Способ измерения гравитационного поля Земли Российский патент 2020 года по МПК G01V11/00 G01V7/00 G01V7/06 G01V7/16 

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для изучения гравитационного поля в Мировом океане в целях навигационно-гидрографического обеспечения сил флота и народного хозяйства.

Известен способ гравиметрической съемки акватории, включающей вождение съемочного судна по запланированным галсам, измерение при этом на съемочном судне ускорения силы тяжести гравиметром в пунктах, расположенных вдоль съемочных галсов, определение широты места ϕ и долготы λ, пути П и абсолютной скорости v, вычисление по полученным данным искомого ускорения силы тяжести g_истi, вождение судна производят по запланированным галсам, начало и конец каждого из галсов замкнуты на опорный гидрографический пункт или на два опорных гидрографических пункта: начало каждого галса - на один пункт, а конец каждого галса - на другой данный пункт, отличающийся тем, что дополнительно измеряют на движущемся судне в пунктах, расположенных вдоль съемочных галсов, совместно с измерением ускорения силы тяжести g_измi глубину акватории Z_измi и определяют геодезические прямоугольные координаты х_i у_i, а истинное значение ускорения силы тяжести g_истi вычисляют по указанной формуле, (см. патент №2575316,2014)

Недостатком данного способа является низкая точность измерений, необходимость выполнения продолжительных опорных измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ морской гравиметрической съемки, включающий размещение в районе съемки опорных геофизических пунктов, оснащенных баллистическими гравиметрами и прецизионными магнитометрами, посредством которых определяют опорные значения ускорения силы тяжести (УСТ) и напряженности геомагнитного поля Земли, установку на подвижном носителе гравиметров, выполнение площадной или профильной съемки путем определения УСТ на движущемся объекте посредством измерения ускорения (α₀) неподвижным относительно объекта гравиметром (акселерометром по вертикали), определение широты места ϕ, путевого угла α, абсолютной скорости V_H чувствительной системы гравиметра навигационным средством и вычисление по полученным данным искомого абсолютного значения УСТ (g₀), в котором дополнительно определяют угол β между вектором абсолютной скорости чувствительной системы гравиметра и плоскостью горизонта, радиус кривизны ρ траектории движения чувствительной системы, а искомое абсолютное значение УСТ вычисляют по формуле где ω - угловая скорость вращения Земли, дополнительно измеряют вертикальную V_zi и горизонтальные составляющие V_xi, V_yi вектора абсолютной скорости чувствительной системы гравиметра в моменты времени t_i и t(_i+1) в точках траектории движения чувствительной системы, а значения β и ρ вычисляют по формулам: при этом опорные геофизические пункты размещают на морском дне, опорные геофизические пункты выполнены в виде автономных донных станций, снабженных гидроакустическим каналом связи, место установки автономных донных станций определяют по результатам съемки рельефа дна исследуемого района, гравиметрическую съемку выполняют по замкнутым маршрутам с замыканием на опорный геофизический пункт, а искомые значения УСТ и модуля вектора индукции геомагнитного поля в точке измерения вычисляют как суммы приращений измеренного значения к предыдущему значению, начиная с опорного геофизического пункта, дополнительно выполняют анализ скелетных карт, путем анализа скелетных карт устанавливают границы континентального шельфа, (см. патент РФ №2440592, 2010)

Недостатками данного способа являются низкая точность измерения гравитационного поля Земли, т.к. не учитываются погрешности измерений на автономных геофизических донных станциях, и необходимость выполнения продолжительных опорных измерений.

Техническим результатом является повышение точности измерения гравитационного поля Земли за счет учета систематических и случайных погрешностей, обусловленных влияниями возмущающих физических факторов и условиями внешней среды.

Технический результат достигается в способе измерения гравитационного поля Земли, включающем предварительные измерения силы тяжести посредством установленного на борту морского судна гравиметра над абиссальной равниной и создание модели гравитационного поля Земли путем комплексирования полученных данных с данными глобальной модели гравитационного поля Земли с последующим определением скорости смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютного значения измерений, проведение текущих измерений силы тяжести в исследуемом районе Мирового океана и создание региональной модели гравитационного поля Земли с последующим определением скорости смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютного значения измерений методом линейной аппроксимации совокупности невязок, дополнительное измерение инерциальных вертикальных ускорений, определение пространственно-временного положения гравиметра с последующим вычислением ускорений Кориолиса, земного и океанического приливов и гравитационного эффекта атмосферы, вычисление поправок на скорость смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютное значение измерений путем вычисления разницы между значениями скорости смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютного значения измерений, полученными при текущих измерениях в исследуемом районе, и соответствующими значениями скорости смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютного значения измерений, полученными над абиссальной равниной, вычисление дополнительных поправок на инерциальные вертикальные ускорения, ускорения Кориолиса, земной и океанический приливы и гравитационный эффект атмосферы и введение поправок в измеренные значения силы тяжести.

Предварительные измерения силы тяжести над абиссальной равниной обусловлены потенциальным отсутствием аномалий гравитационного поля.

