CC BY
111
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Hong-Chih Liu, Mandiam D. Srinath. Partial Shape Classification Using Contour Matching in Distance Transformation. IEEE Trans on PAMI 1990. - Vol. 12. - № 11. - P. 1072-1079.
2. Важинский B.H., Иванова ЕЖ., Тетерин В.В. Структурный метод распознавания частично искаженных контурных изображений. Оптический Журнал. - 1996. - № 8. - С. 37-42.
3. Borgefors G. // Computer Vision Graphics and Image Processing. - 1984. - Vol. 34.
- P. 334-371.
Павлова Валерия Анатольевна
"Научно-производственная корпорация "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова".
E-mail: [email protected], [email protected].
199034, г. Санкт-Петербург, Биржевая линия, 12.
Тел.: 88123317555; тел./факс: 88123285691.
Крюков Сергей Николаевич
Каркаева Регина Камалутиновна
Созинова Мария Владимировна
Pavlova Valeriya Anatol’evna
Research assistant of S.I. Vavilov State Optical Institute.
E-mail: [email protected], [email protected].
12, Birzhevaya linya, Saint Petersburg, 199034, Russia.
Phone: 88123317555; phone/fax: 88123285691.
Krjukov Sergey Tikolaevich
Karkaeva Regina Kamalutinovna
Sozinova Maria Vladimirovna
УДК 550.837.6
E.B. Каршаков, Б.В. Павлов
НАВИГАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАДАЧИ ИЗМЕРЕНИЯ
ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА БОРТУ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
Доклад посвящен обзору навигационных задач, решаемых для обеспечения точности , , -го аппарата-носителя. В каждом из рассмотренных случаев определение навигационных параметров позволяет компенсировать паразитную составляющую измерений, связанную с движением носителя.
Навигация; аэромагнитометрия; аэрогравиметрия; аэроэлектроразведка.
E.V. Karshakov, B.V. Pavlov
NAVIGATIONAL SUPPORT OF THE AIRBORNE PHYSICAL FIELDS
MEASUREMENTS
The report gives a review of navigation tasks which are solved to provide accurate measurements in airborne magnetics, gravimetry and electromagnetics. In each case navigation solution allows compensating of noise that appears during the aircraft motion.
Navigation; airborne magnetics; airborne gravimetry; airborne electromagnetics.
Введение. Измерение физических полей ле жит в основе многих геологоразведочных, инженерных, экологических задач. Кроме того, одна из актуальных проблем навигации летательных аппаратов - использование измерений физиче-, , или дополнительного источника навигационной информации [1]. Однако применение систем измерения физических полей на борту летательного аппарата сопряжено с серьезными трудностями. Сам факт движения летательного аппарата приводит к возникновению паразитного сигнала, который необходимо компенсировать тем или иным способом.
Так, при измерениях магнитного поля Земли, влияние намагничения летательного аппарата в процессе эволюций относительно вектора магнитного поля Земли меняется и оказывает влияние на показания магнитометра на порядки большие, чем амплитуда магнитных аномалий, которые должны идентифицироваться [2]. В случае гравиметрии траекторные ускорения носителя на несколько порядков превышают амплитуды искомых аномалий поля силы тяжести [3]. В некоторых случаях при электромагнитном зондировании также требуется учет движения летательного аппарата, поскольку поле токов, индуцируемых в проводящих элементах носителя может быть сопоставимо с полем отклика, порожденного проводимостью пород [4]. В табл. 1 приведены характерные значения для измеряемых значений и для помех.
Все три указанных метода используют различные подходы при компенсации влияния движения носителя. Однако можно выделить, по крайней мере одно характерное для всех свойство. Решение задачи компенсации требует решения навигационной задачи в той или иной постановке. Для магнитометрии важно знание углов поворота летательного аппарата относительно вектора магнитного поля .
расположении источника помех, которым в данном случае является самолет или , . необходимость высокоточной информации об ускорениях и об углах ориентации гравиметра. В докладе рассматривается каждый из методов.
1
Характерные значения поля и помех, связанных с движением ЛА
Метод Величина поля Величина помехи Точность невозмущенных измерений
Магнитометрия 50 000 нТл 100 нТл 0,1-0,01 нТл
Электромагнитое зондирование 10 000 мкА/м 100 мкА/м 1 мкА/м при осреднении 1 с
Г равиметрия 1 000 Гал 100 Гал 0,0001 Гал при осреднении 60 с
.
, , , действует не только магнитное поле Земли, но и поле самого носителя, что вызывает искажение (девиацию) результатов измерений. При изменении ориентации летательного аппарата меняется и величина девиации.
Задача компенсации в магнитометрии возникла несколько веков назад применительно к морскому магнитному компасу. В 1824 г. Пуассоном была предложена линейная модель намагничения, которая описывает влияние постоянного
намагничения, жестко связанного с корпусом подвижного объекта, и магнитомяг-, -нитного поля Земли.
