром вертикального градиента при всплытии носителя со дна на глубину выполнения съемки;K is the number of measurements by the gradiometer of the vertical gradient when the carrier emerges from the bottom to the depth of the survey;
k=1, 2…К - номер градиентометрического измерения при всплытии носителя со дна на глубину выполнения съемки;k=1, 2…K - number of gradiometric measurement when the carrier emerges from the bottom to the depth of the survey;
Wzzk - измерений градиентометром вертикальный градиент УСТ при всплытии носителя со дна на глубину выполнения съемки;Wzz k - measurements by the gradiometer of the vertical gradient of the UST when the carrier emerges from the bottom to the depth of the survey;
h - высота носителя над дном, достигаемая им при всплытии со дна на глубину выполнения съемки;h is the height of the carrier above the bottom, reached by it when it rises from the bottom to the depth of the survey;
i=1, 2,…n - номер градиентометрического измерения на съемочном галсе;i=1, 2,…n - number of gradiometric measurement on survey line;
Wzxi, Wzyi, Wzzi - измеренные составляющие тензора градиента УСТ по осям X, Y и Z соответственно;Wzx i , Wzy i , Wzz i - measured components of the gradient tensor UST along the X, Y and Z axes, respectively;
Xi, Yi, Zi - составляющие пути, пройденного носителем от опорного пункта в данную точку измерений;X i , Y i , Z i - components of the path traversed by the carrier from the reference point to the given measurement point;
j=1, 2,…m - номер градиентометрического измерения при всплытии (погружении) носителя;j=1, 2,…m - number of gradiometric measurement during ascent (immersion) of the carrier;
Wzzj - составляющая тензора градиента УСТ по оси Z, измеренная при всплытии (погружении) носителя;Wzz j - component of the gradient tensor UST along the Z axis, measured during the ascent (immersion) of the carrier;
z - глубина, на которой производилась съемка;z is the depth at which the survey was made;
ζ - поправка на высоту уровня над средним уровнем моря.ζ - correction for height above mean sea level.
Используя известный прием вывода дисперсии функции через дисперсии аргументов, для выражения (1) получим:Using the well-known method of deriving the variance of a function through the variances of the arguments, for expression (1) we get:
где 
S - путь, проходимый носителем при съемке от опорного пункта по галсам съемки до этого же опорного пункта.S is the path covered by the carrier when surveying from the reference point along the survey lines to the same reference point.
Принимая среднюю квадратическую ошибку измерения опорного значения УСТ на опорном пункте равной точности измерения УСТ баллистическим гравиметром, т.е. 
Акселерометры могут быть смонтированы в корпусе, стабилизирующем температуру. Электронные акселерометры позволяют осуществить более точное и быстрое измерение параметров перемещения положения закрепленной массы. Подобные устройства внешне могут представлять собой миниатюрный чип для микросхемы, габариты которого не превышают 10 мм. Например, емкостной трехосевой МЭМС-акселерометр с цифровым выходом изготовлен по специальной технологии 3D-M3MC. В корпусе датчика находятся высокоточный чувствительный элемент для определения ускорений и сервисная электроника (ASIC) с гибким цифровым выходом SPI. Подобная конструкция корпуса гарантирует надежную работу сенсора на протяжении всего жизненного цикла. Для обеспечения стабильного выхода акселерометры подобного класса разрабатываются, производятся и тестируются в широком диапазоне температур, влажности и механического шума. Он полностью совместим с одно- и двухосевыми акселерометрами данного типа, что дает возможность использовать датчики при построении предлагаемого в изобретении устройства.Accelerometers can be mounted in a temperature stabilizing case. Electronic accelerometers allow for a more accurate and faster measurement of the movement parameters of the position of the fixed mass. Externally, such devices can be a miniature chip for a microcircuit, the dimensions of which do not exceed 10 mm. For example, a capacitive three-axis MEMS accelerometer with a digital output is manufactured using a special 3D-M3MC technology. The sensor housing contains a high-precision sensing element for detecting accelerations and service electronics (ASIC) with a flexible SPI digital output. This housing design guarantees reliable operation of the sensor throughout its entire life cycle. To ensure stable output, this class of accelerometers are designed, manufactured and tested over a wide range of temperatures, humidity and mechanical noise. It is fully compatible with one- and two-axis accelerometers of this type, which makes it possible to use sensors in the construction of the device proposed in the invention.
