Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ рациональных подходов к построению гравиметрического датчика 16
1.1 Аналитический обзор современных гравиметрических измерителей 16
1.2 Принцип работы МГД 25
Результаты и выводы 30
2 Конструктивная схема и обоснование возможности построения МГД 31
2.1 Физическая модель модуляционного режима работы 31
2.2 Температурная модель статической характеристики М МА 37
2.3 Исследование факторов, вызывающих локальный перегрев перемычки ММА 46
2.4 Требования к основным инструментальным погрешностям МА 48
2.5 Анализ алгоритмических возможностей СИР для работы в модуляционном динамическом режиме измерения 51
Результаты и выводы 55
3 Конструктивная схема МГД и его математическая модель в условиях ускоренного движения основания 57
3.1 Полная математическая модель МГД 57
3.2 Упрощенная математическая модель МГД 65
3.3 Решение математической модели МГД во втором приближении 74
3.4 Усовершенствованный алгоритм системы управления МГД для работы
в условиях переменных ускорений основания 78
3.5 Анализ свойств модифицированного МГД при работе в условиях ускоренного движения основания 84
3.6 Подход к решению математической модели МГД с переменной частотой модуляции 89
3.7 Алгоритм системы управления МГД с переменной частотой модуляции для работы в условиях переменных ускорений основания 93
Результаты и выводы 96
4 Исследование основных погрешностей МГД и способы их уменьшения 98
4.1 Вибрационные и шумовые погрешности МГД 98
4.2 Анализ динамической погрешности МГД 112
4.3 Погрешность, обусловленная влиянием демпфирования, и способ ее уменьшения 118
4.4 Погрешности, обусловленные угловой подвижностью основания 121
Результаты и выводы 123
5 Практические исследования МГД 124
5.1 Макет из трех МГД и экспериментальная установка для его исследований 124
5.2 Настройка модуляционного динамического режима работы МГД 131
5.3 Методика определения параметров компенсационного режима работы МА на нестабилизированном основании 138
5.4 Методика определения параметров дифференциального компенсационного режима работы МГД 142
5.5 Методика определения параметров модуляционного динамического режима работы МГД на неподвижном основании 145
5.6 Экспериментальные исследования МГД на неподвижном нестабилизированном основании 147
5.7 Схема из трех МГД, оценка ее метрологических и эксплуатационных характеристик 150
Результаты и выводы 154
Заключение 155
- Требования к основным инструментальным погрешностям МА
- Анализ свойств модифицированного МГД при работе в условиях ускоренного движения основания
- Погрешность, обусловленная влиянием демпфирования, и способ ее уменьшения
- Методика определения параметров компенсационного режима работы МА на нестабилизированном основании
Введение к работе
Широкое распространение для решения задач гравиразведки, геодезии, геофизики и навигации получила морская гравиметрическая съемка с использованием разнообразных комплексов, включающих гравиметрические датчики осевой или маятниковой конструкции, как правило, статического (в некоторых случаях астазированного), реже - струнного типов. К несомненным достоинствам датчиков можно отнести высокую точность измерения и отработанность технологии производства, сочетающиеся с все еще большими массогабаритны-ми характеристиками, стоимостью и энергопотреблением, относительно узкими амплитудным и частотным диапазонами. Для поддержания их осей чувствительности в направлении вертикали места, как правило, используются гироста-билизированные платформы, оснащенные высокоточными гироскопами и акселерометрами, обеспечивающие высокую итоговую точность измерения ускорения силы тяжести (УСТ) даже в условиях подвижного основания. Носителями подобных комплексов обычно являются среднетонажные научно-исследовательские суда, подводные лодки, а также класс обитаемых и необитаемых подводных аппаратов, способных к транспортировке габаритного измерительного оборудования. При этом, в целом справляясь со стоящими перед ними задачами, этим носителям присущи крайняя дороговизна эксплуатации, недостаточная оперативность и маневренность, ограниченные возможности при проведении детальной гравиметрической съемки в акваториях ограниченного судоходства (подо льдом, на мелководье, в скалисто-рифовых областях и т.д.).
Актуальность работы состоит в необходимости создания гравиметрического датчика, предназначенного для использования в составе малогабаритных гравиметрических комплексов морских малоразмерных подвижных объектов, обеспечивающих проведение относительной гравиметрической съемки, в том числе и в акваториях ограниченного судоходства.
