Способ магнитной геодезии В.М.Юровицкого Советский патент 1982 года по МПК G01R33/02 G01C19/02 

Изобретение относится к геодезии и может быть использовано в горном деле и строительстве наземных и подземных сооружений. Известен способ магнитной геодезии, основанный на измерении направления с помощью магнитного поля Земли. Способ относится к пассивным геодезическим методам, так как исполь зуется естественное магнитное поле Земли. Достоинствами его являются простота и возможность производства измерений в условиях, когда никакие другие геодезические методы непримеHHNfti - внутри непрозрачных в оптическом и радиодиапазоне сред - в туман, под землей и т.д. tilНедостатком известного способа является низкая точность измерений. Цель изобретения - повышение точности измерения в немагнитных средах Поставленная цель достигается тем что посредством источника создают вргидающееся магнитное поле и определяют место расположения точки наблюде ния в системе отсчета, начало которой совпадает с местом расположения источ ника, одна из осей координат совпадает с осью вращения магнитного поля, а две лоугие совпадают с направлениями, вдоль которых измеренные в точке, расположенной на оси вращения поля, компоненты вращающегося магнитного поля имеют минимгльное и максимальное значения, определяют коэффициент эллиптичности вращающегося магнитного поля в точке, расположенной на оси вращения магнитного поля, измеряют величину магнитной бикомпоненты, совпадающей по направлению с минимальной компонентой вращающегося магнитного поля, измеряют главный зенитный угол системы отсчета и местный зенитный угол в точке наблюдения, а полное геодезическое описание точки наблюдения определяют по соотношениям «гвГ Qsarctoj ) радиус места наблюдения; геодезический азимут места наблюдения) меридианальный угол места наблюдения; /Ар- заданный магнитоиндукционный момент источника враща щегося магнитного поля} &л- величина магнитной бикомпо К - коэффициент эллиптичностиJ ZQ- главный зенитный угол системы отсчета; Z - местный зенитный угол. Теоретические основы способа магнитной геодезии заключаются в следующем. Рассматривается точечный магнитный диполь,вращающийся в плоскости. В качестве меры интенсивности нсполь зуют магнитоиндукционный момент, рав ный интегралу от индукции внешнего и внутреннего -поля по объему магнетика Магнитоиндукционный момент отличается от обычно используемого магнитого момента множителем /tio . Пусть диполь с магнитоиндукционным моментом находится в начал координат и вращается в плоскости xOv. Тогда вектор магнитоиндукционного момента имеет составляюсоие по осям Лх coscot; /X,,- 0-0 sinujt; , О где UJ - угловая частота йращения диполя. / Собственное электромагнитное поле можно представить в виде суперпозици полей двух диполей с осциллирукхаими моментами одинаковой частоты со сдви гом фаз 90°. Решение для осциллирующ го магнитного диполя известно. Если пренебречь эффектами нестаци онарности в областях пространства, где магнитная энергия диполя значи тельно превышает его электрическую энергию, то дляполя диполя справвдливо следующее выражение: э(Д7)Т , ; -4Л|г|5 4Л1РР где - радиус вектор точки наблюдения/ - временная функция. На фиг. 1 изображена еометрия измерений. Плоскость вращения диполя будем называть экваториальной плоскостью, ось врашения - главной полярной осью, совпадающей с осью 0. Точка А изображает точку наблюдения. Плоскость, проходящую через главную полярную ось, будем называть меридиональной плоскостью; меридиональную плоскость, проходящую через место наблюдения - местной меридиональной плоскостью; угол между радиус-вектором точки наблюдения и главной полярной осью - местным геодезическим азимутом; ось, проходящую через точку наблюдения, параллельно главной полярной оси - местной полярной осью йвиду аксиальной симметрии задачи про ведем илос:кс5сть хОг через точку наблю дения. Подставляя в уравнение (2) значения дипольного момента (1), получаем значение вектора магнитной индукции в проекциях на оси прямоугольной системы координат BX Bo(3sln1- е - 1) cos u)t; В В BO 3COS0S In е cdsuj t (.b) По каждой из осей имеем осцилли рующее магнитное поле. Поле вдоль произвольного направления, задаваемого направляющими косинус 1ми ( i , ot , d-j ) определяется BnW BO i Sifl e--1)01 35146 COSGotj RCOS lUi-cCij sin uJtl. Амплитуда этого вьаражения есть маг нитная компонента по соответствуЧ ющей оси и равна (Э51п в-)е)1,+331пвсозв-о1з 4сА. Из выражения (4 ) легко определяется направление, вдоль которого магнитная :-.