ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ЛЕДНИКА
GLACIER SHIFTS AND STRAINS DATA PROCESSING AND MEASURING SYSTEM

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследований медленного дрейфа и относительно быстрых скачкообразных перемещений ледников.
Информационно-измерительная система перемещений и деформаций ледника может быть использована для исследований медленного дрейфа и относительно быстрых деформаций ледников.
Технический результат - возможность измерения как медленного дрейфа ледника в течение нескольких сезонов, так и относительно быстрых деформаций, вызванных погодными явлениями и сейсмичностью района исследований.
Система состоит из несущей конструкции, установленной на леднике и выполненной в виде опорной трубчатой штанги, забуренной в лед, и установленного на штанге герметичного контейнера. Внутри контейнера размещены батарейный блок питания, датчик перемещений на основе навигационного приемника с наружной антенной спутниковой системы GPS/ГЛОНАСС, а также датчик угловых перемещений и акселерометр, выходы которых подключены к блоку обработки информации, связанному с блоком памяти. Система отличается тем, что дополнительно снабжена блоком двойного аналогового интегрирования, подключенного к выходу акселерометра и к входу блока обработки информации.
Система по п.1 отличается тем, что блок двойного интегрирования построен по аналоговой схеме из двух пассивных RC-цепочек, двух операционных усилителей и компаратора, соединенных между собой определенным образом согласно фиг.2.
Система по п.1 отличается тем, что для защиты от вытаивания в летний сезон опорная штанга трубчатой конструкции заполнена жидким теплоносителем с большим коэффициентом теплового расширения, например толуолом.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Известна система контроля, навигации и мониторинга подвижных объектов, содержащая навигационный приемник сигналов GPS для точного измерения географических координат, измерительные датчики, связанные с цифроаналоговым преобразователем и вычислительным устройством, бортовой компьютер и видеокамеру, позволяющая отслеживать координаты подвижного объекта (патент 2268175, опубл. 2006.01.20). Недостатком системы с достаточно мощной энергетической установкой, ограничивающей возможность ее использования для поставленной задачи, является большое энергопотребление, отсутствие элементов, позволяющих измерять угловые и линейные деформации объекта.
Известно устройство для измерения углового положения объекта, содержащее трехкомпонентный магнитометр, трехкомпонентный акселерометр, снабженный инерциальным устройством, подключенный к вычислительному устройству (патент 2005112132, опубл. 2006.10.27). Устройство позволяет точно измерять угловые перемещения и деформации подвижного объекта, но не позволяет измерять географические координаты объекта. Недостатком устройства является также отсутствие блока памяти, что исключает возможность его использования в автономном режиме.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению по совокупности признаков является информационно-измерительная система перемещений и деформаций объекта (патент 2292012, опубл. 2007.01.20). Система содержит четыре датчика линейных перемещений, подключенных к соответствующим измерительным преобразователям, блок обработки информации, включающий в себя блоки сложения, вычитания, умножения и деления, а также блок памяти. Система имеет расширенные функциональные возможности и повышенную точность измерения линейных и угловых перемещений и деформаций объекта. Измерение линейных перемещений по трем координатным осям позволяет вычислять в блоке обработки мгновенные значения скорости и угловые перемещения, связанные с деформацией объекта.
Недостаток изобретения, принятого за прототип, с точки зрения поставленной задачи измерения движения ледника, состоит в ограниченном долями метра диапазоне перемещений. Причина ограничения диапазона заключается в использовании датчиков линейных перемещений, принципиально ограниченных длиной базы используемой конструкции.
Задача изобретения состоит в обеспечении возможностей исследования как медленного дрейфа ледника в течение нескольких сезонов, так и быстрых скачкообразных движений, связанных с образованием трещин и разломов ледяного покрова. При этом требуется обеспечить достаточно малые вес, габариты устройства и умеренное энергопотребление.
Технический эффект достигается тем, что в систему (см. фиг.1), состоящую из несущей конструкции, установленной на леднике и выполненной в виде опорной трубчатой штанги, забуренной в лед, и установленного на штанге герметичного контейнера, внутри которого размещены батарейный блок питания, датчик перемещений на основе навигационного приемника с наружной антенной спутниковой системы GPS/ГЛОНАСС, а также датчик угловых перемещений и акселерометр, выходы которых подключены к блоку обработки информации, связанному с блоком памяти, дополнительно введен блок двойного аналогового интегрирования, подключенный к выходу акселерометра и к входу блока обработки информации.
Система по п.1 отличается тем, что блок двойного интегрирования фиг.2 построен по аналоговой схеме, составленной из двух пассивных RC-цепочек, двух операционных усилителей и компаратора с заданным порогом срабатывания, при этом резистор первой RC-цепочки подключен к первому выходу акселерометра, выход первой RC-цепочки соединен со входом первого операционного усилителя, выход этого усилителя связан с входом второй RC-цепочки и с входом блока обработки информации, выход второй интегрирующей цепочки связан с входом второго операционного усилителя, выход второго операционного усилителя подключен к плюсовому входу компаратора и к входу блока обработки информации, на минусовой вход компаратора подано пороговое напряжение от резистивного делителя, а выход компаратора подключен к разрешающему входу блока обработки информации.