В связи с этим, в частности, научным коллективом кафедры «Автоматизированные комплексы систем ориентации и навигации» МАИ был предложен подход к построению малогабаритного модуляционного гравиметрического датчика (МГД), построенного на базе совмещения модуляционного динамического и дифференциального компенсационного принципов измерения на базе современных прецизионных маятниковых акселерометров (МА). В результате прове-
денных работ были предложены общая конструктивная схема, базовые алгоритмы работы и упрощенная математическая модель датчика, проведен анализ его характеристик, а также имитационное моделирование и первоначальные экспериментальные исследования в условиях неподвижного основания с использованием МА с металлическим чувствительным элементом, разработанным в 1980-х годах. Получены предварительные результаты, показавшие потенциальную возможность построения МГД. При этом не рассмотренными остались вопросы, связанные с возможностью реализации МГД на базе современных высокоточных МА, как правило, конструктивно включающих блоки аналоговой интегральной электроники, а также чувствительные элементы, выполненные с использованием высокостабильных конструкционных материалов (кварца, кремния и др.). Не исследованы специфика и инструментальные факторы построения, свойства модуляционного динамического режима работы на подвижном основании (в условиях переменных проекций кажущегося ускорения (КУ)), анализ динамических характеристик, вопросы уменьшения ряда основных погрешностей и оценки метрологических возможностей, ограничивающих область его применения.
Таким образом, целью диссертационной работы является разработка способов построения и алгоритмов работы модуляционного гравиметрического датчика с погрешностью измерения не более единиц мГал, для работы в условиях ограниченной динамики линейных и угловых движений основания, а также анализ его метрологических возможностей и характеристик, специфики и инструментальных факторов построения.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
Аналитический обзор современных гравиметрических измерителей с целью выявления их основных метрологических и эксплуатационных характеристик.
Разработка физических и математических моделей прецизионного кварцевого акселерометра маятникового типа в модуляционном динамическом и дифференциальном компенсационном режимах измерения, включая модели его узлов; исследование их метрологических возможностей и влияющих на них
инструментальных факторов; формирование требований к конструкции и характеристикам МА в составе МГД.
Разработка и исследование математических и имитационных моделей, а также усовершенствованных схем построения и алгоритмов работы МГД на подвижном основании, обеспечивающих увеличение быстродействия и расширение амплитудно-частотного диапазона в условиях переменных проекций КУ.
Разработка и исследование моделей вибрационной, шумовой, динамической погрешностей, погрешности от демпфирования М и влияния угловых движений основания, а также алгоритмических и конструктивных способов их уменьшения.
Макетирование схемы из трех МГД с использованием МА типа АК; разработка методик и проведение экспериментальных исследований в условиях неподвижного нестабилизированного основания с целью проверки работоспособности и оценки метрологических возможностей МГД.
Анализ результатов теоретических и практических исследований, определяющий границы области практического применения и достижимые характеристики МГД в условиях ограниченной динамики линейных и угловых движений основания, ограничивающих выбор морского носителя.
Для решения поставленных задач использовались аналитические методы механики и математики, численные методы решения дифференциальных и алгебраических уравнений, машинные методы имитационного моделирования, методы математической статистики, цифровой фильтрации, процедурного и объектно-ориентированного программирования, а также экспериментальные и по-лунатурные методы исследований.
Объектом исследования является МГД для работы на подвижном основании, предметом исследования - способы его построения, алгоритмы работы и характеристики.
Научная новизна диссертационной работы определяется следующими положениями:
усовершенствованные физические и математические модели прецизионного кварцевого акселерометра маятникового типа для исследования особенностей работы в модуляционном динамическом и дифференциальном компенсационном режимах измерения, включая модели его узлов;
новые математические линейные и нелинейные модели работы МГД для
измерений на подвижном основании в условиях переменных проекций КУ, усовершенствованные схемы построения и алгоритмы работы МГД на их основе, позволяющие улучшить его метрологические характеристики;
- усовершенствованные и новые математические модели, алгоритмиче
ские и конструктивные способы уменьшения вибрационных, шумовых и дина
мических погрешностей МГД, погрешности из-за влияния демпфирования М,
позволяющие обеспечить потребный уровень точности.
Практическая значимость работы:
обоснованные требования и рекомендации к выбору основных конструктивных параметров узлов МГД с целью достижения потребных метрологических характеристик;
методики и программное обеспечение для имитационного моделирования МДГ, позволяющие проводить исследования его метрологических характеристик в условиях угловой и линейной подвижности основания, при различных переменных проекциях КУ и воздействии возмущающих факторов;
макет схемы из трех МГД с использованием МА типа АК, экспериментальная установка, методики и программное обеспечение;
анализ результатов теоретического исследования, имитационного моделирования, а также экспериментальных исследований макета, теоретически и практически подтвердивший возможность высокоточной работы устройства в модуляционном динамическом и дифференциальном компенсационном режимах измерения, оценки метрологических характеристик макета в условиях неподвижного нестабилизированного основания.
Достоверность полученных в диссертационной работе результатов подтверждается апробацией материалов диссертации, повторяемостью результатов при проведении серии опытов в ходе имитационных и экспериментальных исследований МГД, соответствием результатов аналитических и имитационных, а также экспериментальных исследований.
Положения, выносимые на защиту:
физические и математические модели прецизионного кварцевого акселерометра маятникового типа для модуляционного динамического и дифференциального компенсационного режимов измерения, включая модели его узлов;
рекомендации к выбору основных конструктивных параметров узлов МГД с целью достижения потребных метрологических и эксплуатационных характеристик;
математические линейные и нелинейные модели работы МГД для измерений на подвижном основании в условиях переменных проекций КУ, их решение, усовершенствованные схемы построения и алгоритмы работы МГД на их основе;
модели погрешностей МГД в условиях подвижного основания и способы их уменьшения;
результаты макетирования и экспериментальных исследований схемы из трех МГД в условиях неподвижного нестабилизированного основания;
результаты анализа теоретических и практических исследований, определяющие границы области практического применения и достижимые характеристики МГД для решения гравиметрических задач в условиях ограниченной динамики линейных и угловых движений основания.
Апробация результатов работы. Основные результаты исследования по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Федеральной итоговой научно-технической конференции «Всероссийского конкурса на лучшие научные работы студентов по естественным, техническим наукам (в области высоких технологий) и инновационным научно-образовательным проектам» (г.Москва, 2004 г.); на конкурсе квалификационных работ выпускников учреждений высшего профессионального образования Москвы и Московской области на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам (г. Москва, 2005 г.), по итогам которого работа заняла второе место; на VII, IX, X Конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением» (г. Санкт Петербург, 2005, 2007-2008 г.); на XV - XIX Международных научно-технических семинарах по Современным технологиям в задачах управления, автоматики и обработки информации (г.Алушта, 2006-2010 г.); на 5-7 и 9-ой Международных конференциях «Авиация и космонавтика» (г. Москва, 2006-2008 и 2010 г.); на 1-ой и 2-ой Всероссийских конференциях молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике» (г. Москва, 2008-2009 г.); на XXXIV - XXXVI Всероссийских конференциях по управлению движением морскими судами и специальными аппаратами, ИПУ РАН (2007-2009 г.); на IV межотраслевой конференции с международным участием аспирантов и молодых ученых, ГОУ ВПО «КГТА им. В.А.Дегтярева» (г. Ковров, 2009 г.); на XV, XVI Международных конференциях
по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС), (г. Алушта, 2007 г., 2009 г.); на XIV Туполевских чтениях: «Международной молодежной научной конференции» (г.Казань, 2006 г.); а XVII Международной студенческой конференции-школе-семинаре: «Новые информационные технологии» (г. Алушта, 2009 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 33 печатных работы, из них 13 статей, 2 статьи из перечня ВАК, 18 тезисов докладов.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, пяти приложений. Основная часть содержит 164 страницы машинописного текста, 33 иллюстрации (рисунки, схемы, графики), 10 таблиц, список литературы включает 59 наименований.
Требования к основным инструментальным погрешностям МА
Положения, выносимые на защиту: - физические и математические модели прецизионного кварцевого акселерометра маятникового типа для модуляционного динамического и дифференциального компенсационного режимов измерения, включая модели его узлов; - рекомендации к выбору основных конструктивных параметров узлов МГД с целью достижения потребных метрологических и эксплуатационных характеристик; - математические линейные и нелинейные модели работы МГД для измерений на подвижном основании в условиях переменных проекций КУ, их решение, усовершенствованные схемы построения и алгоритмы работы МГД на их основе; - модели погрешностей МГД в условиях подвижного основания и способы их уменьшения; - результаты макетирования и экспериментальных исследований схемы из трех МГД в условиях неподвижного нестабилизированного основания; - результаты анализа теоретических и. практических исследований, определяющие границы области практического применения и достижимые характеристики МГД для решения гравиметрических задач в условиях ограниченной динамики линейных и угловых движений основания.
В первой главе изложены требования, предъявляемые к гравиметрическим приборам для решения различных задач при осуществлении измерений с неподвижного нестабилизированного и подвижного оснований. Проведен сравнительный анализ современных гравиметрических приборов. Обоснована целесообразность построения модуляционного гравиметрического датчика с использованием прецизионных МА. Приведены структура, состав и конструктивная схема МГД. Рассмотрены результаты, проведенных ранее работ. Поставлены задачи диссертационной работы.
Во второй главе рассмотрены особенности конструкции МГД и исследованы возможности его построения. Особое внимание уделено вопросу построения физической модели работы МА в модуляционном динамическом и дифференциальном компенсационном режиме измерения. Рассмотрены особенности конструкции чувствительного элемента типового МА. Произведен расчет и исследование суммарной жесткости подвеса маятника (М) с целью выявления источников температурной нестабильности. Выдвинуты требования к конструкции подвеса М для обеспечения потребных метрологических характеристик в заданном температурном режиме. Проведен анализ метрологических возможностей, области допустимого амплитудного и частотного диапазонов МГД и их зависимости от конструктивных особенностей подвеса М МА, работающего в модуляционном динамическом режиме измерения. Приведен расчет и исследование локального нагрева перемычки, обусловленного компенсацией действующих на М сил инерции, на основании которого произведено определение допустимых эксплуатационных характеристик МГД. Рассмотрены методы подачи модуляционного воздействия, приведена упрощенная математическая модель МА типа АК и имитационное моделирование ее работы.
В третьей главе представлена разработанная нелинейная математическая модель МГД для работы на подвижном основании. Получено ее аналитическое решение во втором приближении, на основании которого усовершенствован алгоритм системы управления модуляционным динамическим режимом измерения с постоянной на данном такте измерения частотой модуляционного воздействия. Предложен модифицированный алгоритм синхронного детектирования, повышающий быстродействие алгоритма управления. Кроме того, представлен альтернативный вариант алгоритма работы МГД с непрерывно изменяющейся частотой модуляционного воздействия. Приведены решения математической модели для данного случая. Представлены результаты имитационного моделирования МГД с алгоритмами обоих типов, результаты их исследований и сравнительного анализа.
В четвёртой главе приведены модели основных погрешностей МГД и способы их уменьшения. В частности, подробно исследованы вибрационные, шумовые и динамические погрешности МГД. Представлены погрешности, обусловленные влиянием демпфирования МА, инструментальные погрешности, а также погрешности, обусловленные угловой подвижностью основания. Предложены алгоритмические, конструктивные и структурные способы уменьшения вибрационных и шумовых погрешностей, погрешностей из-за демпфирования, температурных погрешностей, а также погрешностей, обусловленных угловой подвижностью основания.
В пятой главе приведены результаты разработки и создания макетного образца МГД, его отладки и настройки. Представлена методика его экспериментальных исследований, приведены их результаты в условиях неподвижного нестабили- зированного основания, подтвердившие практическую возможность создания устройства с точностными характеристиками, приближающимися к заявленным. Предложена схема на основе трех МГД для проведения гравиметрической съемки местности с борта подводного малоразмерного аппарата. Приведена суммарная оценка ее метрологических и эксплуатационных характеристик.
В приложениях представлены результаты исследования частотных характеристик МА и МГД; варианты решения математической модели 1у1А типа АК; программа имитационного моделирования работы МГД, с использованием решения математической модели во втором приближении, в среде Ма1Ьсас1; принципиальная схема, краткое описание работы и основные характеристики пульта управления макета из трех МГД; графики зависимостей сигналов, полученные в результате экспериментальных исследований макета.
Внедрение результатов исследования. Основные результаты исследования по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Федеральной итоговой научно-технической конференции «Всероссийского конкурса на лучшие научные работы студентов по естественным, техническим наукам, (в области высоких технологий) и инновационным научно-образовательным проектам» (г.Москва, 2004 г.); на конкурсе квалификационных работ выпускников учреждений высшего профессионального образования Москвы и Московской области на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам (г. Москва, 2005 г.), по итогам которого работа заняла второе место; на VII, IX, X Конференциях молодых ученых «Навигация и управление движением» (г. Санкт Петербург, 2005, 2007-2008 г.); на XV - XIX Международных научно-технических семинарах по Современным технологиям в задачах управления, автоматики и обработки информации (г.Алушта, 2006-2010 г.); на 5 — 7 и 9-ой Международных конференциях «Авиация и космонавтика» (г. Москва, 2006-2008 и 2010 г.); на 1-ой и 2-ой Всероссийских конференциях молодых ученых и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике» (г. Москва, 2008-2009 г.); на XXXIV — XXXVI.
Анализ свойств модифицированного МГД при работе в условиях ускоренного движения основания
Приборы стационарного исполнения содержат компактный механизм автоматической нивелировки, позволяющей подстраиваться по отношению к горизонту с точностью до десятых долей угловых минут. Особое внимание уделяется проблеме горизонтирования в условиях подвижного основания. Точность стабилизации оси чувствительности гравиметрического датчика, с использованием высокоточного подвеса Кардана или гиростабилизатора, достигает единиц угловых минут, что уменьшает его погрешности. При этом измеряемой величиной является модуль УСТ, обусловленный суммарным действием гравитационной и центробежной сил, редуцированный в зависимости от решаемой задачи. В этом случае измерения не содержат информации об уклонении отвесной линии, что ограничивает круг решаемых задач.
Следует отметить, что каждый тип измерителя занял по праву свою нишу на рынке, являясь наиболее рациональным при решении конкретного типа задач в силу специфики определенного метода измерения. Например, баллистические гравиметры с точностью измерения в единицы мкГал, незаменимы при проведении абсолютных измерений на статичном, специально подготовленном, развязанном фундаменте. Доступными на рынке для коммерческого применения являются приборы разработки Micro-g Solutions Inc. (США-Канада), разработавшей за свою историю порядка сорока модификаций, а также модификации отечественных гравиметров на базе абсолютного измерителя ГАБЛ, разработанного в начале 70-х годов в Институте автоматики и электрометрии (ИАИЭ) СО АН СССР и др. К недостаткам баллистических гравиметров следует отнести большие массогабаритные характеристики, низкую производительность и высокую стоимость [18, 35, 44, 53].
Одной из перспективных разработок является статический сверхпроводящий гравиметр [43-45, 47, 54], используемый как на подвижном, так и неподвижном основании в качестве абсолютного высокоточного измерителя, обладающего малым дрейфом нуль-пункта (лучше 1 мкГал/год) и высокой точностью измерений (до 0,1 мкГал). Однако к его недостаткам можно отнести сложность конструкции, очень высокую стоимость и энергопотребление, существенные массогабаритные характеристики и ряд других особенностей криогенной техники, ограничивающей возможности его широкого применения.
Наиболее распространенными относительными статическими измерителями для работы на неподвижном основании являются гравиметры с чувствительным элементом-в виде металлической или кварцевой пружины. Металлическая пружина с постоянным коэффициентом упругости разработки JI. ЛаКосте, ставшей с 1939 года основой для приборов компании L&R (США), применяется в современном ав томатизированном гравиметре gPhone совместно с комбинацией современного микропроцессорного обеспечения "и силовой обратной связи, компенсирующей погрешности измерений. Гравиметр совмещает в себе достоинства как астазированных, так и неастазированных систем, достигая точности в 1 мкГал в полевых условиях [48, 50, 51, 53]. Также активно используется гравиметр разработки компании Scintrex Ltd. (Канада) с наклонной пружинной из расплавленного кварца, конструктивно отличающийся от гравиметров Л. ЛаКосте уменьшенной массой и вакуумированной средой, позволяющих понизить чувствительность к изменению температуры и давления. При этом достигается существенное снижение массогабаритных характеристик с повышением быстродействия прибора и сохранением уровня чувствительности в 0,01 мГал. Достоинствами кварцевой пружины является относительная простота, относительно быстрое производство, малая временная усталость по сравнению с металлическим элементам, что-компенсируется хрупкостью и постоянно протекающими процессами гидролиза и кристаллизации, которые несвойственны металлическим измерителям. Используемые в настоящее время гравиметры модели CG-5 (Канада) стали первыми приборами с автоматическим нивелированием. В настоящее время на мировом рынке одинаково доступны как гравиметры на основе кварцевой, так и металлической пружины. На рынке отечественного оборудования представлены различные модификации гравиметров ГНУ, разработки ВНИИГеофи- зики совместно с ОАО "Нефтекип" с кварцевым чувствительным элементом [27] и др. Наряду с несомненными достоинствами - высокой чувствительностью, портативностью, производительностью и простотой в обращении, пружинные гравиметры обладают некоторыми принципиальными недостатками, из которых главным явлется изменение с течением времени свойств материала упругой системы. Это приводит к непрерывным изменениям отсчета гравиметра - дрейфу его нуль-пункта [35].
Другим распространенным видом относительных измерителей, применяющихся в основном на подвижном основании, является струнный гравиметр. Основные преимущества струнных гравиметров над пружинными — меньшие массогаба- ритные характеристики и более широкий динамический диапазон. В настоящее время используется ряд модифицированных конструкций, разработанных в Японии, в Массачусетском технологическом университете (США), во ВНИИГеофизики совместно с МГТУ им. Баумана и др. Однако на ряду с достоинствами, у струнных гравиметров имеют место и недостатки, к которым относятся невысокая вибростойкость, все еще излишние габариты и масса, недопустимо высокие ошибки измерений, возникающие при отклонении оси чувствительности от местной вертикали в условиях ускоренного горизонтального движения основания и др. [37, 58].