омпонента обращается в нуль. Это направление будем называть местной магнитной осью(АМО) она лежит в местной меридиональной плоскости (ММП) и угол Ч между АМО и полярной осью равен , fc. Зб1ПвС05в ч- asin -e Этот угол будем называть местным магнитным азимутальным углом, а плоскость, перпендикулярную к АМО, - местной магнитной плоскостью. Годограф магнитной компоненты в этой, плоскости представляет собой эллипс. Магнит ную компоненту вдоль большой оси этого эллипса будем называть главной магнитной компонентой, соотЬетствующую ось - главной магнитной осьюу магнитную компоненту вдоль малой оси этого эллипса - бикомпонентой магнитного поля, а соответствующую ось Зиомагнитной осьюГ отношение к главяой магнитной компоненты и бикомпоНенты - местным коэффициентом эллиптичности. Глд1вная магнитнйя ось лежит в местной меридиональной плоскости под прямым углом к амагнитной оси. Бимагнитная ось расположена в перпендикулярном к ММП направлении , т.е. амагнитная, главная магнитная и бимагнитная си образуют ортогональный местный агнитный базис. Главная магнитная омпонента равна в BpVi - 3 stn-e . (6) иокомпрнента равна ( и коэффициент эллиптичности К -;г- тИ аз1п 0.(8) Произошло важное разделение переменных. Коэффициент эллиптичности зависит только от геодезического азимута места, бикомпонента - только от ради уса места. Отсюда для геодезического азимута места получаем выражение b-K-JИтак, исходя из этого описания, 1МЫ можем получить две характеристики места наблюдения - радиус и геодезический азимут места наблюдения. Для полного геодезического описания необходимо иметь еще третью характерис тику. Ее несложно получить, используя линии отвеса. На фиг. 2 изображена схема решения этой задачи. Здесь б. вертикал в ц, - главная полярная ось системы отсчета, проходящая под углом 2 к вертикали, который мы будем называть главным зенитным углом системы отсчета. В качестве главной меридиональной плоскости примем меридио.нальную плоскость, след которой на экваториальной плоскости горизонтале Если А - точка наблюдения, местная меридиональная плоскость точrth А может быть охарактеризована меридиональным углом между главной мерИдиональной плоскостью и местной мери диональной плоскостью - углом ч. -. Совокупность чисел (г, 0,1,) характеризует положение точки А в магнитной системе отсчета, по крайней мере с точностью до некоторых альтернатив Местная меридиональная плоскость легко определяется по местным наблюдениям «ак плоскость амагнитной и главной магнитной осей либо как плос кость , перпендикулярная бимагнитной оси. Легко может быть определен и местный зенитный угол между этой плоскостью и вертикалью. Тогда из формул сферической геометрии связь Zg дается урав между углами , 2. и нением S I nZ , s inZp , do) a так как 2д есть известная величина константа системы отсчета, отскща легко определяется и местный меридиан, а следовательно, полностью решается задача полного геодезического описания места наблюдения. Рассмотрим некоторые из геодезических задач и. способы их решения. . ироЬтейшей, но важной задачей является создание в среде прямолинейного направления, к этой задаче сво дится, например, нахождение места вы хода вентиляционного колодца из тоннеля метро на поверхность, определение места выхода трубопроводов через стены и т.п. Для этого в одной из точек заданного направления помещают магнитогеодезический генератор, создающий вращающееся магнитное поле, ось которого выставляют вдоль заданного напревления. Если это направление известно, например оно вертикально либо перпендикулярно плоскости ст.ен и т.