Емкостной принцип действия датчиков обеспечивает прямое измерение смещения пробной массы, обеспечивая низкую потребляемую мощность, а симметричные структуры элементов - улучшенную стабильность нуля акселерометра, линейность и чувствительность по оси, низкую зависимость показаний от температуры (нелинейность обычно ниже 1%; чувствительность по оси обычно не превышает 3%), высокую производительность при работе в диапазоне измерений при малых g, хорошую стабильность по смещению нуля и низкое влияние шума на показания датчика.The capacitive principle of operation of the sensors provides a direct measurement of the displacement of the test mass, providing low power consumption, and the symmetrical structures of the elements provide improved zero stability of the accelerometer, linearity and sensitivity along the axis, low dependence of readings on temperature (nonlinearity is usually below 1%; sensitivity along the axis usually does not exceed 3%), high range performance at low g, good zero offset stability, and low noise effect on sensor readings.
Сенсор преобразует ускорение тела в электрический ток, заряд или напряжение. Технические характеристики емкостного трехосевого акселерометра [МЭМС-датчик ВМХ160 - очередной шаг вперед от BOSCH https: //spb.terraelectronica.ru/news/ (дата доступа 4.06.20)]:The sensor converts body acceleration into electric current, charge or voltage. Technical characteristics of the capacitive three-axis accelerometer [MEMS sensor BMX160 - another step forward from BOSCH https: //spb.terraelectronica.ru/news/ (accessed 06/04/20)]:
Электропитание - 3.3 В;Power supply - 3.3 V;
Диапазон измерений -±6 g;Measurement range -±6 g;
Разрешение АЦП 12 бит;
Встроенный температурный сенсор;Built-in temperature sensor;
Цифровой выход SPI;SPI digital output;
Максимальный удар 20 Кг;Maximum impact 20 Kg;
Рабочая температура [-40;+125]°С;Operating temperature [-40;+125]°С;
Полоса пропускания45…50 ГцBandwidth45…50 Hz
Размер 7,7 × 8,6 × 3.3 мм.Size 7.7 × 8.6 × 3.3 mm.
В существующих измерительных системах для демпфирования, термокомпенсации и бароизоляции системы корпус заполняется кремний-органической жидкостью. Поскольку постоянная времени упругой системы определяется вязкостью жидкости и ее температурой, для морского гравиметра она составляет около 2 мин, что приводит к снижению точности измерений и уменьшению пространственной разрешающей способности съемки. Для устранения этого недостатка применяемых датчиков в данном изобретении предлагается использовать датчики на основе технологии микроэлектромеханики (MEMS), позволяющей создать намного меньшие, более легкие и более дешевые, чем современные образцы гравиметрических датчиков. Небольшой размер и малый вес акселерометра MEMS позволит смонтировать устройство на подводном носителе, а относительно низкая стоимость одного MEMS-устройства также сделает его практичным для развертывания нескольких акселерометров, как это предусматривает данное изобретение. Примером датчика такого типа является, например, микросхема ВМХ160 фирмы Bosch Sensortec, которая объединяют в одном корпусе 3-х осевой акселерометр, 3-х осевой гироскоп, 3-х осевой магнитометр. Это позволяет значительно снизить габариты и уменьшить энергопотребление. Более того, встроенная аппаратная библиотека программ позволяет повышать точность измерений каждого датчика за счет учета данных остальных сенсоров. Акселерометр, входящий в данную микросхему, имеет следующие технические характеристики:In existing measuring systems for damping, thermal compensation and baroisolation of the system, the case is filled with an organic silicon liquid. Since the time constant of the elastic system is determined by the viscosity of the liquid and its temperature, for a marine gravimeter it is about 2 min, which leads to a decrease in the measurement accuracy and a decrease in the spatial resolution of the survey. To address this shortcoming in the use of sensors, the present invention proposes the use of microelectromechanical (MEMS) technology based sensors that are much smaller, lighter and less expensive than today's gravimetric sensors. The small size and light weight of the MEMS accelerometer will allow the device to be mounted on an underwater carrier, and the relatively low cost of a single MEMS device will also make it practical to deploy multiple accelerometers as contemplated by the present invention. An example of a sensor of this type is, for example, the BMX160 chip from Bosch Sensortec, which combines a 3-axis accelerometer, a 3-axis gyroscope, a 3-axis magnetometer in one package. This allows for a significant reduction in size and power consumption. Moreover, the built-in hardware library of programs allows you to improve the accuracy of measurements of each sensor by taking into account data from other sensors. The accelerometer included in this microcircuit has the following technical characteristics:
- разрешение: - 0,061 mg;- resolution: - 0.061 mg;
- диапазоны измерений:±2,±4,±8,±16 g;- measuring ranges:±2,±4,±8,±16 g;
- смещение точки нуля:±40 mg;- zero point shift: ±40 mg;
напряжение питания: 1,71-3,6 В (VDD); 1,2-3,6 В (VDDIO);supply voltage: 1.71-3.6 V (VDD); 1.2-3.6V (VDDIO);
- электропотребление: - 180 мкА,- power consumption: - 180 µA,
- диапазон рабочих температур: -40…85°С;- operating temperature range: -40…85°С;
- корпус: 14-выводный LGA размером 2,5 × 3 × 0,95 мм [МЭМС-датчик ВМХ160 - очередной шаг вперед от BOSCH https: //spb.terraelectronica.ru/news/ (дата доступа 4.06.20)].- package: 14-pin LGA 2.5 × 3 × 0.95 mm [MEMS sensor BMX160 - another step forward from BOSCH https: //spb.terraelectronica.ru/news/ (accessed 06/04/20)].
В предлагаемой измерительной системе задействовано минимальное количество измерительных приборов и требуется минимальный объем вычислений. Демпфирование пробной массы - это частотный фильтр для подавления инерционных ускорений по амплитуде. Гиростабилизация обеспечивает измерение ускорений только в направлении, совпадающем с силой тяжести, то есть фильтрацию по направлению. В процессе создания морского гравиметрического градиентометра должна обеспечиваться долговременная стабильность параметров и его защита от воздействия электрических и магнитных полей, климатических и физических факторов. Должно обеспечиваться также метрологическое единство измерений, а процессы измерений и регистрации информации должны быть автоматизированными.The proposed measuring system involves a minimum number of measuring instruments and requires a minimum amount of calculations. Trial mass damping is a frequency filter for amplitude suppression of inertial accelerations. Gyro stabilization ensures the measurement of accelerations only in the direction coinciding with the force of gravity, that is, filtering in the direction. In the process of creating a marine gravimetric gradiometer, long-term stability of parameters and its protection from the effects of electric and magnetic fields, climatic and physical factors should be ensured. The metrological uniformity of measurements should also be ensured, and the processes of measurements and registration of information should be automated.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности морской гравиметрической съемки.The objective of the proposed technical solution is to improve the accuracy of marine gravimetric surveys.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе морской гравиметрической съемки, включающем размещение на подвижном объекте-носителе гравиметров, создание опорных гравиметрических пунктов в районе выполнения съемки, выполнение площадной или профильной съемки путем измерения УСТ на движущемся объекте посредством измерения ускорения неподвижным относительно объекта акселерометром, и местоположения чувствительной системы гравиметра, направления и скорости перемещения носителя навигационными средствами и вычисление по полученным данным искомого абсолютного значения ускорения силы тяжести (g0), в котором в отличие от известных способов на носителе размещают измерительную систему, состоящую гравиметрического градиентометра, сконструированного по известным принципам построения градиентометрических систем, отличающихся особым расположением датчиков на носителе относительно друг друга для измерения составляющих градиента УСТ по осям ТКС для возможности по данным измерений по данным скорости и времени перемещения носителя из опорного пункта в текущую точку съемки вычисления УСТ в морских гравиметрических пунктах.The problem is solved due to the fact that in the method of marine gravimetric survey, including the placement of gravimeters on a moving carrier object, the creation of reference gravimetric points in the survey area, the performance of an areal or profile survey by measuring the SST on a moving object by measuring acceleration with an accelerometer that is stationary relative to the object , and the location of the sensitive system of the gravimeter, the direction and speed of movement of the carrier by navigational aids and the calculation of the obtained data of the desired absolute value of the acceleration of gravity (g 0 ), in which, unlike known methods, a measuring system is placed on the carrier, consisting of a gravimetric gradiometer designed according to known principles of building gradiometric systems, which are distinguished by a special arrangement of sensors on the carrier relative to each other to measure the components of the gradient of the UST along the axes of the TCS for the possibility of using measurement data according to data from speed and time of moving the carrier from the reference point to the current survey point, calculation of TS at marine gravimetric points.