С широким использованием передвижных носителей, таких как автомобили, самолеты, вертолеты, суда и подводные аппараты, открываются перспективы гравиметрической съемки больших регионов в короткие сроки. Большие возмущающие ускорения в подобных мобильных системах как результат движения транспортного средства и их вибраций являются функциями внешних воздействий: ветра, волнения моря, турбулентности; следствием характера движения, типа и модели носителя, точности работы навигационной системы и системы управления, типа и способа установки гравиметра. Таким образом, существенный вклад, ограничивающий точность гравиметрических измерений с подвижного основания, вносит погрешность определения вертикальной компоненты ускорения носителя. Горизонтальные проекции ускорения, наряду с отклонением оси чувствительности гравиметра от вертикали места также вызывают появление ряда существенных погрешностей измерения УСТ. Кроме того, в движении необходимо выполнять коррекцию влияния кориоли- сова ускорения, являющегося следствием поступательного движения носителя и вращения Земли, а также принимать дополнительные меры для борьбы с вибропогрешностями.
Одними из первых относительных измерителей УСТ на подвижном основании стали маятниковые приборы. Наиболее распространенными были конструкции разработки Gulf Research and Development Company (США) [46,59], гравиметр Холвэка- Лежая (Франция) [42], ГАГ-2, маятниковые приборы разработки ОВМ ЦНИИГАи- Ка, ИФЗ РАН им. О.Ю. Шмидта и др. Достигнутый порог чувствительности (порядка сотых долей мГал), наряду с соотношением цены—качества изделий, позволил маятниковым измерителям сохранять конкурентоспособность вплоть до 1980-х годов. Однако весьма малая производительность и очень высокая стоимость по сравнению с современными пружинными и струнными измерителями отодвинула его на второй план [53].
Погрешность, обусловленная влиянием демпфирования, и способ ее уменьшения
Результаты работы получены при выполнении исследований по проектам: № 2.1.2.9248 «Разработка и исследование концепции построения и практических подходов реализации нового типа бесплатформенного гравиинерциального навигационного комплекса морских динамичных объектов для навигации по геофизическим полям и геофизического мониторинга» (2006 -2008 г.) и №2.1.2/5938 «Разработка и исследование методологии построения нового типа унифицированных бесплатформенных гравиинерциальных комплексов аэро/морского и наземного применения для решения задач ориентации, навигации и геофизического мониторинга природно- техногенной сферы» (2009 - 2010 г.) аналитической ведомственной целевой программы Минобрнауки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы»; грантов
РФФИ № 05-05-65365-а «Разработка и исследование алгоритмов новой бесплатформенной технологии гравиметрической съемки и обеспечения работы гравиинерциального навигационного комплекса подвижного объекта морского применения» (2005 - 2007 г.); № 07-08-00280-а «Исследование и разработка новой бесплатформенной технологии построения векторных прецизионных помехозащищенных грвиизмерительных датчиков для геофизического мониторинга природно-техногенной сферы» (2007 - 2009 г.) РФФИ; в рамках контракта с Открытым акционерным обществом «Московский комитет по науке и технологиям» по гранту Москвы 2005 г. по теме «Разработка и исследование новой бесплатформенной технологии построения прецизионных векторных помехозащищенных гравиметрических датчиков (ВПГД) для геофизического мониторинга»; грантов Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере: № 2009/03т «Разработка универсального векторного гравиметра для работы как па неподвижном, так и на подвижном основании» (2007 - 2009 г.) и № У-2008-2/4 «Разработка и исследование инер- циального блока бесплатформенной гравиинерциальной навигационной системы» (2007 - 2009 г.) и др. Результаты диссертационного исследования использованы в научно исследовательских работах ЗАО «ПРИН», ООО «МГУ-СТАНДАРТ», ООО «Дипольные структуры», а также на кафедре № 305 «Автоматизированные комплексы систем ориентации и навигации» МАИ. Внедрение результатов подтверждено соответствующими актами.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 33 печатных работы, из них 13 статей, 2 статьи из перечня ВАК, 18 тезисов докладов.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, пяти приложений. Основная часть диссертации содержит 164 страницы машинописного текста, 33 рисунка, 10 таблиц, список Литературы включает 59 наименований. 