Система по п.1 отличается тем, что для защиты от вытаивания в летний сезон трубчатая опорная штанга заполнена жидким теплоносителем с большим коэффициентом теплового расширения, например толуолом.
Работа предлагаемой информационно-измерительной системы перемещения и деформации ледника происходит следующим образом.
С помощью вездехода или вертолета несущая конструкция системы устанавливается на поверхности ледника путем забуривания опорной штанги в лед на глубину от 3 до 6 м. Предварительно штанга разборной трубчатой конструкции заполняется жидким теплоносителем с большим температурным коэффициентом расширения, например толуолом или керосином. За счет естественной конвекции теплоноситель циркулирует по трубе в зимний период года, когда температура воздуха значительно ниже температуры глубинных слоев льда. В результате конвекции холод перекачивается из атмосферы в лед и аккумулируется в зоне вокруг штанги в радиусе около 1 м. В летний период при обратном соотношении температуры воздуха и льда более нагретая часть теплоносителя остается в верхней части штанги и циркуляция жидкости прекращается. Накопленный за зиму запас холода препятствует вытаиванию штанги под действием солнечной радиации и тем самым защищает несущую конструкцию от опрокидывания.
После включения питания от блока батарей начинается функционирование системы. Координаты системы периодически измеряются навигационным приемником 2 спутниковой системы GPS/ГЛОНАСС с наружной приемной антенной и записываются непосредственно в блок памяти 6, минуя блок обработки информации. Для экономии энергопотребления и объема памяти навигационный приемник включается на короткие интервалы времени с периодичностью около 1 час, получая статистически независимые отсчеты координат. Указанный период отсчетов примерно соответствует смене спутниковой группировки и позволяет оптимально усреднять навигационные данные, исключая избыточность. Согласно паспортным данным приемника GPS среднеквадратическая погрешность единичного измерения координат составляет 2,5 м. При осреднении 24 статистически независимых отсчетов координат в течение суток среднеквадратическая погрешность, как известно из теории измерений, снижается в корень квадратный из числа отсчетов и составит около 0,5 м. Годовой дрейф ледника в зависимости от физико-географических особенностей района исследований может составлять от единиц до сотен метров в год.
Параметры быстрых движений и деформаций ледника, вызванных образованием термических трещин, сбросом накопившихся напряжений, сейсмической активностью, обнаруживаются с помощью датчика угловых перемещений 3, двухкомпонентного акселерометра 4 и связанного с акселерометром блоком двойного интегрирования 7. Датчик углов наклона 3 опрашиваются периодически в моменты определения географических координат вместе с навигационным приемником. Изменчивость углов наклона опорной штанги в течение длительного времени позволяет оценить деформацию ледника, проявляющуюся во взаимном скольжении нижних и верхних слоев льда. Учет деформации ледяного щита позволяет уточнить координаты движения истинного центра масс.
Акселерометром 4 измеряются две проекции горизонтальных ускорений ледника в непрерывном режиме. Медленные движения, связанные с плавным дрейфом, акселерометром не воспринимаются, поскольку ускорения находятся ниже порога чувствительности. Акселерометр работает в непрерывном дежурном режиме, имея достаточно малое энергопотребление. Также в непрерывном режиме работает сопряженный с акселерометром блок двойного интегрирования. Для снижения энергопотребления блок двойного интегрирования выполнен по аналоговой схеме, в которой функцию интегрирования выполняют две пассивные RC-цепочки. Как известно из физики, после первого интегрирования ускорения получается скорость движения, а после второго интегрирования получается величина перемещения. В соответствии с этими закономерностями на выходе первого звена интегрирующей RC-цепочки блока интегрирования 7 получается скорость движения ледника, а на выходе второй RC-цепочки - смещение ледника. Операционные усилители в составе блока интегрирования увеличивают уровень сигнала до требуемых значений, воспринимаемых блоком обработки данных 5. Регистрация и обработка выходных сигналов блока интегрирования начинается только тогда, когда сигналы превысят заданный порог чувствительности. Это происходит только при резких скачкообразных движениях ледника и продолжается в течение нескольких секунд. Быстрое перемещение ледника может произойти на небольшое расстояние от нескольких сантиметров до нескольких метров, при этом будет детально зарегистрирован весь процесс движения в динамике. С помощью приемника GPS это сделать невозможно. Параметры мгновенной скорости и величины быстрого перемещения ледника вместе с отметкой точного времени и даты записываются в блок памяти 6. События превышения сигнала скорости перемещения ледника выявляются компаратором, входящим в состав блока двойного интегрирования 7. Порог реагирования компаратора устанавливается величиной опорного напряжения, задаваемого резистивным делителем R3 на фиг.3. Отметим, что предложенное техническое решение блока двойного интегрирования является существенным, поскольку благодаря малому энергопотреблению позволяет реализовать режим непрерывного отслеживания движений ледника. Возложить эту функцию на цифровой блок обработки информации невозможно, поскольку его энергопотребление на два порядка больше.
После завершения цикла исследований движения ледника в течение одного или нескольких сезонов года данные считываются из блока памяти в компьютер через внешний разъем герметичного контейнера информационно-измерительной системы.