Суть изобретения заключается в том, что на подвижном носителе кроме измерительной съемочной системы размещают и баллистический гравиметр, перед началом съемки носитель аппаратуры - морской робототехнический комплекс (МРТК), например, автономный необитаемый подводный аппарат погружается на дно и производит опорные гравиметрические измерения с помощью баллистического гравиметра, в этот же период на МРТК начинают производиться измерения с помощью датчиков ГГ. После окончания опорных гравиметрических измерений МРТК всплывает над дном до глубины, на которой будет выполняться съемка. В вычислительные блоки гравиметрического градиентометра МРТК автоматически вводится опорное значение УСТ, измеренное баллистическим гравиметром на дне и МРТК, продолжая градиентометрические измерения, следует в пункт начала гравиметрической съемки. По прибытию в пункт начала гравиметрической съемки МРТК по программе покрытия района съемочными галсами (профилями) начинает перемещение по системе запланированных съемочных галсов (профилей), продолжая градиентометрические измерения. После завершения покрытия площади (или ее части) съемочными галсами МРТК направляется в опорный пункт и по прибытии в этот пункт завершает градиентометрические измерения, замыкая их на опорный пункт, погружается на дно и с помощью баллистического гравиметра производит повторные измерения баллистическим гравиметром опорного значения УСТ, Повторные измерения опорных значений УСТ сравниваются с начальными и за окончательное значение принимают среднее значения. Значения УСТ в морском гравиметрическом пункте вычисляют как суммы приращений измеренного значения к предыдущему значению, начиная с опорных значений на опорном гравиметрическом пункте. При погружении и всплытии носителя производятся градиентометрические измерения с целью получения данных для вычисления вертикального градиента УСТ для последующего приведения измеренных значений УСТ на опорном пункте на глубину, на которой производилась съемка, и вычисленных значений УСТ к среднему уровню моря.The essence of the invention lies in the fact that, in addition to the measuring survey system, a ballistic gravimeter is also placed on a moving carrier; before the survey, the equipment carrier is a marine robotic complex (MRTK), for example, an autonomous uninhabited underwater vehicle sinks to the bottom and makes reference gravimetric measurements using a ballistic gravimeter , in the same period, the MRTK begins to make measurements with the help of GG sensors. After the completion of the reference gravity measurements, the MRTK floats above the bottom to the depth at which the survey will be performed. The reference value of the SET measured by the ballistic gravimeter at the bottom is automatically entered into the computing units of the MRTK gravimetric gradiometer, and the MRTK, continuing the gradiometric measurements, proceeds to the starting point of the gravimetric survey. Upon arrival at the starting point of the gravimetric survey, MRTK, according to the program for covering the area with survey lines (profiles), begins moving along the system of planned survey lines (profiles), continuing gradiometric measurements. After the coverage of the area (or part of it) with the survey lines is completed, the MRTK is sent to the reference point and, upon arrival at this point, completes the gradiometric measurements, closing them to the reference point, sinks to the bottom and, using a ballistic gravimeter, makes repeated measurements with the ballistic gravimeter of the reference value UST, Repeated SET reference measurements are compared with the initial values and the average value is taken as the final value. The SET values at the marine gravimetric station are calculated as the sum of the increments of the measured value to the previous value, starting from the reference values at the reference gravimetric station. As the vehicle sinks and emerges, gradiometric measurements are made to obtain data for calculating the vertical gradient of the TS for subsequent reduction of the measured TS values at the control point to the depth at which the survey was made, and the calculated TS values to the mean sea level.