1 Анализ рациональных подходов к построению гравиметрического датчика С целью формирования требований, предъявляемых при проведении стационарной гравиметрической съемки и съемки с борта подвижного носителя, проводится обзор современных принципов построения гравиметрических чувствительных элементов и их основных характеристик. Обосновывается целесообразность построения малогабаритного гравиметрического датчика на базе модуляционного динамического принципа измерения. Рассматривается конструктивная схема малогабаритного гравиметрического датчика. Приводится описание разработанной базовой конструкции. Приводятся основные результаты проведенных ранее работ с целью постановки задач диссертационного исследования. 1.1 Аналитический обзор современных гравиметрических измерителей Гравиметрическая съемка является одним из важных видов работ, результаты которой используются в целях навигации, геодезии, геологии, геофизики, а также ряда других научных и хозяйственных направлений. В зависимости от поставленной задачи точность измерений УСТ при выполнении различных видов гравиметриче с о ских съемок может изменяться в пределах от 10" м/с" (1 мГал) до 10" м/с". Так, например, для общей характеристики гравитационного поля обширных территорий земной поверхности (несколько миллионов км") достаточной является точность в 510 мГал. Наиболее точные измерения (до 1-2 мкГал) необходимо выполнять при изучении суточных флуктуаций силы тяжести, а для решения большинства практических задач навигации, геофизики-и геодезии приемлемым является 1-5 мГал [36, 38, 39, 41, 55]. В то же время точность определения опорных пунктов гравиметрической съемки характеризуется ошибкой порядка 0,1 мГал [16, 18, 19, 22, 57]. Важными являются скорость подготовки и время проведения гравиметрической съемки, определяемое спецификой работ. Решение ряда задач навигации, геодезии, геологии и геофизики требует оперативного определения УСТ при работе как на неподвижном, так и подвижном основаниях.
В настоящее время, оперативная гравиметрическая съемка проводится с использованием высокоточных гравиметрических комплексов, включающих, как правило, сложную систему горизонтирования однокомпонентного чувствительного элемента и систему коррекции [15, 18, 20, 21]. Их характерные особенности, в числе которых высокое энергопотребление, существенные массогабаритные и стоимостные характеристики ограничивают возможности комплексов при решении целого ряда задач. В то же время, в перспективе, потребными становятся1 измерители, способные определять уклонения отвесной линии, а, следовательно, и горизонтальные компоненты УСТ, их обусловливающие. При этом, при проведении, как стационарной гравиметрической съемки, так и съемки с борта подвижного носителя необходимо точное определение всех трех проекций УСТ. Должны быть уменьшены массогабаритные характеристики устройства и уровень энергопотребления; рационально сочетаться надежность и себестоимость разрабатываемого изделия [8, 9, 10, 12].
Существующие на сегодняшний день подходы к измерению параметров гравитационного поля представлены динамическим и статическим методом измерения абсолютного или относительного вида.
Методика определения параметров компенсационного режима работы МА на нестабилизированном основании
С широким использованием передвижных носителей, таких как автомобили, самолеты, вертолеты, суда и подводные аппараты, открываются перспективы гравиметрической съемки больших регионов в короткие сроки. Большие возмущающие ускорения в подобных мобильных системах как результат движения транспортного средства и их вибраций являются функциями внешних воздействий: ветра, волнения моря, турбулентности; следствием характера движения, типа и модели носителя, точности работы навигационной системы и системы управления, типа и способа установки гравиметра. Таким образом, существенный вклад, ограничивающий точность гравиметрических измерений с подвижного основания, вносит погрешность определения вертикальной компоненты ускорения носителя. Горизонтальные проекции ускорения, наряду с отклонением оси чувствительности гравиметра от вертикали места также вызывают появление ряда существенных погрешностей измерения УСТ. Кроме того, в движении необходимо выполнять коррекцию влияния кориоли- сова ускорения, являющегося следствием поступательного движения носителя и вращения Земли, а также принимать дополнительные меры для борьбы с вибропогрешностями.
Одними из первых относительных измерителей УСТ на подвижном основании стали маятниковые приборы. Наиболее распространенными были конструкции разработки Gulf Research and Development Company (США) [46,59], гравиметр Холвэка- Лежая (Франция) [42], ГАГ-2, маятниковые приборы разработки ОВМ ЦНИИГАи- Ка, ИФЗ РАН им. О.Ю. Шмидта и др. Достигнутый порог чувствительности (порядка сотых долей мГал), наряду с соотношением цены—качества изделий, позволил маятниковым измерителям сохранять конкурентоспособность вплоть до 1980-х годов. Однако весьма малая производительность и очень высокая стоимость по сравнению с современными пружинными и струнными измерителями отодвинула его на второй план [53].
