CC BY-NC
41
А.А. Краснов1, Л.П. Старосельцев1, А.С. Алексеенко2
'АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Университет ИТМО 2АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»
ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ АБСОЛЮТНОГО ЗНАЧЕНИЯ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ В МОРСКИХ УСЛОВИЯХ
Объект и цель научной работы. Исследование путей измерения абсолютного значения силы тяжести в морских условиях.
Материалы и методы. Использован метод проведения экспериментальных исследований.
Основные результаты. Исследованы возможности измерения абсолютного значения силы тяжести в морских условиях. Предложена концепция и создан макет морского интегрированного гравиметрического комплекса. Рассмотрены его конструкция и принцип работы. Приведены результаты испытаний макета на стенде имитации морского волнения.
Заключение. Показана принципиальная возможность измерения абсолютного значения силы тяжести на слабо качающемся основании. Потенциальная точность морской съемки с использованием интегрированного комплекса может составлять около 0,1 мГал, что в перспективе позволит существенно повысить качество геодезической информации для труднодоступных районов Земли.
Ключевые слова: гравиметрия, гравитационное поле Земли, абсолютный гравиметр, относительный гравиметр. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
Для цитирования: Краснов А.А., Старосельцев Л.П., Алексеенко А.С. Исследование путей измерения абсолютного значения силы тяжести в морских условиях. Труды Крыловского государственного научного центра. 2017; 2(380): 137-141.
УДК 531.78(204) DOI: 10.24937/2542-2324-2017-2-380-137-141
A.A. Krasnov1, L.P. Staroseltsev1, A.S. Alekseenko2
JSC Concern CSRI Elektropribor, ITMO University, St. Petersburg
2JSC Concern CSRI Elektropribor, St. Petersburg
STUDYING THE WAYS TO MEASURE ABSOLUTE GRAVITY FORCE AT SEA
Object and purpose of research: Study of the ways to measure absolute gravity force at sea. Materials and methods: The studies were experimental.
Main results: The possibilities to measure absolute gravity force at sea have been studied. The concept was suggested for the intergrated marine gravimetric system, and the breadboard of this system has been developed. The paper discusses its design and operation principle. Test results for the breadboard system obtained at sea wave simulation test rig are provided.
Conclusion: The paper proves the measurements of absolute gravity force at a slightly wobbling foundation to be possible in principle. The accuracy of measurements at sea conditions using the integrated system could be ~0.1 mGal, which might, as this technology matures, considerably improve the quality of land surveying data for the areas of the Earth hard to access.
Key words: gravimetry, Earth gravitation field, absolute gravimeter, relative gravimeter.
Author declares lack of the possible conflicts of interests.
For citations: Krasnov A.A., Staroseltsev L.P., Alexeenko A.S. Studying the ways to measure absolute gravity force at sea Development methods for the special mathematical software of marine integrated automated control systems. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017; 2(380): 137-141. (in Russian)
УДК 531.78(204) DOI: 10.24937/2542-2324-2017-2-380-137-141
Введение
Intгoduction
Без знания гравитационного поля Земли невозможно решать многие научные и практические задачи.
В прикладной геофизике изучаются любые геологические объекты, поскольку они обусловливают аномалии на поверхности Земли: тектонические нарушения, складчатые формы, скрытые осадочными породами, сбросы и сдвиги, согласные и несогласные пластовые залегания, погребённый рельеф коренных пород, различные формы интрузий, а также линзы, жилы, штоки и связанные с этими структурами месторождения полезных ископаемых.
По гравиметрическим данным с большой точностью определяется фигура Земли. По наблюдениям орбит спутников определяются длинноволновые (свыше 4000 км) гармоники геопотенциала, а по наблюдениям силы тяжести - коротковолновые. Кроме того, с помощью планетарных гравиметрических измерений создана единая мировая геодезическая система координат для всей Земли.
В метрологии для воспроизведения эталонов силы, давления, силы тока и других величин требуется знание абсолютного значения силы тяжести с высокой точностью.