д., выход его в точке Наблюдения ищут с помощью измерения магнитной компоненты вдоль зтого направления и место, в которрм эта компонента обращается в нуль, является местом выхода нашего направления. Действительно, при нулевом геодезическом азимуте угол магнитогеодезической аберации равен нулю и главная полярная ось есть также и амагнитная ось. Решение других геодезических задач требует использования более сложных магнитоприемных систем. Обратимся к выражению 4 для компоненты магнитного поля вдоль произвольного, направления. Эта величина зависит от трех направляющих косинусов, геодезического зимута и радиуса,. Между тремя направляющими косИ имеется одно известное соотношение, что понижает общее число переменных до четырех. Следовательно, имея четыре измерения в различных направлениях, мы получаем четыре уравнения для четырех неизвестных и неизвестные могут быть определены с точностью до некоторого множества вариантов. Таким Образом, использование магнитоприемной системы с числом магнитоприемников не менее четырех со случайной ориентацией этой магнитоприемной системы относительно системы отсчета позволяет получить полное геодезическое описание точки наблюдения. Достоинством неподвижной магнитоприемной системы с неподвижными магнитоприемниками является отсутствие всякой кинематики, простота установки , возможность производства длительных измерений. Такие магнитоприемные системы удобно использовать при предельно .возможных расстояниях геодезических измерений. Увеличени.е расстояний требует понижения частот и, следовательно, увеличение времени наблюдения. Недостатком является необходикюсть большого числа магнитоприемников и сложность решения уравнения, требующих для этого использования ЭВМ. Другой вариант, позволяющий уменьшить число магнитоприемников до трех, есть использование подвижной магнитоприемной системы, причем процесс измерения включает в себя пространственную настройку магнитоприемной системы. Путем этой настройки определяется местный магнитный базис, представленный осями АМО, ГМО и БМО, т.е. с помощью одно го магнитоприемника мы ищем обращение , а нул, магнитной компоненты (настраиваем его на АМО), С помощью второго магнитоприемника настраиваемся на максимум магнитной компонен ты, причем поиск ограничиваем мест ной магнитной плоскостью, перпендикулярной АМО. Наконец, третий магни топриемник устанавливаем перпендику лярно первым двум, I дополнительно определяем местный коэффициент элли тичности, равный отношению главной (Магнитной и бимагнитной компонент, причем в этом случае абсолютная эта лонировка магнитоприемников не требуется. На основании этой магнитоприемной системы можно решать геоде зические задачи. Наиболее общей задачей является задача получения полного геодезичес кого описания места наблюдения в системе отсчета генератора. Для этой цели кроме определения местного магнитного базиса и коэффициента эллиптичности необходимо определить абсолютную величину бикомпоненты и местный зенитный угол , т.е. угол между ММП и вертикалью. После этого характеристики (г, Э 1, ) места наблюдения п системе отсчета генератора определяет по соотношениям е агсч -«(Ш1;)Однако на самом деле полученные во всех предыдущих случаях решения имеют лишь альтернативную точность. Так, мы говорили о повороте АМО в ММП, но в какую из двух возможных сторон необходимо осуществлять пово рот - ничего не говорилось. Аналоги но, когда мы указывали линию, на ко торой лежит генератор, мы не могли указать каждое из двух возможных на правление на этой линиинеобходимо принять. Однако, как правило, №i всегда имеем определенную априорную информацию о предлагаемом месте нашего нахождения и по этой априорной информации несложно осуществить выбор места измерения. Однако вполне возможны случаи, когда эта информация отсутствует либо ее-оказывается недостаточно. В -этом случае уточнение может быть произведено на основе производства измерений в соседних точках, и на основе анализа изменени тех или иных параметров. Рассмотрим, применение предлагаемого способа магнитной геодезии в MapKUjGiuiopHH . Примем чувствительнос по измерению магнитного поля . Такие сигналы с помощью феррозондовых магнитоприемников улавливаются с достаточной точностью. Учтем, что мы имеем сигнал фиксированной частоты и за счет их чувствительность фактически может быть Повышена на 2-3 порядка по сравнению с чувствительностью к постоянному магнитному полю. Радиус геодезических измерений принимаем порядка 1000 м . Необходимый магнитоиндукционный момент генератора составит /«.(e r44Ji-ro f O)4fr-nV Такой магнитодипопьный момент может бытъ осуществлен железным сердечником с объемом железа 0,5 мс индукцией 2Т. Вес его составит около 5т, что вполне приемлемо для маркшейдерского магнитогеодезического генератора. Принимаем удельное сопротивление среды 1000 ОММ, что характерно для плотных песчанников с малой обводненностью. Магнитную проницаемость принимаем равной единице, диэлектрическую проницаемость также равной адинице, тогда для электромагнитного радиуса среды имеем -1- %5«. Ьтсюда частота вращения поля Ш«| ..M ± 750C-V , .