В последние десятилетия съемка на подвижном основании производилась в первую очередь пружинными гравиметрами, в то время как струнные гравиметры и реже компенсационные акселерометры использовались, в основном на воздушном носителе. На борту использовались сильно демпфированные чувствительные элементы (ЧЭ) в сочетании с разного рода амортизаторами. Для уменьшения влияния высокочастотных ускорений основания активно применялись фильтры нижних частот.
Перспективным оказался морской статический закритически демпфированный гравиметр ГАЛ разработки ВНИИ Геофизики, ставший прототипом ряда последующих модификаций, и гравиметр AMT разработки ИФЗ, которые при диапазоне измерений в 10-12 Гал без перестройки обеспечивали порог чувствительности около 0,1 мГал. В настоящее время наиболее распространенными для съемки с борта подвижных аэро/морских носителей являются статические гравиметрические комплексы AirSeell разработки L&R (США) и KSS31 разработки Bodenseawerk (ФРГ). В авиационной гравиметрии используются гравиинерциальные комплексы AirGrav разработки Sander Geophysics (Канада) на базе прецизионных компенсационных акселерометров с широким динамическим диапазоном и МАГ-1 разработки ЗАО «Гравиметрические технологии» (Россия) и Canadian MicroGravity (Канада) и др. измерители [54, 24].
Обычно, морские гравиметрические измерения проводятся в условиях внешних воздействий, не превышающих 100 мГал в полосе частот порядка 0,05-1 Гц. При воздушных гравиметрических измерениях они увеличиваются до 20000 мГал в более широком спектре частот порядка 0,002-1 Гц [49, 53, 52, 56].
В настоящее время, наилучшие гравиметрические измерения с борта морского носителя имеют, как правило, разрешение не менее 0,1 мГал для определения1 аномалий с полуволной от 500 м; с воздушных носителей — более 1 мГал для аномалий с полуволной от 2 км (с вертолета 0,5 мГал для аномалий с полуволной от 1 км). При этом следует отметить, что вследствие отсутствия стандартов для процесса измерения [14, 16, 51, 53], сложно найти данные двух различных компаний пригодных для сравнения, что не редко вызывает споры о точности гравиметрической съемки.
Таким образом, проведенный анализ существующих гравиинерциальных приборов и комплексов показал, что достигнутый уровень точности в 0,1 — 1 мГал для работы на подвижном основании и 0,01—0,1 мГал для статичной съемки в полевых условиях достаточен для решения большинства актуальных задач гравиметрии. Однако практика проведения гравиметрической съемки, вследствие особенностей од- нокомпонентной конструкции гравиметрических датчиков, предопределяет наличие ряда недостатков, к числу которых относятся неудовлетворительные массогабарит- ные характеристики, слабая помехозащищенность при работе на подвижном-основании, значительное время измерения, узость амплитудного и частотного диапазонов, невысокие надежность и стабильность, дороговизна.
Задачи гравиметрической съемки с борта подвижного носителя, предопределяют длительность измерений, трудоемкость сопутствующих вычислений, необходимость применения высокоточного оборудования, что предполагает наличие высоко квалифицированного персонала и отражается на стоимости проведения работ в целом. При этом применяемые технические решения, как правило, не позволяют реализовать векторный измеритель на базе бесплатформенных технологий [5, 11, 25, 31, 34] без существенной модернизации конструкции гравиметрических датчиков, что само по себе является технически и экономически нецелесообразным. Данное обстоятельство предопределяет поиск альтернативных решений при построении гравиметрических измерителей и методов гравиметрических измерений.
В то же время, большой интерес представляет малогабаритный МГД построенный на базе двух МА, разрабатываемый в МАИ. Его потенциальными преимуществами являются: отсутствие дорогостоящих платформенных технологий; относительно низкая себестоимость изделия, оценивающаяся стоимостью комплектующих и трудозатрат, по проведенным оценкам не превышающих 1,5 млн. рублей, что, например, в три раза меньше, чем в применяющихся в настоящее время решениях компании Ы (США). При этом измерителю характерны новые свойства, исключающие необходимость его горизонтирования, ожидаемые повышенная стабильность характеристик, помехозащищенность, расширенный амплитудно-частотный диапазон, неприхотливость к условиям эксплуатации, соответствующие МА. Предполагается, что массогабаритные характеристики не превысят 1 дм и единиц кг с энергопотреблением на уровне десятков Вт при уровне точности порядка 0,6-6 мГал (6 10"6 - 610"5 м/с2), с дрейфом нуль-пункта на уровне 1 мГал/сут, с достаточно.широким амплитудным и частотным диапазонами, определяемыми динамическими характеристиками современных подвижных объектов и высоким быстродействием (время единичного измерения 0,05 - 0,1 с).