На сегодняшний день определение абсолютного значения силы тяжести в морских акваториях осуществляется посредством использования относительных гравиметров [1], выполняющих измерение
Рис. 1. Гравиметрическая аппаратура: а) гравиметр «ГАБЛ-ПМ»; б) мобильный гравиметр «Чекан-АМ»
Fig. 1. Gravimetric equipment: а) gravimeter GABL-PM; b) mobile gravimeter Chekan-AM
приращения силы тяжести относительно опорного гравиметрического пункта с известным абсолютным значением силы тяжести. Данные гравиметры требуют периодического (каждые 30 дней) уточнения положения нуль-пункта в процессе эксплуатации, что часто не представляется возможным из-за удаленности опорных пунктов от места проведения гравиметрической съемки. Решением проблемы уточнения нуль-пункта относительного гравиметра является использование абсолютного значения силы тяжести, полученного с помощью морского абсолютный гравиметра. Однако в настоящее время в мире отсутствуют морские абсолютные гравиметры. Поэтому в данной работе стоит задача создания такового, а также рассматривается его использование совместно с относительным гравиметром в макете интегрированного морского гравиметрического комплекса для измерения абсолютного значения силы тяжести в морских условиях: предложена концепция построения такого комплекса, приведены результаты стендовых испытаний его макета.
Аппаратура, используемая для макета морского интегрированного гравиметрического комплекса
Equipment applied in the breadboard of the marine integrated gravimetric system
Для непрерывного измерения относительного значения силы тяжести в состав комплекса предлагается включить мобильный гравиметр «Чекан-АМ» (рис. 1), разработанный АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». Данный гравиметр построен на базе кварцевого сильнодемпфированного чувствительного элемента, установленного в двухосный ги-ростабилизатор. Среднеквадратическая погрешность измерения приращения ускорения силы тяжести гравиметром «Чекан-АМ» в условиях действия динамических возмущений не превышает 4-10-6 м/с2 (0,4 мГал). Габаритные размеры гравиметра составляют 039 х 65 см, масса - 65 кг [2,3].
Измерение абсолютного значения ускорения силы тяжести предлагается выполнять с помощью полевого лазерного баллистического гравиметра «ГАБЛ-ПМ» [4, 5], разработанного Институтом автоматики и электрометрии СО РАН. Принцип действия гравиметра основан на интерферометрическом определении параметров движения свободно падающего пробного тела в вакууме. Основными узлами гравиметра являются: баллистический блок, лазерный интерферометр, электронно-вычислительная система
и устройство виброзащиты. Инструментальная сред-неквадратическая погрешность измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести гравиметром не превышает ±5-10-8 м/с2 (5 мкГал). Габаритные размеры гравиметра «ГАБЛ -ПМ» составляют 42 х 47 х 93 см, масса - 59 кг.
Конструкция и принцип работы
Design and operation principle
В предлагаемый состав интегрированного комплекса входят (рис. 2): полевой абсолютный гравиметр «ГАБЛ-ПМ», система его гироскопической стабилизации, мобильный относительный гравиметр «Че-кан-АМ», приемоиндикатор спутниковых навигационных систем (СНС), а также система сбора и обработки данных на базе ПЭВМ со специализированным программным обеспечением. Для решения задачи удержания гравиметра «ГАБЛ-ПМ» в горизонте на качающемся основании он установлен на двухосную гироплатформу (ГП). Оба гравиметра размещаются на судне максимально близко к его метацентру с привязкой приборных осей к диаметральной плоскости судна.
Второй проблемой при работе абсолютного гравиметра является наличие ускорений, вызванных орбитальным движением носителя. Для ее решения предлагается комплексирование исходных данных обоих гравиметров. При этом по относительному гравиметру определяется текущая величина фона инерционных вертикальных и горизонтальных ускорений Wx,, Wy и выбираются измерения Gi гравиметра «ГАБЛ-ПМ», во время которых ускорения были незначительны. С учетом времени броска баллистического гравиметра основным ограничением предложенной методики определения абсолютного значения силы тяжести является возможность измерений только на слабо качающемся основании при волнении моря до 1 балла.
