Способ контроля точности площадной гравиметрической съемки
METHOD FOR CONTROLLING THE ACCURACY OF AREAL GRAVITY SURVEY

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для изучения гравитационного поля Земли в целях решения научных и практических задач.
Известен способ обработки данных гравиметрической съемки, включающий введение в процессор измеренных данных потенциального поля из аэро- или морской съемки потенциального поля, причем упомянутые измеренные данные потенциального поля содержат данные, определяющие множество измерений потенциального поля, каждое с соответственным положением измерения и временем измерения; и определение с помощью процессора упомянутого массива картографических параметров поля посредством подгонки указанной модели к упомянутым измеренным данным потенциального поля, причем модель содержит комбинацию пространственной части, отображающей пространственную вариацию упомянутого потенциального поля, и временной части, отображающей временной шум в упомянутых измеренных данных потенциального поля (см. патент №2486549, 2008).
Недостатком данного способа является низкая эффективность из-за отсутствия контроля работы приборов в процессе выполнения съемки и сложность исполнения.
истi
измi
измi
i
i
истi
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ гравиметрической съемки акватории, включающий вождение съемочного судна по запланированным галсам, измерение при этом на съемочном судне ускорения силы тяжести гравиметром в пунктах, расположенных вдоль съемочных галсов, определение широты ϕ и долготы λ места, пути П и абсолютной скорости ν, вычисление по полученным данным искомого ускорения силы тяжести g, вождение судна по запланированным галсам, начало и конец каждого из галсов которых замкнуты на опорный гидрографический пункт или на два опорных гидрографических пункта: начало каждого галса - на один пункт, а конец каждого галса - на другой данный пункт, дополнительное измерение на движущемся судне в пунктах, расположенных вдоль съемочных галсов, совместно с измерением ускорения силы тяжести g глубину акватории Z и определение геодезических прямоугольных координат x y, вычисление истинного значения ускорения силы тяжести g по формуле:  где Kgg, Kgz, Kzz - ковариационные матрицы значений ускорений силы тяжести, ускорения силы тяжести и глубины акватории, глубины акватории;
искi
искi
i
этв
этв
|G| - вектор столбца исходных данных  где N - число пунктов, расположенных на расстоянии, равном радиусу корреляции значений  g и Z - искомые значения ускорения силы тяжести и глубины акватории соответственно в пунктах i-го галса с координатами x; Δg - значения поправки за эффект Этвеша в пункте i:  и  - алгебраические полиномы, вычисление за эффект Этвеша Δg по формуле:  если Земля представлена в виде шара, или по формуле:  если Земля представлена в виде земного эллипсоида, где:
ω - угловая скорость вращения Земли;
- абсолютная скорость движения съемочного судна; α - путь съемочного судна; R - радиус Земли; α и l - большая полуось и эксцентриситет земного эллипсоида;  и  - северная и восточная составляющие ϑH соответственно,
искi
искi
i
измi
измi
определение искомых значений ускорения силы тяжести g и глубины акватории Z в пунктах i-го галса, свободных от постоянных, вычисление систематических и периодически систематических погрешностей с координатами x, по формулам:  где i=1, 2, …, n - порядковый номер измеренных значений выбранных ускорений силы тяжести g и глубин акватории Z в чистых пунктах, расположенных на съемочном галсе;
оA
oB
oA
oB
g, g и Z, Z - эталонные значения ускорения силы тяжести и эталонные значения глубины акватории в местах расположения опорных гидрографических пунктов А и В соответственно;
k, n - число выбранных значений ускорения силы тяжести и глубины акватории на отрезке съемочного галса, ограниченного опорными гидрографическими пунктами А или В и местом Е к опорным гидрографическим пунктам А и В соответственно (см. патент РФ № 2575316, 2014).
Недостатками данного способа являются низкая точность измерения гравитационного поля Земли, т.к. не учитываются погрешности измерений эталонных значений силы тяжести на опорных гидрографических пунктах.
Техническим результатом является повышение эффективности контроля и точности площадных гравиметрических съемок за счет выявления и учета систематических и случайных погрешностей, обусловленных особенностями работы прибора, влияниями возмущающих физических факторов и условиями внешней среды, повышение надежности и производительности гравиметрических съемок при снижении дополнительных расходов.
ij
0i
1
ij
0i
Технический результат достигается в способе контроля точности площадной гравиметрической съемки, включающем последовательное измерение силы тяжести с подвижного основания посредством гравиметра на съемочных параллельных профилях i, расположенных с равномерным шагом, с последующим вычислением аномалий силы тяжести, создание на этой же площади ориентированных перпендикулярно съемочным профилям i модельных профилей j с шагом, меньшим, чем на съемочных профилях i, нахождение координат пунктов пересечений каждого съемочного профиля i с модельными профилями j, формирование каталогов гравиметрических пунктов модельных профилей j, содержащих координаты пунктов пересечений съемочных профилей i с модельными j и величину измеренной на съемочных профилях i аномалии силы тяжести, фильтрацию высокочастотных помех в аномалиях силы тяжести на модельных профилях j, определение в каждом пункте пересечения разности δ между измеренным значением аномалии на съемочном профиле i и ее фильтрованным значением на профиле j, с последующем вычислением их дисперсии σ, контроль точности измерений на съемочных профилях i по величине квадратного корня из дисперсии , определение поправок путем вычисления среднего значения разностей δ на каждом съемочном профиле i с последующим введением их с обратным знаком в измеренные аномалии силы тяжести на каждом соответствующем съемочном профиле i, вычисление дисперсии σ всех разностей δ - δ по всей площади с последующим уточненным контролем точности по величине квадратного корня из дисперсии .
Создание ориентированных перпендикулярно съемочным профилям i модельных профилей j с шагом, меньшим, чем на съемочных профилях i позволяет производить площадную гравиметрическую съемку без выполнения дополнительных измерений на секущих съемочных профилях.
Нахождение координат пунктов пересечений каждого съемочного профиля i с модельными профилями j, формирование каталога гравиметрических пунктов модельных профилей j, включающих время измерений, координаты пунктов пересечений съемочных профилей i с модельными j и величину аномалии, полученной при измерении на съемочных профилях i позволяет построить специальную конфигурацию данных об аномалиях гравитационного поля для их последующей фильтрации.
Фильтрация высокочастотных помех в аномалиях силы тяжести на модельных профилях j позволяет исключить высокочастотный шум, в который преобразуется длиннопериодная помеха съемочных профилей i.
ij
Определение в каждом пункте пересечения разности δ между измеренным значением аномалии на съемочном профиле i и ее фильтрованным значением на профиле j, с последующем вычислением их дисперсии σ, контроль точности измерений на съемочных профилях i по величине квадратного корня из дисперсии  позволяет получить величину погрешности измерений, включающую систематическую и случайную составляющие и, таким образом, произвести контроль точности выполненной площадной гравиметрической съемки.
0i
Определение поправок путем вычисления среднего значения разностей δ на каждом съемочном профиле i с последующим введением их с обратным знаком в измеренные аномалии силы тяжести на каждом соответствующем съемочном профиле i позволяет учесть величину систематической погрешности каждого съемочного профиля i.
1
ij
0i
Вычисление дисперсии σ всех разностей δ - δ по всей площади с последующим уточненным контролем точности по величине квадратного корня из дисперсии  позволяет получить величину остаточной случайной погрешности и произвести дополнительный контроль точности площадной гравиметрической съемки после уравнивания.
Способ контроля точности площадной гравиметрической съемки осуществляется следующим образом.
ij
0i
1
ij
0i
Последовательно измеряют силу тяжести с подвижного основания морского или воздушного судна посредством гравиметра на съемочных параллельных профилях i, расположенных с равномерным шагом, и вычисляют аномалии силы тяжести. Строят на этой же площади ориентированные перпендикулярно съемочным профилям i модельные профили j с шагом, меньшим, чем на съемочных профилях i. Находят координаты пунктов пересечений каждого съемочного профиля i с модельными профилями j. Затем формируют каталоги гравиметрических пунктов модельных профилей j, содержащих координаты пунктов пересечений съемочных профилей i с модельными j и величину измеренной на съемочных профилях i аномалии силы тяжести. После чего фильтруют высокочастотные помехи в аномалиях силы тяжести на модельных профилях j. Определяют в каждом пункте пересечения разности δ между измеренным значением аномалии на съемочном профиле i и ее фильтрованным значением на профиле j и вычисляют дисперсию σ. Контроль точности измерений на съемочных профилях i осуществляют по величине квадратного корня из дисперсии . Затем определяют поправки путем вычисления среднего значения разностей δ на каждом съемочном профиле i и вводят их с обратным знаком в измеренные аномалии силы тяжести на каждом соответствующем съемочном профиле i. После чего вычисляют дисперсию σ всех разностей δ - δ по всей площади и осуществляют уточненный контроль точности по величине квадратного корня из дисперсии .
Конкретный пример осуществления способа контроля точности площадной гравиметрической съемки.
Геофизическое судно водоизмещением 2500 тонн выполнило площадную гравиметрическую съемку по съемочным параллельным профилям i в соответствии с принятой методикой аэро - морским гравиметрическим комплексом «Чекан-АМ». Данный гравиметрический комплекс имеет следующие характеристики:
- Средняя квадратическая погрешность измерений 0.4 мГал.
- Диапазон возмущающих ускорений до 100 Гал.
- Диапазон рабочих температур 10 – 25°С.
- Энергопотребление 270 Вт.
- Масса 78 кг.
В рамках площадной гравиметрической съемки были выполнены измерения на 34 параллельных друг другу съемочных профилях i с шагом 4 км. Координатное обеспечение выполнялось спутниковой навигационной системой GPS. Время работы на полигоне составило 24 дня без перерывов. По инерционным ускорениям полигон можно разделить на две почти равные части. В первой половине они изменялись от 10 до 25 Гал, а во второй в связи с изменением погоды достигали 150 Гал. Независимо от погоды условия измерений отличались на встречных курсах движения судна по волне и против волны.
Было создано 182 модельных профиля j с шагом, меньшим, чем шаг съемочных профилей i, равным 1 км, ориентированных под прямым углом к съемочным профилям i. Для каждого из модельных профилей j были определены координаты и значения аномалий силы тяжести в пунктах пересечений со всеми съемочными профилями i. В результате была получена сеть модельных профилей j и сформированы каталоги профилей j, содержащие координаты пунктов пересечений съемочных профилей i c модельными профилями j, величины измеренных на съемочных профилях i аномалий силы тяжести.
Частота помехи на модельных профилях j определяется дискретностью данных, то есть шагом съемочных профилей i, в данном случае, шагом, равным 4 км, что является основанием для фильтрации аномалий силы тяжести на модельных профилях j. В качестве фильтра выбрано скользящее осреднение по пяти пунктам. На краях модельных профилей j использовалось значение первой или последней аппроксимирующей параболы.
ij
ij
Далее во всех пунктах пересечений съемочных i и модельных профилей j были вычислены разности δ между значениями аномалий измеренных на съемочных профилях i и значениями аномалий фильтрованных на модельных профилях j. На съемочных профилях i разность δколеблется около некоторого уровня. Это значит, что погодные условия в процессе измерений на каждом профиле i не изменялись и что этот уровень может быть учтен как постоянная поправка на весь профиль i.
ij
0i
ij
Затем были вычислены статистические характеристики разностей δ по всем съемочным профилям i и по полигону в целом. В результате фильтрации модельных профилей j систематические погрешности в прямых измерениях значительно подавляются, средние значения разностей δдля съемочных профилей i являются ихсистематическими погрешностями, а величина квадратного корня из дисперсии  всех разностей δ на полигоне представляет общую предварительную погрешность съемки до уравнивания. Полученная таким образом оценка погрешности съемки составила 0.705 мГал.
ij
0i
По результатам статистической обработки разностей δ выполнено уравнивание значений аномалий силы тяжести на съемочных профилях i. Оно состоит в том, что во все измерения каждого съемочного профиля i была введена поправка, равная его систематической составляющей (среднего значения разностей) с обратным знаком δ. В результате такого уравнивания исключаются систематические составляющие на каждом съемочном профиле i, которые при общей оценке съемки в целом являются случайными.
1
ij
0i
Далее была вычислена дисперсия σ всех разностей δ - δ по всей площади полигона и выполнен уточненный контроль точности по величине квадратного корня из дисперсии . Полученная таким образом оценка погрешности съемки после введения поправок составила 0. 296 мГал.
Сравнение результатов данного способа с результатами стандартной обработки, использующей дополнительные секущие съемочные профили i, показало, что для площадной съемки данного полигона оценки, полученные по стандартному и предлагаемому способам, составляют 0.901 и 0.705 мГал соответственно до введения поправок, а после введения поправок – 0.243 и 0.296 мГал соответственно. Следовательно, использование модельных профилей j при площадных съемках позволяет оценить точность измерений и проконтролировать выполнение съемки, а также повысить точность только за счет учета погрешностей отдельных профилей i без выполнения дополнительных измерений на секущих съемочных профилях, например в случае невозможности их выполнения.
Предложенный способ позволяет существенно повысить точность, надежность и производительность площадных гравиметрических съемок и расширить географию их производства при снижении дополнительных расходов на их выполнение. Предложенный способ может быть полезен для оперативной оценки измерений в случае, когда контрольные секущие профили по непредвиденным причинам не выполнены или будут выполнены значительно позже.