Создание модели гравитационного поля Земли над абиссальной равниной путем комплексирования полученных данных с данными глобальной модели гравитационного поля Земли позволяет получить набор исходных данных для дальнейшего определения параметров работы гравиметра и выполняемых измерений.

Определение скорости смещения нуль-пункта гравиметра над абиссальной равниной позволяет с высокой точностью получить данные о систематическом линейном отклонении показаний гравиметра во времени и рассчитать советующую поправку.

Определение абсолютного значения измерений силы тяжести позволяет получить данные об абсолютном значении всей гравиметрической съемки и абсолютном положении каждого пункта съемки и рассчитать соответствующую поправку.

Измерение инерциальных вертикальных ускорений позволяет получить данные о величинах мгновенных возмущающих инерциальных ускорений по основным осям гравиметра и рассчитать соответствующие поправки.

Определение пространственно-временного положения гравиметра позволяет получить высокоточные данные о координатах и времени измерения каждого пункта гравиметрической съемки.

Вычисление ускорений Кориолиса позволяет данные о дополнительном ускорении, которое возникает вследствие перемещения гравиметрического датчика относительно поверхности вращающейся Земли и рассчитать соответствующие поправки.

Определение земного и океанического приливов позволяет получить данные о совместном гравиметрическом влиянии земного и океанического приливов в каждой момент времени выполнения съемки и рассчитать соответствующие поправки.

Определение гравитационного эффекта атмосферы позволяет получить данные о влиянии атмосферы на измерение силы тяжести в каждой момент времени выполнения съемки и рассчитать соответствующие поправки.

Способ измерения гравитационного поля Земли осуществляется следующим образом.

Предварительно измеряют силу тяжести посредством установленного на борту морского судна гравиметра над абиссальной равниной и создают модель гравитационного поля Земли путем комплексирования полученных данных с данными глобальной модели гравитационного поля Земли. После чего определяют скорость смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютное значение измерений. Проводят текущие измерения силы тяжести в исследуемом районе Мирового океана и создают региональную модель гравитационного поля Земли. Затем определяют скорость смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютное значение измерений методом линейной аппроксимации совокупности невязок. Дополнительно измеряют инерциальные вертикальные ускорения. Определяют пространственно-временное положение гравиметра. Вычисляют ускорения Кориолиса, земной и океанический приливы и гравитационный эффект атмосферы. После чего вычисляют поправки на скорость смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютное значение измерений путем вычисления разницы между значениями скорости смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютного значения измерений, полученными при текущих измерениях в исследуемом районе, и соответствующими значениями скорости смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютного значения измерений, полученными над абиссальной равниной. Затем вычисляют дополнительные поправки на инерциальные вертикальные ускорения, ускорения Кориолиса, земной и океанический приливы и гравитационный эффект атмосферы. После чего вводят поправки в измеренные значения силы тяжести.

Конкретный пример осуществления способа измерения гравитационного поля Земли.

Измерения гравитационного поля Земли проводились посредством установленного на борту морского судна гравиметра. Для измерения гравитационного поля Земли был использован российский морской мобильный гравиметрический комплекс Чекан-АМ «Шельф». Данный гравиметрический комплекс имеет следующие характеристики:

- Средняя квадратическая погрешность измерений 0.4 мГал.

- Диапазон возмущающих ускорений 500 Гал.

- Диапазон рабочих температур 5-35°С.

- Энергопотребление 270 Вт.

- Масса 78 кг.

Геофизическое судно вышло для проведения морской гравиметрической съемки без выполнения опорных измерений (скорости смещения нуль-пункта) на береговом опорном пункте.

Предварительно измеряли силу тяжести в акватории Мирового океана над абиссальной равниной.

Для выполнения предварительных измерений был выбран участок над абиссальной равниной, где гравитационное поле по данным глобальной модели EGM2008 не является градиентным или изостатически не скомпенсированным, а также не относится к прибрежным областям, в которых значительные массы находятся выше эквипотенциальной поверхности.

Создали модель гравитационного поля Земли путем комплексирования полученных данных с данными глобальной модели гравитационного поля Земли и определили скорость смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютного значения измерений. Над океаническими абиссальными равнинами в диапазоне длин волн свыше 50 км модуль спектра когерентности модельных значений с прямой съемкой превышает 0.9. Это означает, что в этом частотном диапазоне данные, полученные по спутниковым измерениям, практически совпадают с прямыми измерениями на поверхности океана, а гармоники поля с длиной волны менее 20 км являются ложными из-за высокочастотного шума самой глобальной модели. Выполнили совместный анализ данных прямых измерений и данных глобальной модели гравитационного поля Земли EGM2008, объединенных методом комплексирования данных разноточных средство определения параметров гравитационного поля (морских и спутниковых измерений) на интервале сравнения не менее 100 км. По объединенным данным определяли скорость смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютные значения измерений («уровня» съемки). Текущие измерения силы тяжести проводились в исследуемый район работ в Аравийском море (акватория Индийского океана). Морская гравиметрическая съемка выполнялась по системе съемочных и секущих профилей. По данным текущих измерений создали региональную модель гравитационного поля Земли. Скорость смещения нуль-пункта и абсолютное значение съемки определяли методом линейной аппроксимации совокупности невязок между данными региональной и глобальной моделей. Дополнительно измеряли инерциальные вертикальные ускорения, определяли и фиксировали пространственно-временного положение гравиметра в каждый момент выполнения измерений с дискретностью 1 секунда. По навигационным данным вычисляли ускорения Кориолиса, величины земного и океанического приливов и гравитационного эффекта атмосферы (с помощью математических моделирующих моделей).