Прием навигационных данных, в том числе географических координат ф, X, временных меток t, а также регистрация информации от абсолютного и относительного гравиметров выполняется на единую ПЭВМ, которая может быть использована и для последующей камеральной обработки данных.
Концепция использования макета интегрированного морского гравиметрического комплекса не предполагает значительного изменения методики выполнения морских гравиметрических работ. Полевые работы начинаются и заканчиваются проведением в порту опорных измерений; измерения на профилях съемки выполняются относительным гравиметром.
Однако существенным преимуществом использования абсолютного гравиметра на борту является возможность проведения начальных и заключительных опорных измерений в различных портах, где не требуется точное знание силы тяжести в месте стоянки судна и его пересчет на место установки относительного гравиметра. Также в процессе съемки при отсутствии волнения моря параллельно с работой относительного гравиметра могут выполняться краткосрочные измерения абсолютным гравиметром, которые после камеральной обработки могут использоваться как морские опорные гравиметрические пункты.
Обработка результатов морской съемки выполняется в камеральном режиме с использованием штатного программного обеспечения относительного гравиметра. При этом наличие дополнительных морских опорных пунктов позволяет более детально оценить дрейф нуль-пункта относительного гравиметра, а также снизить влияние погрешности определения масштабного коэффициента градуировоч-ной характеристики при работе на значительном удалении от берегового опорного пункта.
Стендовые испытания
Laboratory tests
Испытания на стенде имитации морского волнения осуществлялись в стенах АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор».
Основной проверкой макета интегрированного комплекса, выполненной на данном этапе, являлась оценка точности измерений абсолютного значения силы тяжести при незначительном волнении (рис. 3).
Рис. 2. Структурная схема интегрированного гравиметрического комплекса
Fig. 2. Integrated gravimetric system: block diagram
Рис. 3. Проверка макета интегрированного комплекса
Fig. 3. Calibration of the breadboard integrated system
Рис. 4. Измерения гравиметрическим комплексом на слабо качающемся основании
Fig. 4. Measurements by means of the gravimetric system on a slightly wobbling foundation
Как видно из рис. 4, разброс показаний гравиметра «ГАБЛ-ПМ» даже при незначительной вертикальной качке достигает 200 мГал, что дополнительно подтверждает необходимость совместного использования двух типов гравиметров в море для эпизодического определения полного значения силы тяжести. При этом относительный гравиметр регистрирует текущий фон вертикальных ускорений и позволяет выбрать из множества дискретных измерений гравиметра «ГАБЛ -ПМ» те, которые были выполнены в наилучших условиях.
Критерием выбора являлось значение вертикальных ускорений менее 3 мГал. Как видно из рис. 5, для набора 100 достоверных измерений С,
Рис. 5. . Измерения гравиметром «ГАБЛ-ПМ» на неподвижном и на слабо качающемся основании
Fig. 5. Measurements by means of GABL-PM gravimeter on the stable foundation and the slightly wobbling one
GAI .....
3L-PM
С/ 9 S 200 *
в = 982000,01 0.13 > ' G = 982000,03
. » 1
• ; *«
; \
¡Static mode Rocking | Static mode]
0 1 2 3 4 5 h
гравиметра «ГАБЛ-ПМ» при незначительной качке с амплитудой 0,2 м и периодом 200 с потребовалось около 2 ч. При этом среднеквадратическое отклонение измерений Gj составило 0,91 мГал и было обусловлено в основном остаточным фоном вертикальных ускорений. Тем не менее, разница математических ожиданий измерений гравиметра «ГАБЛ-ПМ» на неподвижном основании и на качке по модулю составила 0,11 мГал, что подтвердило возможность использования полученного среднего значения ускорения силы тяжести в качестве опорного для относительного гравиметра.
