научная статья по теме РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ГРАВИМЕТРА “ЧЕКАН” НА ЛЕНИНГРАДСКОМ ГРАВИМЕТРИЧЕСКОМ ПОЛИГОНЕ Геофизика

Текст научной статьи на тему «РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ГРАВИМЕТРА “ЧЕКАН” НА ЛЕНИНГРАДСКОМ ГРАВИМЕТРИЧЕСКОМ ПОЛИГОНЕ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2015, № 2, с. 165-170

УДК 528.56, 550.312

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ГРАВИМЕТРА "ЧЕКАН" НА ЛЕНИНГРАДСКОМ ГРАВИМЕТРИЧЕСКОМ ПОЛИГОНЕ

© 2015 г. Л. К. Железняк1, В. Н. Конешов1, А. А. Краснов2, 3, А. В. Соколов2, 3, Л. С. Элинсон2

1 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва 2Концерн ЦНИИ "Электроприбор", г. Санкт-Петербург 3 Университет информационных технологий, механики и оптики, г. Санкт-Петербург

E-mail: zlkledoo@yandex.ru Поступила в редакцию 25.08.2014 г.

Статья посвящена исследованию принципиальной возможности использования относительного гравиметра серии "Чекан" для развития государственной гравиметрической сети 1-го класса и создания гравиметрических сетей 2-го и 3-го классов. Данный тип гравиметров обладает значительной производительностью, большим диапазоном измерений, высокой степенью автоматизации, необходимой точностью и простотой в использовании.

DOI: 10.7868/S0002333715020118

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных компонентов системы государственного геодезического обеспечения территории России является государственная гравиметрическая сеть, которая представляет собой совокупность закрепленных на местности и гравиметрически связанных между собой пунктов, на которых выполняют относительные и абсолютные измерения ускорения силы тяжести (УСТ). Государственная гравиметрическая сеть подразделяется на государственную фундаментальную гравиметрическую сеть и государственную гравиметрическую сеть 1-го класса (ГГС-1), пункты которых в свою очередь служат исходными при развитии гравиметрических сетей низших классов [Инструкция ..., 2004].

Развитие ГГС-1 остается актуальной задачей с целью изучения гравитационного поля и фигуры Земли, их изменения во времени, а также решения ряда научных и прикладных задач, направленных, в том числе, и на повышение обороноспособности страны. При этом на сегодняшний день существует значительная потребность в современной отечественной гравиметрической аппаратуре, которая могла бы использоваться для развития ГГС-1 и создания сетей 2-го и 3-го классов.

Концерн ЦНИИ "Электроприбор" имеет многолетний опыт в области разработки и производства высокоточных мобильных гравиметрических комплексов, предназначенных для относительных измерений УСТ с различных морских и воздушных носителей. Гравиметрический комплекс 4-го поколения "Чекан-АМ" активно используется российскими и зарубежными геоде-

зическими и геофизическими компаниями [Блажнов 2002; Кга8поу 2011; Краснов 2009; Краснов 2014; Железняк 2010].

Целью данной работы являлась экспериментальная проверка принципиальной возможности использования относительного гравиметра серии "Чекан" для развития ГГС-1 и создания гравиметрических сетей 2-го и 3-го классов, для чего были проведены испытания гравиметра "Чекан" на Ленинградском узкодиапазонном гравиметрическом полигоне.

АППАРАТУРА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ

Испытания проводились с использованием нового гравиметра серии "Чекан" (модель "Шельф-Э"), разработка которого была завершена в 2013 г. и который по сравнению с серийным гравиметром "Чекан-АМ" имеет более высокие точностные и эксплуатационные характеристики [Краснов, 2014].

При разработке гравиметра "Шельф-Э" значительное внимание было уделено снижению инструментальной погрешности его гравиметрического датчика (ГД) вследствие разработки малогабаритного чувствительного элемента, а также модернизации оптико-электронного преобразователя и проектирования новой системы термо-статирования.

Во всех созданных в ЦНИИ "Электроприбор" гравиметрических комплексах в качестве чувствительного элемента используют различные модификации сильно демпфированной двойной

Рис. 1. Гравиметрический датчик изделия "Шельф-Э".

кварцевой упругой системы гравиметра (УСГ) крутильного типа, разработанной Институтом физики Земли РАН [Железняк, 1988].

При разработке новой УСГ ее габаритные размеры были снижены в 1.5 раза по сравнению с УСГ, используемой в гравиметре "Чекан-АМ", при этом существенно уменьшены размеры кварцевых рамок, торсионов, маятников и других элементов кварцевой системы.

Принципиально важной особенностью конструкции нового ГД является размещение УСГ с ОЭП в едином термостате. Это позволило многократно снизить влияние изменения температуры окружающей среды на показания гравиметра. Другое преимущество конструкции нового термостата — существенное понижение температуры термостатирования чувствительного элемента с 32°С до 15°С, что привело к уменьшению в несколько раз дрейфа нуль-пункта нового гравиметра. Также при проектировании новых УСГ и ОЭП было впервые предусмотрено их жесткое совместное крепление без каких-либо дополнительных регулировочных элементов, вследствие чего значительно упрощен процесс сборки и юстировки ГД, а также повышена долговременная стабильность положения оси чувствительности гравиметра [Евстифеев, 2014].

Внешний вид гравиметрического датчика и его основных компонентов приведен на рис. 1.