После чего проводили вычисление поправок на скорость смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютное значение измерений путем вычисления разницы между значениями скорости смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютного значения измерений, полученными при текущих измерениях в исследуемом районе, и соответствующими значениями скорости смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютного значения измерений, полученными над абиссальной равниной. Затем вычисляли дополнительные поправки на инерциальные вертикальные ускорения, ускорения Кориолиса, земной и океанический приливы и гравитационный эффект атмосферы. После чего вводили поправки в измеренные значения силы тяжести. В результате были определены величины поправок в данные текущей морской гравиметрической съемки. Поправка за скорость смещения нуль-пункта гравиметра получена в пределах регламентированного приборного значения составила 0.75 мГал/сут. Поправка за абсолютное значение съемки составила 10 мГал. Набор поправок за инерционные вертикальные ускорения для каждого пункта съемки в диапазоне составил 0.05-1 мГал, конкретные значения для каждого определяются фактическими условиями съемки. Набор поправок за ускорения Кориолиса для каждого пункта съемки в диапазоне составил 0-80 мГал, конкретные значения для каждого пункта определяются скоростью и курсом движения судна, географической широтой. Набор поправок за совместное влияние земного и океанического приливов в диапазоне составил 0-0.5 мГал и набор поправок за влияние гравитационного эффекта атмосферы в диапазоне 0-0.8 мГал. Величины поправок за приливы и атмосферу зависят от временного и пространственного положения судна в момент выполнения съемки.

Затем выполняется ввод указанных выше дополнительных поправок в измеренные значения силы тяжести, уравнивание съемки и оценка точности измерений.

Предложенный способ позволяет существенно повысить точность, надежность и производительность морских гравиметрических съемок и расширить географию их производства при снижении расходов на их выполнение.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для изучения гравитационного поля в Мировом океане в целях навигационно-гидрографического обеспечения сил флота и народного хозяйства. Заявленный способ включает проведение предварительных измерений силы тяжести посредством установленного на борту морского судна гравиметра над абиссальной равниной и создание модели гравитационного поля Земли путем комплексирования полученных данных с данными глобальной модели гравитационного поля Земли. Далее определяют скорости смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютного значения измерений. Проводят текущие измерения силы тяжести в исследуемом районе Мирового океана и создают региональной модели гравитационного поля Земли. Определяют скорости смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютного значения измерений методом линейной аппроксимации совокупности невязок. Осуществляют дополнительное проведение измерений инерциальных вертикальных ускорений. Определяют пространственно-временное положение гравиметра с последующим вычислением ускорений Кориолиса, земного и океанического приливов и гравитационного эффекта атмосферы. Вычисляют поправки на скорость смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютного значения измерений путем вычисления разницы между значениями скорости смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютного значения измерений, полученными при текущих измерениях в исследуемом районе, и соответствующими значениями скорости смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютного значения измерений, полученными над абиссальной равниной. Вычисляют дополнительные поправки на инерциальные вертикальные ускорения, ускорения Кориолиса, земной и океанический приливы и гравитационный эффект атмосферы и вводят поправки в измеренные значения силы тяжести. Технический результат - повышение точности измерения гравитационного поля Земли за счет учета систематических и случайных погрешностей, обусловленных влияниями возмущающих физических факторов и условиями внешней среды.

Способ измерения гравитационного поля Земли, включающий предварительные измерения силы тяжести посредством установленного на борту морского судна гравиметра над абиссальной равниной и создание модели гравитационного поля Земли путем комплексирования полученных данных с данными глобальной модели гравитационного поля Земли с последующим определением скорости смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютного значения измерений, проведение текущих измерений силы тяжести в исследуемом районе Мирового океана и создание региональной модели гравитационного поля Земли с последующим определением скорости смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютного значения измерений методом линейной аппроксимации совокупности невязок, дополнительное измерение инерциальных вертикальных ускорений, определение пространственно-временного положения гравиметра с последующим вычислением ускорений Кориолиса, земного и океанического приливов и гравитационного эффекта атмосферы, вычисление поправок на скорость смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютного значения измерений путем вычисления разницы между значениями скорости смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютного значения измерений, полученными при текущих измерениях в исследуемом районе, и соответствующими значениями скорости смещения нуль-пункта гравиметра и абсолютного значения измерений, полученными над абиссальной равниной, вычисление дополнительных поправок на инерциальные вертикальные ускорения, ускорения Кориолиса, земной и океанический приливы и гравитационный эффект атмосферы и введение поправок в измеренные значения силы тяжести.