За счет исключения необходимости введения поправки Этвеша, за счет повышения точности опорных гравиметрических измерений, исключения необходимости учета кривизны пространственной траектории носителя, измерения вертикального градиента УСТ в районе съемки для редуцирования измерений баллистического гравиметра и вычисленных значений УСТ на средний уровень моря достигается более высокая точность съемки гравитационного поля Земли.By eliminating the need to introduce the Eötvös correction, by increasing the accuracy of reference gravimetric measurements, eliminating the need to take into account the curvature of the spatial trajectory of the carrier, measuring the vertical gradient of the UST in the survey area to reduce the measurements of the ballistic gravimeter and the calculated values of the UST to mean sea level, a higher accuracy of surveying the gravity fields of the earth.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами.The essence of the proposed technical solution is illustrated by drawings.
На фиг. 1. представлена структурная схема устройства для реализации заявляемого способа, а на фиг. 2 схема размещения акселерометров и ориентации их осей чувствительности на гиростабилизируемой платформе ГГ.In FIG. 1. shows a block diagram of a device for implementing the proposed method, and Fig. 2 layout of accelerometers and orientation of their sensitivity axes on the GG gyro-stabilized platform.
Устройство содержит гравиметрический градиентометр - 1, включающий трехосную гиростабилизированную платформу 2 с установленными на ней акселерометрами 3-8, выходы которых через электронный блок управления и питания 9 соединены с вычислительным блоком 10, который в свою очередь соединен с блоком регистрации данных 11. Вход вычислительного блока 10 соединен с навигационной системой носителя 12, а его выход соединен с блоком 11, регистрирующим данные съемки. На фиг. 3. приведена схема выполнения гравиметрической съемки предлагаемым способом. На схеме позициями обозначены: 13 - участок морской акватории для гравиметрической съемки, 14 - судно-носитель МРТК, 15 - подводный МРТК - носитель ГГ; 16 - точка на дне для выполнения опорных гравиметрических измерений, 17 -профили (галсы) перемещения МРТК при выполнении съемки.The device contains a gravimetric gradiometer - 1, including a three-axis gyro-stabilized
Гиростабилизируемая платформа 2 представляет собой трехосную гироплатформу с коррекцией от акселерометров, что обеспечивает возможность выполнения измерений при возмущающих ускорениях до 150-200 Гал, с динамической погрешностью при небольших возмущающих ускорениях менее 1 мГал. При этом погрешность стабилизации не превышает 1 угловую минуту.The gyro-stabilized
Вычислитель 10 может включать, например, процессор Pentium 166 МГц, ОЗУ на 32 Мбайт, плату SVGA с памятью 1 Мбайт, дополнительную плату с двумя последовательными портами с FIFO памятью (UART 16550 - совместимая). Для вычисления УСТ в вычислитель ГГ должен одновременно получать данные от различных датчиков и сохранять их. Время данных важно для коррекции измеренных данных. Часы на подводном объекте-носителе и система регистрации данных съемки синхронизируются, и метка времени добавляется к данным датчика, когда они принимаются системой регистрации. Гравиметрический градиентометр имеет электронный модуль и блок регистрации данных, содержащиеся в двух отдельных модулях, предлагаемая система может иметь только один блок с обеими функциями в одном. Электронный модуль гравиметрического градиентометра одновременно управляет датчиками, связываются с навигационной системой МРТК, управляют устройством стабилизации и градиентометром. Электронный блок 9 может иметь часы, синхронизированные с часами в МРТК с помощью функции связи, добавляет отметку времени при получении данных, распределяют электроэнергию от МРТК различным узлам градиентометра. Данные, обработки в вычислительном блоке 10, собранные электронным модулем 9, регистрируются на картах памяти блока регистрации данных 11. Устройство может иметь две SD-карты, и каждая SD-карта имеет идентичные данные в качестве резервной копии для другой. Устройство должно иметь интерфейс Ethernet, чтобы позволить получать данные с карт SD через этот интерфейс, не открывая герметичный корпус ГГ. [Development of an Underwater Gravity Measurement System with Autonomous Underwater Vehicle for Marine Mineral Exploration Ishihara, Takemi; Shinohara, Masanao; Araya, Akito; Yamada, Tomoaki; Fujimoto, Hiromi; Kanazawa, Toshihiko; Uehira, Kenji; Mochizuki, Masashi Source Journal TECHNO-OCEAN 2016: RETURN TO THE OCEANS. Source Institution Tohoku University Date Issued 2016, P.127-133 [электронный ресурс]. Режим доступа: https://ieeexplore.ieee.org/document/ (дата доступа 16.06.20)].The
Определение УСТ на движущемся судне выполняется следующим образом. При движении объекта-носителя заданным курсом по управляющим электрическим сигналам, формирующимся в блоке управления 9, чувствительная система вырабатывает электрические сигналы, пропорциональные составляющим градиента, которые через электронный модуль 9 поступают в вычислитель 10.The determination of the TS on a moving vessel is performed as follows. When the carrier object moves in a given course according to the control electrical signals generated in the
От навигационной системы 12 объекта-носителя сигналы, пропорциональные составляющим абсолютной скорости, поступают в вычислительный блок 10 от навигационной системы 12 поступают также данные о направлении перемещения объекта в ТКС и данные о времени с момента начала движения от пункта опорных гравиметрических измерений.From the
Гравиметрическую съемку выполняют по замкнутым маршрутам с замыканием на опорный гравиметрический пункт, а искомые значения УСТ в точке в морских гравиметрических пунктах вычисляют как суммы приращений произведений составляющих градиента УСТ и составляющих пройденного пути по осям топоцентрической координатной системы к предыдущему значению, начиная со значения, измеренного на опорном гравиметрическом пункте.Gravimetric survey is carried out along closed routes with a closure to a reference gravimetric point, and the desired values of SET at a point in marine gravity points are calculated as the sum of the increments of the products of the SET gradient components and the components of the path traveled along the axes of the topocentric coordinate system to the previous value, starting from the value measured at reference gravimetric point.
Искомые значения УСТ g на морских гравиметрических пунктах, расположенных вдоль съемочного галса, вычисляются по формуле (8).The desired values of SET g at offshore gravimetric stations located along the survey tack are calculated by formula (8).
Анализ формулы (8) показывает, что, если принять гипотезу, что слагаемые под знаком сумм в правых частях не отягощены постоянными систематическими составляющими погрешностей, поскольку в приращениях данные погрешности практически исключаются, а случайные погрешности малы по величине и имеют разные знаки, то при большом количестве измерений между опорными пунктами, случайные погрешности приращения под суммами будут стремиться к нулю. Следовательно, погрешность определения УСТ будет определяться в основном погрешностями их измерения на опорном гравиметрическом пункте.An analysis of formula (8) shows that if we accept the hypothesis that the terms under the sums sign on the right-hand sides are not burdened by constant systematic components of errors, since in increments these errors are practically eliminated, and random errors are small in magnitude and have different signs, then for large the number of measurements between the reference points, the random incremental errors under the sums will tend to zero. Consequently, the error in determining the TS will be determined mainly by the errors in their measurement at the reference gravimetric point.
Координаты опорных гравиметрических пунктов для навигационного обеспечения съемки определяются, известными способами, например, с использованием гидроакустических навигационных систем средств судна-носителя МРТК, при нахождения МРТК в опорном пункте на дне путем измерения направлений и расстояния до пингера или маяка-ответчика на корпусе МРТК и последующей передачи измеренных координат по каналу связи в навигационную систему объекта-носителя. Координаты судна-носителя определяются известными средствами и способами, например, с использованием глобальных навигационных спутниковых систем. Определение пройденного МРТК пути по осям координат ТКС при выполнении съемки осуществляется известными способами, например, навигации с использованием его инерциальной навигационной системы.The coordinates of the reference gravimetric points for navigation support of the survey are determined by known methods, for example, using hydroacoustic navigation systems of the means of the MRTK carrier vessel, when the MRTK is at the reference point on the bottom by measuring the directions and distance to the pinger or responder beacon on the MRTK body and subsequent transmitting the measured coordinates via a communication channel to the navigation system of the carrier object. The coordinates of the carrier vessel are determined by known means and methods, for example, using global navigation satellite systems. The determination of the path traveled by the MRTK along the coordinate axes of the TCS during the survey is carried out by known methods, for example, navigation using its inertial navigation system.
При большой площади съемки количество опорных гравиметрических пунктов может быть создано больше одного в различных местах района съемки. Съемку района осуществляют на параллельных галсах и контролируют ее секущими галсами. Обработка данных съемки включает: вычисление УСТ и координат морских гравиметрических пунктов, оценку точности измерений, вычисление аномалий Δg=g - g0, где g -измеренное значение силы тяжести на морском пункте, g0 - вычисленное нормальное значение УСТ.With a large survey area, the number of control gravimetric points can be created more than one in different places of the survey area. The survey of the area is carried out on parallel tacks and controlled by secant tacks. Survey data processing includes: calculation of SET and coordinates of marine gravimetric points, assessment of measurement accuracy, calculation of anomalies Δg=g - g 0 , where g is the measured value of gravity at the sea point, g 0 is the calculated normal value of SET.