Использование авиации для магнитной съемки в середине прошлого века привело к тому, что появилась модификация Пуассоновской модели, а именно -модель Лелиака [5]. Оказалось, что при скоростях движения летательных аппаратов нельзя не учитывать поле вихревых токов, возникающих в фюзеляже согласно закону электромагнитной индукции Фарадея.
В нашей стране развитие методов компенсации связано с именами АЗ. Ва-цуро и В.С. Циреля, Рудгеофизика [6]. Большой вклад также внес коллектив разработчиков во главе с В.В. Аверкиевым и В.А. Могилевкиным [7].
Согласно модели Лелиака помеха, вызванная эволюциями летательного ап, , нее. Если эти параметры известны, а также известны направляющие косинусы вектора магнитного поля Земли в осях летательного аппарата, то помеха, приводящая к девиации магнитометра, может быть вычислена.
При определении направляющих косинусов используется векторный магни-.
из измерений выполняется калибровочный полет на такой высоте, на которой спектр магнитных помех, обусловленных эволюциями летательного аппарата, существенно разнесен со спектром аномалии магнитного поля Земли.
Традиционный подход предполагает идентификацию параметров намагничения по высокочастотной компоненте поля, измеренной в зоне калибровки. Нема, -, -. , -дели магнитного поля Земли в зоне калибровки [8]. При таком подходе задача идентификации параметров помехи и модели поля сводится к стандартной линейной задаче оценивания, решаемой с использованием методов субоптимального
.
.
наличие источника переменного магнитного поля. Существуют модификации, где в качестве источника поля используются так называемые естественные поля. Но большинство электромагнитных систем использует контролируемый источник поля. Именно для таких систем задача компенсации помех, связанных с эволю-, .
Существует очень большая зависимость измеренного поля от положения приемника относительно передатчика и их обоих относительно Земли. Кроме , , -, ,
.
Одним из первых в нашей стране этой задачей занимался Б.С. Светов, идеолог аэрометода дипольного индуктивного профилирования [9]. В последние годы новая модификация этого метода, система ЕМ-4Н, стала самой широко используемой системой в нашей стране - сотни тысяч погонных километров в год. И это произошло в значительной степени благодаря новому методу компенсации [4]. В основе этого метода лежит идея возбуждения поля, представимого тремя дипо-, . -же токов выражается через линейную комбинацию векторов поля каждого из диполей. Кроме того, измерения этих трех векторов позволяют определить взаимное
расположение передатчика и приемника с точностью порядка 10 см, углы ориентации с точностью 1 градус [10].
.
силы тяжести на траекториях полетов летательного аппарата-носителя. Полученные данные служат основой для построения карт гравитационных аномалий.
Наиболее распространенным способом аэрогравиметрии является измерение вертикальной компоненты поля. Для этого используются платформенные инерци-ально-гравиметрические комплексы с однокомпонентным вертикальным чувстви-, -калью. К таким системам относятся Гравитон-М (ГНПП Аэрогеофизика), МАГ-1 или ГТ-1А (Гравиметрические технологии) и Чекан AM (ЦНИИ Электроприбор), AIRGrav (Sander Geophysics). Указанные фирмы-производители являются также и основными разработчиками алгоритмов компенсации. Стоит также отметить работы коллектива лаборатории управления и навигации МГУ под руководством . . , -работки данных гравиметриии [3,11]. Согласно этой теории, при обработке данных аэрогравиметрических измерений можно выделить следующие основные этапы:
1) ;
2) -
( );
3)
карт аномального гравитационного поля.
Аномалия силы тяжести в математической постановке есть результат решения основного гравиметрического уравнения, под которым понимается уравнение движения материальной точки M единичной массы, соответствующей чувствительной массе гравиметра, в поле силы тяжести Земли под воздействием внешней , . понимается нормаль к поверхности модельного эллипсоида, например, WGS-84. В этом уравнении слева стоит вторая производная по времени от высоты точки M над эллипсоидом, а справа вертикальная составляющая удельной силы, дейст-
M , ,
, , -мая, например, из формулы Гельмерта, и, наконец, аномалия силы тяжести, подлежащая определению. Решить основное гравиметрическое уравнение - значит выразить из него величину вертикальной составляющей удельной силы. При этом вертикальное ускорение и поправку Этвеша можно рассматривать как помеху, обусловленную движением летательного аппарата-носителя.
Первый этап определения аномалии гравитационного поля требует дифференциального фазового решения задачи спутниковой навигации с использованием одной или нескольких базовых станций. Важной особенностью применяемых алгоритмов является получение скоростной информации с использованием при, -. ,
, M
на вертикальную ось.
На втором этапе определяются компоненты скорости, необходимые для введения поправки Этвеша и ошибки горизонтирования платформы. Для этой цели производится тесное комплексирование инерциальной и спутниковой навигационных систем. Задача комплексирования ставится как задача коррекции инерциальной навигации при помощи первичных измерений спутниковой навигационной
8О
системы в дифференциальном режиме и решается методами субоптимального калмановского сглаживания.