Гравиметрический датчик установлен в двухосную гироплатформу, обеспечивающую удержание оси его чувствительности в вертикальном направлении (т.е. по линии отвеса). Конструкция гироплат-формы претерпела существенные изменения. Все ее чувствительные элементы, а также микроконтроллеры, управляющие движением гироскопов, конструктивно скомпонованы на едином кронштейне. Обеспечена простота и удобство снятия и установки гироскопического модуля на внутреннее кольцо гироплатформы. Микроконтроллеры управления безредукторной следящей системой перенесены в основание гироплатформы.

Все периферийные устройства, в том числе вторичные источники питания, интегрированы в состав центрального гироскопического прибора. При этом его габариты практически не отличаются от серийного гравиметра "Чекан-АМ" и составляют 0390 х 646 мм, масса — 78 кг.

Приборный состав комплекса "Шельф-Э" максимально упрощен. Помимо центрального гироскопического прибора с гравиметрическим датчиком, в него входит только ноутбук с установленным программным обеспечением регистрации гравиметрических и навигационных данных в реальном времени, а также программное обеспечение постобработки данных.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИИ ГРАВИМЕТРА "ЧЕКАН"

167

Кронштадт

залив

Большая Ижора Невская Губа Санкт-ПетербурШ Пеники Ломоносов

11 />

Всеволожск

Янино-1

рг

поселок им. Морозова

Калитино

5

Сиверскии

бань

10 км

Рис. 2. Схема Ленинградского гравиметрического полигона: 1 дер. Большие Колпаны, 4 — дер. Ротково, 5 — дер. Поддубье.

Альпийский пер., 2 — Пулковская обсерватория, 3

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИИ

Испытания гравиметра "Шельф-Э" выполнялись на Ленинградском узкодиапазонном гравиметрическом полигоне класса В, который состоит из 5-ти гравиметрических пунктов. Диапазон измерения приращения УСТ — 75 мГал, СКП измерений 0.015 мГал. Полигон метрологически аттестован в 2013 г. [http://www.geolraz.com/page/ Gravimetrov-klassa-V-i-S-/]. Схема полигона приведена на рис. 2.

Испытания гравиметра проводились на всех пунктах полигона с обязательным замыканием измерений на первый опорный пункт. Транспортировка аппаратуры между гравиметрическими пунктами выполнялась на грузопассажирском автомобиле. Измерения на гравиметрических пунктах выполнялись в автоматическом режиме. При этом выставка оси чувствительности ГД в направлении местной вертикали осуществлялась с помощью системы гироскопической стабилизации гравиметра с предельной погрешностью, не превышающей 30 угл. с. Регистрация данных на гравиметрических пунктах выполнялась непрерывно с использованием ПО реального времени, при этом показания ГД рассчитывались по формуле:

dg = Ь(т - то) + а(т - т0) - grQ - С(Т - Т), т = т1 + т2;

(1)

где т1, т2 — показания 1-й и 2-й упругой системы ДГ, Ь, а — коэффициенты ДГ;

т0 — отсчет ДГ при горизонтальном положении маятников УСГ;

gr0 — показания гравиметра при выполнении опорных измерений, мГал;

С — скорость смещения нульпункта гравиметра;

Т — текущее время измерений;

Т0 — время измерения опорного значения gr0.

Для повышения достоверности результатов испытаний они были проведены дважды — 17-го и 30-го июня 2014 г.

Итоговая оценка СКП измерений производилась в режиме постобработки по обеим сериям измерений по формуле:

ст =

I ч

I=1

(2)

п

п

мГал -1360

-1370

-1380 -1-1-1-1

166 171 176 181 186

сут

Рис. 3. Показания гравиметра при выполнении опорных наблюдений.

где d — среднее значение разности результатов измерений и эталонных приращений УСТ между пунктами полигона.

Кроме оценки погрешности измерений гравиметра "Шельф-Э", в ходе испытаний определялась минимальная продолжительность сеанса измерений на гравиметрическом пункте с использованием сильно демпфированного гравиметра. При этом под длительностью переходного процесса понимался минимальный промежуток времени, начиная с момента остановки автотранс -портного средства, по прошествии которого значение показаний гравиметра гарантированно не отличается по модулю от установившегося значения более чем на 0.05 мГал.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

Перед началом испытаний был выполнен прогрев гравиметра в течение суток, в дальнейшем в ходе всего цикла испытаний была обеспечена непрерывная термостабилизация гравиметра. Опорные наблюдения выполнялись перед началом и после окончания каждой серии испытаний. Кривая показаний гравиметра при выполнении опорных наблюдений, а также аппроксимирующая линия дрейфа нуль-пункта гравиметрического датчика, составившего 1.03 мГал/сут, приведена на рис. 3. По результатам опорных наблюдений

где й) — разность результатов измерений ^ и эталонных приращений УСТ Д^Э между пунктами полигона, п — число измерений.

Оценка СКО погрешности без учета систематической составляющей выполнялась по формуле:

ст =

X(4 - d)2

1=1

(3)

мГал

0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0

0.05 0.10

О

О

о

о

о

Ж 17.06.2014 0 30.06.2014

О

ЖО

0

Рис. 4. Значения погрешностей измерений на пунктах гравиметрического полигона в двух сериях измерений.

8 ч

п

п

1

2

3

4

5

6

7

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ГРАВИМЕТРА "ЧЕКАН"

169

мГал

мин

Рис. 5. Переходный процесс гравиметра.

СКП измерений на неподвижном основании, рассчитанная за 10 суток,

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком