ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 4, с. 543-547
УДК 550.380
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОЦЕНКИ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ГЕОМАГНИТНЫХ ГРАДИЕНТОВ В СТРАТОСФЕРЕ
© 2007 г. Ю. П. Цветков1, О. М. Брехов2, С. В. Филиппов1, Т. Н. Бондарь1, А. А. Иванов1,
А. В. Крапивный2, Н. С. Николаев2
1Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН, Троицк (Московская обл.) 2Московский авиационный институт (Государственный технический университет)
e-mail: tsvetkov@izmiran.ru Поступила в редакцию: 27.09.2006 г. После доработки 23.11.2006 г.
В работе исследованы ошибки измерений вертикальных геомагнитных градиентов на высотах 2040 км с помощью аэростатного магнитного градиентометра, имеющего измерительную базу длиной 6 км и ориентированную вдоль направления силы тяжести. Ошибки, связанные с отклонениями положения измерительной базы относительно вертикали, изучены в реальном полете аэростата с помощью навигационных GPS-приемников. Получены отклонения измерительной базы в пределах 5°, которые в редких случаях могут достигать величины 15°. Это приводит к понижению точности измерений магнитных градиентов из-за внесения ошибок в задание нормального магнитного поля, используемого для выделения магнитных аномалий. Для исключения этой погрешности в каждый магнитометр вмонтирован ОР^-приемник для обсервации магнитометров в моменты синхронных измерений и внесения поправки по нормальному магнитному полю в измеренные данные. Показано, что при такой организации градиентометра влияние отклонений положения измерительной базы на результаты не превышает 2% от измеряемой величины.
PACS: 93.85.Ik; 92.60.hd
1. ВВЕДЕНИЕ
Летательными аппаратами, позволяющими выполнять геомагнитные измерения в стратосфере, являются аэростаты, дрейфующие на высотах 2040 км в воздушных течениях вдоль географических параллелей. Аэростатные геомагнитные съемки для исследования строения литосферы не имеют альтернативы, так как они выполняются на высотах, сравнимых с вертикальной мощностью земной коры (мощностью магнитоактивной оболочки Земли) и являющихся оптимальными для изучения характеристик и строения глубинных источников. Важным параметром магнитных аномалий является их вертикальный градиент, так как он весьма чувствителен к глубинам залегания магнитных источников [Цирульский и Майер, 1986], следовательно, с его помощью можно наиболее точно определить эти глубины, что является одной из важнейших проблем геомагнетизма. Кроме того, градиентные измерения на стратосферных высотах позволяют надежно выделить вертикальные градиенты магнитных аномалий из суммы магнитных полей источников различной физической природы [Цветков и др., 1997], что является непременным условием для правильной их геофизической интерпретации.
Аэростат дрейфует вместе с воздушным течением в разреженной атмосфере, поэтому возмож-
но буксировать подвесную систему, ориентированную вдоль направления силы тяжести и спущенную вниз от "корзины" аэростата. Габаритно-весовые характеристики отечественных аэростатов позволяют на их борту развертывать подвесную систему длиной 6 км и более и массой до 100 кг. В случае размещения на подвесной системе на разных высотных уровнях датчиков магнитного поля данная система превращается в магнитный градиентометр. Такого рода прибор разработан в ИЗМИРАН для случая применения трех датчиков, что позволяет вычислять истинные вертикальные магнитные градиенты в слое стратосферы, мощностью 6 км [Белкин и др., 1994], и использовать их для пересчета полученного при этом аномального магнитного поля Земли (МПЗ) на любые высотные уровни в пределах высот 2040 км [Цветков и др., 2004].
Основные погрешности измерений вертикальных магнитных градиентов в стратосфере рассмотрены в работе [Цветков и Пчелкин, 1999]. Важной задачей, определяющей точность измерения вертикальных магнитных градиентов, является исследование положения оси измерительной базы градиентометра относительно вертикали в процессе дрейфа аэростата. Из-за отсутствия до недавнего времени экспериментальных данных этот вопрос в работе [Цветков и Пчелкин,
- 0 м
-3000 м
-6000 м
Пространственное положение оси измерительной базы градиометра относительно вертикальной линии рассмотрено в работе [Цветков и Беликова, 2002], где анализировался случай отклонений оси от вертикали за счет парусности спускаемой части градиентометра при дрейфе в воздушном потоке с послойной изменчивостью скорости. Отклонения измерительной базы градиентометра от вертикали за счет этого эффекта выполнялись с использованием формулы:
Р =
Рис. 1. Схема расположения триады приборных контейнеров и магнитных датчиков градиентометра в процессе дрейфа аэростата, где цифрами 1, 2, 3 обозначены соответственно верхний, средний и нижний датчики.
1999] изучен недостаточно полно. Настоящая статья, опираясь на данные эксперимента, заполняет этот пробел.
2. ОТКЛОНЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ БАЗЫ ГРАДИЕНТОМЕТРА ОТ ВЕРТИКАЛИ В ПРОЦЕССЕ ДРЕЙФА АЭРОСТАТА
Схематично расположение магнитного градиентометра на борту аэростата, приведено на рис. 1. Здесь изображено положение триады приборных контейнеров и магнитных датчиков градиентометра в процессе дрейфа аэростата.
Для решения указанных выше задач по изучению структуры аномального МПЗ и строения недр земной коры вертикальные магнитные градиенты необходимо получать с погрешностями не хуже, чем несколько единиц десятых долей нанотесла на километр высоты. Аэростат с магнитным градиентометром подвержен влияниям флуктуаций несущего воздушного течения, в результате чего ориентация положения измерительной базы относительно вертикали может нарушаться. Это приводит к понижению точности измерений магнитных градиентов из-за внесения ошибок в задание нормального магнитного поля, используемого для выделения магнитных аномалий.
2 Я '
где £ - объединенная площадь (парус) лобовой поверхности спускаемой части аппарата, р - плотность воздуха, V - приращение скорости ветра на длине измерительной базы. Исходя из приведенной формулы, в работе [Цветков и Беликова, 2002] показано, что отклонения измерительной базы не превышают 200 м при ее длине, равной 6000 м.
Однако существует и другая причина, приводящая к отклонениям положения системы от вертикали. Она обусловлена тем, что оболочка аэростата уравновешена в воздушном течении и в своем движении повторяет неравномерное течение воздушного потока. Подвеска градиентометра, длиной 6000 м имеет период маятниковых колебаний порядка 150 с, следовательно, при приращении скорости движения оболочки аэростата, последняя опередит положения спущенных вниз контейнеров и произойдет нарушение вертикальности положения измерительной базы градиентометра с последующим его восстановлением.
Положение оси измерительной базы градиентометра относительно вертикальной линии в процессе дрейфа аэростата было проверено экспериментально в наиболее неблагоприятный, холодный период года с помощью навигационных 6Р£-прием-ников. Натурный эксперимент состоялся 3 ноября 2005 г. В этом эксперименте градиентометр содержал три измерительных контейнера, равномерно разнесенных по вертикали в пределах ~5.4 км, в каждом из которых находились магнитный измеритель и навигационный СР£-приемник.
В процессе полета аэростата определялись пространственные координаты положения всех магнитных измерителей и действующая длина измерительной базы градиентометра, соответствующая проекции измерительной базы на вертикаль в моменты выполнения синхронных магнитных измерений (цикличность магнитных измерений -60 с). Погрешности определения координат для СР£-приемников (даже для приборов невысокого класса) оценены величиной ~10 м (для дифференциальных СР£-приемников - на 2-3 порядка меньше).
1
2
3
5900
5400
4900
- 150 м
* 1111111 1 1 1
АЬу, м
500
95 105 115 125 135 145 155 165 175 185 195 Время, мин
Рис. 2. Текущая разность высот между верхним и нижним контейнерами. Знаком (*) отмечен момент, соответствующий максимальному отклонению измерительной базы градиентометра от вертикали.
На рис. 2 показана текущая разность высот между верхним и нижним контейнерами. На рис. 3 приведены величины проекций на горизонтальную плоскость отклонений контейнеров друг от друга (годографы векторов измерительной базы).
Аэростатный эксперимент показал, что величина взаимного отклонения контейнеров при длине измерительной базы равной 5.4 км в основном находится в пределах 500 м (соответствует ~5° отклонения базы от вертикальной линии), но в отдельные периоды (на рис. 3а отмечено знаком *) достигала 1300 м (~15°), за счет чего действующая длина измерительной базы сокращалась на ~150 м (на рис. 2 отмечено знаком *).
3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДИКА УЧЕТА ОТКЛОНЕНИЙ ОСИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ БАЗЫ ОТ ВЕРТИКАЛИ
Сопоставление кривых на рис. 3 а,б,в показывает, что наклон измерительной базы равномерен по всей ее длине и источником этого наклона является неравномерное движение оболочки аэростата в процессе дрейфа в воздушном течении. При импульсном ускорении движения оболочки аэростата все спущенные вниз контейнеры выстраиваются вдоль линии, отклоненной от вертикали пропорционально величине скоростного импульса. Например, как видно из рис. 3а (между минутами 155 и 183), произошло опережение оболочки с верхним контейнером от положения, занимаемого в случае ее равномерного движения, и отставание среднего и нижнего контейнеров от верхнего. Возмущенное состояние положения измерительной базы наблюдалось в течение ~30 мин., отклонения положения измерительной базы от вертикали достигали величины 1300 м, после которого система вернулась в исходное вертикальное состояние.
Если не учитывать полученные величины взаимных отклонений магнитных измерителей, то выделенные значения аномального МПЗ будут со-
-1500 АЬХ, м
162
-1000
170
250
-250
А^, м
250
165
-750 -500 -250 А^, м
125 -125
А^, м
250
-750 -500 А^, м
125 -125
Рис. 3. Величины проекций на горизонтальную плоскость отклонений контейнеров друг от друга (годографы векторов измерительной базы): нижний -верхний (а); средний - верхний (•); нижний - средний (в). В
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.