Способ морской гравиметрической съемки, включает создание опорного гравиметрического пункта на дне: путем определения координат объекта-носителя на дне, выполнения опорных гравиметрических измерений выполнение площадной или профильной съемки, путем измерения составляющих тензора градиента УСТ на движущемся объекте-носителе измерительной аппаратуры, посредством измерения ускорения особо расположенными на гиростабилизируемой платформе акселерометрами, одновременного измерения составляющих скорости объекта носителя по осям топоцентрической координатной системы, а также измерения курса и объекта-носителя и вычисление по полученным данным искомого значения УСТ.Method of marine gravity survey, includes creation of a reference gravimetric point on the bottom: by determining the coordinates of the carrier object at the bottom, performing reference gravimetric measurements, performing areal or profile survey, accelerometers located on the gyro-stabilized platform, simultaneous measurement of the components of the speed of the carrier object along the axes of the topocentric coordinate system, as well as measurements of the heading and the carrier object and calculation of the required value of the SST based on the obtained data.
В отличие от известных способов гравиметрической съемки в заявляемом способе размещение опорного пункта (пунктов) непосредственно на морском дне позволяет достичь высокой точности опорных гравиметрических измерений в морских условиях, обеспечивая возможность использования баллистического гравиметра.In contrast to the known methods of gravimetric survey in the proposed method, the placement of the reference point (points) directly on the seabed allows to achieve high accuracy of reference gravimetric measurements in marine conditions, making it possible to use a ballistic gravimeter.
Реализация заявляемого способа технической трудности не представляет, так как реализуется посредством технических средств измерения, имеющих промышленное применение при разработке геофизических и навигационных измерительных приборов.The implementation of the proposed method does not represent a technical difficulty, since it is implemented by means of technical measuring instruments that have industrial application in the development of geophysical and navigational measuring instruments.
Таким образом, отличительные признаки предложенного технического решения, а именно - выполнение непосредственно в районе съемки или в непосредственной близости от нее опорных абсолютных гравиметрических измерений на дне и приведение их результатов на глубину или уровень съемки по данным измерения вертикального градиента ускорения силы тяжести, измеряемого при всплытии носителя со дна на глубину выполнения съемки и градиентометрические измерения на съемочных галсах составляющих градиента ускорения силы тяжести особо размещенными на гиростабилизируемой платформе акселерометров по направлению осей топоцентрической координатной системы и ориентацией их осей чувствительности по направлению оси аппликат этой системы, вычисления значений ускорения силы тяжести в морских гравиметрических пунктах как суммы произведения составляющих градиента ускорения силы тяжести и составляющих пути носителя по осям этой же координатной системы и редуцирования данных вычисления на средний уровень моря по данным измерения вертикального градиента ускорения силы тяжести, измеряемого при всплытии носителя на поверхность обеспечивают заявленный положительный эффект - повышение точности съемки.Thus, the distinguishing features of the proposed technical solution, namely, the implementation directly in the survey area or in the immediate vicinity of it of reference absolute gravimetric measurements at the bottom and bringing their results to the depth or survey level according to the measurement of the vertical gradient of gravity, measured during ascent carrier from the bottom to the depth of the survey and gradiometric measurements on the survey lines of the components of the gravity acceleration gradient, specially placed on the gyro-stabilized platform of accelerometers in the direction of the axes of the topocentric coordinate system and the orientation of their sensitivity axes in the direction of the applicate axis of this system, calculating the values of the acceleration of gravity in marine gravimetric points as the sum of the product of the components of the gravity acceleration gradient and the components of the path of the carrier along the axes of the same coordinate system and the reduction of the calculation data to the mean sea level from the data m measurements of the vertical gradient of the acceleration of gravity, measured when the carrier floats to the surface, provide the declared positive effect - increasing the accuracy of the survey.
Claims (15)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020136477A RU2767153C1 (en) | 2020-11-03 | 2020-11-03 | Method for marine gravimetric survey and apparatus for implementation thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020136477A RU2767153C1 (en) | 2020-11-03 | 2020-11-03 | Method for marine gravimetric survey and apparatus for implementation thereof |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2767153C1 true RU2767153C1 (en) | 2022-03-16 |
Family
ID=80737029
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020136477A RU2767153C1 (en) | 2020-11-03 | 2020-11-03 | Method for marine gravimetric survey and apparatus for implementation thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2767153C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115291289A (en) * | 2022-07-08 | 2022-11-04 | 中国人民解放军海军工程大学 | Absolute gravity value dynamic measurement resolving system and method and medium |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2324207C1 (en) * | 2006-10-02 | 2008-05-10 | Виктор Борисович Глебов | Method of determining acceleration due to gravity of moving object and apparatus for its determination |
| RU2440592C2 (en) * | 2010-03-18 | 2012-01-20 | Сергей Петрович Алексеев | Marine gravimetric survey method |
| CN104656158A (en) * | 2013-11-21 | 2015-05-27 | 西安大昱光电科技有限公司 | Novel marine gravitometer |
-
2020
- 2020-11-03 RU RU2020136477A patent/RU2767153C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2324207C1 (en) * | 2006-10-02 | 2008-05-10 | Виктор Борисович Глебов | Method of determining acceleration due to gravity of moving object and apparatus for its determination |
| RU2440592C2 (en) * | 2010-03-18 | 2012-01-20 | Сергей Петрович Алексеев | Marine gravimetric survey method |
| CN104656158A (en) * | 2013-11-21 | 2015-05-27 | 西安大昱光电科技有限公司 | Novel marine gravitometer |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115291289A (en) * | 2022-07-08 | 2022-11-04 | 中国人民解放军海军工程大学 | Absolute gravity value dynamic measurement resolving system and method and medium |
| CN115291289B (en) * | 2022-07-08 | 2024-04-12 | 中国人民解放军海军工程大学 | Absolute gravity value dynamic measurement and calculation system, method and medium |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7376507B1 (en) | Geophysics-based method of locating a stationary earth object | |
| CA2488511C (en) | System and method for surveying underground density distributions | |
| US9645267B2 (en) | Triaxial accelerometer assembly and in-situ calibration method for improved geodetic and seismic measurements | |
| US7542850B2 (en) | Method and system for synchronizing geophysical survey data | |
| US9297923B2 (en) | Gravity measurements using seismic streamers | |
| Jekeli | Airborne gradiometry error analysis | |
| US20120002504A1 (en) | Gravity measurements in marine, land and/or seabed seismic applications | |
| Roussel et al. | Integration of a strapdown gravimeter system in an autonomous underwater vehicle | |
| CN109882157A (en) | The optical fiber inertial navigation system and its data processing method of underground multi-component measurements instrument | |
| RU2767153C1 (en) | Method for marine gravimetric survey and apparatus for implementation thereof | |
| CN208207239U (en) | A kind of three-component marine gravity magnetic force duplex measurement device | |
| Emel’yantsev et al. | Calibration of a precision SINS IMU and construction of IMU-bound orthogonal frame | |
| RU2144686C1 (en) | Device and method to measure gravitation | |
| US20240142660A1 (en) | Method and system for indirect measurement of gravity | |
| CN112649889A (en) | Six-component seismic data and absolute gravity measuring instrument and measuring method | |
| Cai et al. | Dynamic error elimination method for strapdown dynamic gravimetry | |
| Li | Moving base INS/GPS vector gravimetry on a land vehicle | |
| Zumberge et al. | A towed marine gravity meter for near-bottom surveys | |
| CN109901239A (en) | The measurement method and system of density of earth formations | |
| Jordan | Moving-base gravity gradiometer surveys and interpretation | |
| Golovan et al. | On the method of instrumental errors parameterization for a gravity gradiometer | |
| RU2479859C2 (en) | Method for determining acceleration of gravity force on moving object, and device for determining acceleration of gravity force on moving object | |
| CN208488557U (en) | A kind of three-component sea gravity measurement device | |
| Barak et al. | Recording active-seismic ground rotations using induction-coil magnetometers | |
| Ageev | AUV-a precise platform for underwater gravity measurement |