, -ских данных решает задачу компенсации помех, вызванных эволюциями летательного аппарата.
На третьем этапе осуществляется решение основного гравиметрического уравнения методами нестационарной адаптивной калмановской фильтрации и , -го поля в свободном воздухе (редукция Фая).
.
точности измерения физических полей на борту летательного аппарата. Для решения основной проблемы - влияния динамики летательного аппарата - используется решение навигационной задачи в той или иной постановке. Наибольшего результата удалось добиться для электромагнитных систем: полученная точность навигационного решения не уступает точности дифференциального режима спутниковой навигационной системы, а качество измеряемых данных улучшилось, по крайней мере, на порядок. На данном этапе развитие методов измерения физических полей постепенно приводит к использованию градиентометров. Это позволит решить ряд проблем, связанных, например, с вариациями глобального поля, повысит детальность получаемых материалов. Это потребует нового подхода к навигационному обеспечению таких систем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пешехонов ВТ. Навигационные системы // Вестник Российской академии наук. - 1997.
- № 1 (67). - С. 43-48.
2. Волковицкий АЖ., Каршаков ЕЖ., Харткин МЖ. Система аэромагнитной съемки аномалий магнитного поля // Датчики и системы. - 2007. -№ 8. - С. 17-21.
3. Болотин ЮЖ., Голован А.А., Кручинин ПА., Парусников НА., Тихомиров ВЖ., Трубников СА. Задача авиационной гравиметрии. Некоторые результаты испытаний. // Вестник Московского университета. Сер. 1. Математика. Механика. - 1999. - № 2.
- С. 36-41.
4. Волковицкий АЖ., Каршаков ЕЖ., Попович ВЖ. Низкочастотная индуктивная аэроэлек-троразведочная система EM-4H. // Материалы XXXV сессии Международного семинара им. Д.Г. Успенского «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей». - Ухта, 2008. - С. 51-54.
5. Leliak P. Identification and Evaluation of Magnetic-Field Sources of Magnetic Airborne Detector Equipped Aircraft // IRE Transactions on Aerospace and Navigational Electronics. -1961. - P. 95-105.
6. . ., . . -2
(принципы и методы) // Геофизическая аппаратура. - 1979. - Вып.69. - С. 95-112.
7. . ., . ., . ., . ., . . -
пенсация магнитных помех авиационных носителей // Разведка и охрана недр. - 2001.
- № 9. - С. 52-58.
8. . ., . .
// . - 2008. - 7. - . 68-77.
9. . ., . .
генераторной петли // Труды ЦНИГРИ. - 1970. - Вып. 89.
10. . ., . ., . .
// 16. - ., 2009. - . 236-243.
11. . ., . ., . . .
и результаты испытаний. - М.: Изд-во механико-математического факультета МГУ.
- 2002. - 120 .
Каршаков Евгений Владимирович
( ).
E-mail: [email protected].
117997, г. Москва, ул. Профсоюзная, 65.
Тел.: 84953347168."
Павлов Борис Викторович
E-mail: [email protected].
.: 84953349351.
Karshakov Evgeny Vladimirovich
Institute of Control Sciences (ICS RAS).
E-mail: [email protected].
65, Profsoyuznaya street, 117997, Moscow, Russia. Phone: 84953347168.
Pavlov Boris Viktorovich
E-mail: [email protected].
Phone: 84953349351.
УДК 550.837.6
..
ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ И НАВИГАЦИИ
Доклад посвящен задачам измерения физических полей и их навигационным приложениям. В докладе представлены результаты, достигнутые при разработке систем измерения физических полей. Дается обзор возможных приложений в задачах навигации и управ. . Навигация; магнитометрия; магнито-градиентометрия; электромагнитные сис-.
A.K. Volkovitskiy
PHYSICAL FIELDS MEASUREMENTS IN MOTION CONTROL AND NAVIGATION TASKS
The report is dedicated to the physical fields measurements and their applications in navigation tasks. The results achieved during physical fields measurement systems development are presented. A review of possible navigation and motion control applications is given. Examples of geophysical systems data processing are also provided.
Navigation; magnetometry; magnetic gradientometry; electromagnetics.
.
связаны с измерением параметров физических полей. Направление силы тяжести служит основой работы инерциальных систем, отклонение магнитной стрелки компаса использовалось для целей навигации с древнейших времен.
Многие разработчики стараются использовать данные гравитационных и магнитных измерений для повышения точности длительной автономной навига-. ,
качестве априорной информации для корреляционно-экстремальных систем позиционной и ориентационной коррекции [1].
Измерение параметров физических полей играют важнейшую роль при решении задач пеленгации и наведения. Магнитная пеленгация и наведение - важ-
S2
