научная статья по теме О СПОСОБЕ УТОЧНЕНИЯ АНОМАЛЬНОГО ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ ПОЛЯРНЫХ ШАПОК ЗЕМЛИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «О СПОСОБЕ УТОЧНЕНИЯ АНОМАЛЬНОГО ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ ПОЛЯРНЫХ ШАПОК ЗЕМЛИ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2013, № 1, с. 81-83

УДК 550 831

О СПОСОБЕ УТОЧНЕНИЯ АНОМАЛЬНОГО ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ ПОЛЯРНЫХ ШАПОК ЗЕМЛИ

© 2013 г. В. Н. Конешов1, И. В. Конешов1, В. В. Клевцов1, А. В. Макушин1, Ю. Л. Смоллер2,

С. Ш. Юрист2, Ю. В. Болотин3, А. А. Голован3

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва 2НТП "Гравиметрические технологии", г. Москва 3Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова Поступила в редакцию 05.04.2012 г.

В статье описаны варианты аппаратуры и методических приемов при проверке моделей аномалий гравитационного поля с помощью контрольных аэрогравиметрических съемок на полярных шапках Земли. Показаны особенности выполнения съемочных профилей и расстановки базовых станций, описаны необходимые изменения конструкций аэрогравиметрических комплексов при проведении работ в высоких широтах.

Ключевые слова: полярные шапки Земли, аномалии гравитационного поля Земли, аэрогравиметрическая съемка, особенности построения гравиметрических комплексов при выполнении работ в высоких широтах, аномалия силы тяжести.

DOI: 10.7868/S0002333713010079

В связи с планами по освоению Арктики и с учетом ее относительно низкой и неравномерной геофизической изученности представляет интерес выяснение того, насколько адекватно современные методы изучения аномалий гравитационного поля и результаты работ по этим методам описывают аномалии гравитационного поля в районах высоких широт.

Район полярной шапки в Арктике является аномальным участком гравитационного поля. Обусловлено это тем, что через полюсный участок проход подводный хребет Ломоносова, к которому примыкают с разных сторон котловины Амундсена и Макарова. Естественно эти геологические структуры должны имеют свое отображение в аномалиях в свободном воздухе, но достоверность этого отображения вызывает вопросы. Одной из причин сомнений является невозможность выполнения контрольной морской площадной гравиметрической съемки в приполюсной области и отсутствием альтиметрических данных из-за наклонения орбит этих спутников, а также невозможностью альтиметрического метода получать поверхность геоида по поверхности океана, покрытого льдом. Единственными спутниками, предоставившими какую-то информацию, являются спутники GRACE, находившиеся на околополярной орбите. Они позволили получить информацию о гравитационных аномалиях этого района. Скудность информации на район

полярной шапки в Арктике проявляется в ухудшении взаимной согласованности разных моделей аномалий гравитационного поля Земли на приполюсную акваторию.

Решением задачи достоверности полученной информации об аномалиях приполюсного района может быть выполнение аэрогравиметрической съемки в этом районе. Этот метод является самостоятельным средством контроля и позволит получить более крупномасштабную, детальную карту. В то же время работа с аэрогравиметрическими коплексами в этом районе накладывает условия на выполнение полетов и обуславливает изменения методики и аппаратуры при планировании и проведении работ.

Настоящая статья посвящена обсуждению вопросов, решение которых позволит выполнить аэрогравиметрическую съемку в приполюсном районе.

В аэрогравиметрическом методе существует ряд специфических задач. Основная из них обусловлена учетом воздействия на измерительную систему гравиметра ускорений самолета. Величина этих ускорений может в десятки тысяч раз превышать амплитуду полезного сигнала. Возможности частотной фильтрации, применяемой в морской гравиметрии при подавлении помех, при выполнении аэрогравиметрических измерений использовать не предоставляется возможным.

82

КОНЕШОВ и др.

Это обусловлено наличием в спектре возмущений гармоник, совпадающих со спектром полезного сигнала и невозможностью использовать большие интервалы сглаживания из-за высокой скорости самолета. Поэтому аэрогравиметрические измерения можно проводить при синхронном неинерционном измерении ускорений самолета. Эти ускорения определяются с помощью спутниковых навигационных систем. При этом необходимо надежно определять не только положение в пространстве быстро перемещающегося гравиметра, но величину и направление скорости самолета и значения возмущающих ускорений. На самолете для решения названных задач устанавливаются специальный навигационный приемник и антенна, положение которой относительно каждого чувствительного элемента гравиметров измеряется с точностью до сантиметра. В ходе работ в высоких широтах в Институте физики Земли РАН на борту самолета-лаборатории хорошо себя зарекомендовал аэрогравимтетрический комплекс ОТ-1Л [Дробышев и др., 2009] с чувствительным элементом, включающим в себя пробную массу в виде плоской катушки в зазоре дифференциальной системы, состоящей из четырех магнитов.

Спутниковые данные используются для определения и учета в постобработке возмущающих ускорений на самолете. Навигационные решения, получаемые в реальном масштабе времени, используются для выработки угла курса и корректировки положения гиростабилизированных платформ гравиметров. Необходимость корректировки обусловлена необходимостью "быстрого" приведения в "горизонт" гиростабилизиро-ванных платформ при маневрах и разворотах самолета при заходе на съемочный маршрут. Эти решения корректируют показания волоконно-оптического гироскопа платформы, вырабатывающего значения углов курса полета самолета. В используемой гиростабилизированной платформе применяется шулеровский метод коррекции положения гравиметра. Он обеспечивается введением в команды управления сигналов, формируемых в бортовом вычислителе гиростабилизиро-ванной платформы. Навигационные решения спутниковых систем играют роль непрерывной интегральной коррекции положения платформы. В приполюсном районе необходимы специальные меры для корректировки положения платформы, так как выработка направления курса в этом районе с помощью волоконно-оптического гироскопа невозможно.

Спутниковые данные помимо обеспечения навигационной информацией съемочных маршрутов позволяют выполнить учет поправки Этве-ша, которая из-за высокой скорости самолета достигает несколько сотен миллигал и вычисляется по уточненной формуле, учитывающей эллипсо-

идальность Земли и высоту полета. В приполюсном районе необходимы особые методические приемы планирования аэрогравиметрической съемки. Равное расстояние между съемочными профилями, как это принято в средних широтах, приводит к криволинейному направлению профилей и значительным погрешностям при вычислении поправки Этвеша.

Необходимая точность навигационных решений достигается при дифференциальном режиме работы спутниковых навигационных систем с использованием наземных базовых станций. При работах над сушей рекомендуется расстояние от базовой станции до района работ 150—200 километров. Над морем, а в приполюсном районе особенно, эту рекомендацию выполнить не представляется возможным.

Решением проблемы размещения базовых станций в ходе работ в высоких широтах являются результаты аэрогравиметрических съемок последних лет. В работе [Могилевский и др., 2006] приведены результаты аэрогравиметрической съемки в средних широтах над морем, где расстояние до базовой станции достигало 700 километров. В ИФЗ РАН в аэрогравиметрических работах над Баренцевым и Карским морями расстояние до базовой станции достигало 450 километров [Дробышев и др., 2009]. В 2011 году при выполнении маршрутных аэрогравиметрических работ ИФЗ РАН в высоких широтах расстояние до базовой станции составила 1050 километров. Необходимо помнить, что на длину базовой линии в высоких широтах влияет степень возмущения ионосферы, количество и расположение спутников навигационной системы, турбулентная обстановка во время полета. Максимальная длина была достигнута при благоприятных перечисленных условиях. Необходимо отметить, что антенна спутниковой системы должна быть максимально приподнята над фюзеляжем самолета, так как в приполюсном районе навигационные спутники находятся низко над линией горизонта. Расположение базовой (базовых станций) станции целесообразно на Земле Франца Иосифа (аэродром Нагурская) либо на островах архипелага Шпицберген.

При планировании съемки в приполюсном районе направление съемочных профилей необходимо выбирать строго по меридианам с условием выполнения разворота после пересечения точки полюса. В этом случае будет отсутствовать криволинейное движение в направлениях профилей и вычисление поправки Этвеша упростится и будет соответствовать методике вычисления этой поправки на любых других широтах. Контрольные (секущие) профили целесообразно планировать строго по параллели. "Веерное" расположение съемочных профилей обуславливает

О СПОСОБЕ УТОЧНЕНИЯ АНОМАЛЬНОГО ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ

83

разную густоту сети точек на изучаемой площади, поэтому их количество нужно планировать исходя из необходимой густоты в южной части съемочных профилей.

Решение задачи успешной работы аэрогравиметрических комплексов на борту самолета в приполюсном районе может быть получено двумя путями. Первый из них использует выработку в реальном масштабе времени сигналов курса самолета по сигналам спутниковой системы, поступающим с четырех разнесенных антенн (двух на фюзеляже в направлении полета, двух других в перпендикулярном направлении). По сигналам, поступающих с этих антенн, в специальном при-1

емнике в реальном масштабе времени формируются данные, содержащие информацию об углах крена, тангажа и рыскания самолета. Оперативный пересчет этой информации позволит либо выполнять коррекцию гиростабилизированной платформы гравиметров (проводя комплексиро-вание информации от волоконно-оптического гироскопа и показаний спутникового приемника с четырьмя антеннами), либо полностью исключить из управления волоконно-оптический гироскоп гравиметра GT-1A.

В Институте физики Земли РАН на протяжении трех лет проводятся экспериментальные исследования и отладка программно-математического обеспечения приемника SigmaQ с четырьмя антеннами на борту самолета-лаборатории АН-26БРЛ. Полученные предварительные результаты свидетельствуют, что навигационные решения и выработанные данные об углах фугоидных колебаний с

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