Принимаем частоту вращения 30 Гц. Эту частоту вращения можно легко обеспечить как механическим вращением, так и электротехнически. Считаем, что цикл измерения составляет 5 мин. Это отвечает числу периодов изменения осциллирующего сигнала 9000 периодов. Эффективность частотной селекции прямо пропорциональна числу периодов. В данном случае имеем достаточно большое число периодов. С помощью фурьеанализа определяем полосу пропускания, она равна 30 t О ,003 Гц. Известны следующие естественные источники магнитных помех: магнитные вариации с периодом около суток, магнитные бури, магнитные микропульсации с амплитудой 1СГ Т и частотой . Все они достаточно далеко отстоят от нашего диапазона, а данной полосе частот их интенсивность ничтожна, эа исключением, возможно, помех от магнитных бурь. Но их остается только переждать. Фактически наибольшую опасность могут представлять помехи промышленного характера на частоте 50 Гц, Но от них также удается отстроится по частоте. Таким образом, разработка оборудования для магнитной геодезии для маркшейдерских целей с радиусом действия 1 км возможна, хотя и представляет достаточно сложную техническую задачу. Следовательно, доказана и осуществимость самого сп соба при современном состоянии науки и техники. Для инженерной геодезии, наприме в строительстве, достаточна во мног случаях дальность измерений 100 м. Так как вес магнитогеодезического генератора пропорционален кубу ради са измерений, здесь имеем уменьшение в тысячу раз, т.е. необходимо всего 5 кг железа. Это уже может бы вполне портативное и удобное устрой во. Частота может быть увеличина в 10 раз, а на этой частоте (300 Гц) чувствительность существенно выше. Таким образом, для инженерной геоде зии способ также применим. Предлагаемый способ должен служить не заменой классической маркшейдерии, а дополнением к ней. На больших расстояниях используют оптическую геодезию, на малых рас- стояниях - магнитную. Так как это прямой способ, его точность возрастает по мере сближения в противоположность современно маркшейдерии и на этих последних этапах его применение наиболее эффективно. Это позволит: полностью решить проблему сооружения сколь угодно сложных подземных сооружений и проблему сбойки в любом месте,с любой точностью с любыми условиями сопряжения не будет представлять вообще никакой проблемы Таким образом, в области горного дела мы можем иметь существенное повышение скорости проходческих работ, уменьшение их объемов, улучшение их организации за счет возможности начи нать эти работы сразу же каким угод количеством проходческих бригад (в настоящее время сложность проблемы сбойки ограничивает их практически до двух). Формула изобретения 1. Способ магнитной геодезии, основанный на определении параметров магнитного поля, отличающий ся тем, что, с целью повышения точности измерений в немагнитных средги посредством источника создают вращающееся магнитное поле и определяют место расположения точки,наблюдения в системе отсчета, 1 1ачало -которой совпадает с местом распйложения источника, одна из осей координат совпащает с осью вращения магнитного поля, а две .другие совпадают с направлениями, вдоль которых измеренные в точке, расположенной на оси вращения поля, компоненты вращающегося магнитного поля имеют минимальное и максимальное значения, определяют коэффициент эллиптичности вращающегося магнитного поля в точке, расположенной на оси вращения магнитного поля, измеряют величину магнитной Сикомпоненты, совпадающей по направлению с минимальной компонентой вращаиощегося магнитного паля, измеряют главный зенитный угол системл отсчета - утол между линией отвеса, и осью вращения магнитного поля - и местный зенитный угрл в точке наблюдения , а полное геодезическое описание точки наблюдения определяют по соотношениям г м- , e arctof JjiUfsi ircirccos Vs nzjрёщиус места наблюдения; геодезический азимут места наблюдения-, меридианальный угол места наблкщения i заданный магнитоиндукиион-. ный момент источ 1икавращающегося магнитногб ПОЛЯ} величина магнитной бикомпоненты;коэффициент эллиптичности; главный зенитный угол систе лы отсчета; местный зенитный угол. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе Л.Чижмаков А.Ф. и Чижмакова А.М, Геодезия. М., Наука, 1975, с.2223 (прототип).

MtfufufHttMbHeA плоскость