Результаты
Results
Исследованы возможности измерения абсолютного значения силы тяжести в морских условиях. Предложена концепция, и создан макет морского интегрированного гравиметрического комплекса. Рассмотрены его конструкция и принцип работы. Приведены результаты испытаний макета морского гравиметрического комплекса на стенде имитации морского волнения. Показана принципиальная возможность измерения абсолютного значения силы тяжести на слабо качающемся основании. Потенциальная точность морской съемки с использованием интегрированного комплекса может составлять около 0,1 мГал, что в перспективе позволит существенно повысить качество геодезической информации для труднодоступных районов Земли.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 14-29-00160).
Библиографический список
Reference
1. Krasnov A.A., Nesenyuk L.P, Peshekhonov V.G., Sokolov A.V., Elinson L.S. Integrated marine gravimetric system. Development and operation results // Gyroscopy and Navigation. 2011. Vol. 2. No. 2. P. 75-81.
2. Krasnov A.A., Sokolov A.V., Elinson L.S. A new air-sea gravimeter of the Chekan series // Gyroscopy and Navigation. 2014. No. 3. P. 131-137.
3. Krasnov A.A. Sokolov A.V. A modern software system of a mobile Chekan-AM gravimeter // Gyroscopy and Navigation. 2015. Vol. 6. No. 4. P. 278-287.
4. Бунин И А, Калиш ЕН, Носов ДА, Смирнов М.Г., Стусь Ю.Ф. Полевой абсолютный лазерный баллистический гравиметр // Автометрия. 2010. Т. 46. № 5. С. 94-102.
5. Stus Yu.F, Kalish E.N, Smirnov M.G, Bunin I.A, No-sov D.A. The absolute ballistic gravimeter for field operations // Proceedings of IAG Symposium on Terrestrial Gravimetry: static and mobile measurements (TG-SMM 2010). 22-25 June 2010, Saint Petersburg, Russia. The State Research Center of the Russian Federation, Concern CSRI Elektropribor, JSC, 2011. P. 66-71.
Сведения об авторах
Краснов Антон Алексеевич, начальник сектора АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». Адрес: 197046, Россия, Санкт-Петербург, ул. Малая посадская, д. 30. Ведущий инженер Университета ИТМО. Адрес: 197101, Россия, Санкт- Петербург, Кронверкский проспект, д. 49. Телефон: +7 911 277-14-07. E-mail: anton-krasnov@mail.ru
Старосельцев Леонид Петрович, к.т.н., ведущий научный сотрудник АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». Адрес: 197046, Россия, Санкт-Петербург, ул. Малая посадская, д. 30. Заведующий лабораторией Университета ИТМО. Адрес: 197101, Россия, Санкт- Петербург, Кронверкский проспект, д. 49. Телефон: +7 911 236-73-81. E-mail: staroseltsev@mail.ru Алексеенко Алексей Сергеевич, младший научный сотрудник АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». Адрес: 197046, Россия, Санкт-Петербург, ул. Малая посадская, д. 30. Телефон: +7 952 224-33-42. E-mail: 89522243342@mail.ru
About the authors
Krasnov, Anton A., Head of Sector, JSC CSRI Elektropribor, address: 30, Malaya Posadskaya st., St. Petersburg, Russia, post code 197046; Lead Engineer, ITMO University, address: 49, Kronversky Prospekt, St. Petersburg, Russia, post code 197101. Tel.: +7 911 277-14-07. E-mail: anton-krasnov@mail.ru
Staroseltsev, Leonid P., Candidate of Technical Science, Lead Researcher, JSC CSRI Elektropribor, address: 30, Malaya Posadskaya st., St. Petersburg, Russia, post code 197046; Head of Laboratory, ITMO University, address: 49, Kronversky Prospekt, St. Petersburg, Russia, post code 197101. Tel.: +7 911 236-73-81. E-mail: staroseltsev@mail.ru
Alekseenko, Alexey S., Junior Researcher, JSC CSRI Elektropribor, address: 30, Malaya Posadskaya st., St. Petersburg, Russia, post code 197046. Tel.: +7 952 224-33-42. Email: 89522243342@mail.ru
Поступила: 09.02.17 Принята в печать: 30.03.17 © Коллектив авторов, 2017
