СПОСОБ ГРАВИМЕТРИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА (БПЛА)
METHOD FOR GRAVIMETRIC SURVEY USING UNMANNED AERIAL VEHICLE

Использование: Изобретение относится к гравитационным измерениям с помощью движущихся объектов (летательных аппаратов, судов на воздушной подушке) и может быть использовано для выполнения гравиметрической съемки, необходимой при поиске месторождений углеводородов в особых условиях (шельф северных морей, болотистая местность - Васюганские болота 50000 кв.км, акватория водохранилищ, озер и крупных рек более 100000 кв.км, камышовые заросли дельты реки Волги 3000 кв.км, территории государственных заповедников и заказников, где все работы запрещены).
[1]
[2]
[3]
Сущность изобретения: Сущность изобретения описывается принципиальной схемой комплекса для проведения гравиметрической съемки с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и на судах на воздушной подушке (СВП) фиг. 1 и методикой проведения гравиметрической съемки (в качестве примера) над акваторией водохранилища фиг. 2. Изобретение представляет собой комплекс, состоящий из серийно выпускаемого БПЛА, способного без дозарядки выполнять рейсы с внешней нагрузкой около 10 кг и длительностью рейса более 1,5 часов; современной серийно выпускаемой инновационной системы электронной трехосевой стабилизации камеры (гравиметра) в горизонтальном положении для исключения низкочастотных колебаний (стедикам iCam9  или аналог) весом 3,3 кг; современного серийно выпускаемого относительного гравиметра CG-6 Autograv™ , закрепленного на раме системы стабилизации с помощью резинового амортизатора для исключения остаточной высокочастотной составляющей от инновационных бесколлекторных электродвигателей БПЛА. и имеющего внутреннюю автоматическую компенсацию наклона измеряемого датчика ± 200 арксекунд, внутреннюю систему GPS, автоматическую, заранее запрограммированную, запись измерений силы тяжести на пунктах гравиметрической сети, весом 5,2 кг. Гравиметрическая съемка с БПЛА выполняется, на месте проведения полевых работ, с так называемой исходной опорной точки (ИсхГП), связанной с пунктами ГГС (Государственной гравиметрической сети) и таким образом необходимость контроля корректности работы гравиметра может быть решена при проведении ежедневных опорных измерений непосредственно до и после вылета с полевой базы (каркасной опорной точки КОГП). Другой особенностью съемки с БПЛА является то, что в силу малых габаритов и ограничением по емкости аккумуляторов, участок съемки ограничен по размеру и может составлять до 1000 кв.км с полетным временем одного гравиметрического рейса (звена) менее 2 часов для устранения смещения нуль-пункта гравиметра. Съемка выполняется на постоянной барометрической высоте для минимизации возмущающихся ускорений при маневрах БПЛА.
Известно устройство – (Патент РФ №2090911 от 08.10.1996 г. Аэрогравиметрический комплекс. Патентообладатели: Поляков Лев Григорьевич; Чесноков Геннадий Иванович; Трубицын Геннадий Васильевич; Горчица Геннадий Иванович).
Сущность изобретения: Использование: аэрогравиметрический комплекс предназначен для изучения гравитационного поля, в частности для картографирования гравитационных аномалий Земли. Сущность изобретения: устройство включает бортовое и наземное оборудование. Бортовое оборудование содержит подключенные к вычислителю с накопителем информации автопилот, астроинерциальную навигационную систему, приемоиндикатор спутниковой навигационной системы, три гравиметра, радио-, баро- и лазерный высотомеры, барометрический измеритель вертикальной скорости. Астроинерциальная система образована путем установки на гироплатформе инерциальной навигационной системы астроориентатора, выход которого соединен с вычислителем. На этой же гироплатформе установлены бортовые гравиметры. Астроинерциальная система смонтирована в контейнере, который снабжен амортизатором низкочастотных инерционных ускорений. Наземное оборудование содержит подключенные к вычислителю наземный или донный гравиметр, приемоиндикатор спутниковой навигационной системы, установленный в геодезическом пункте, и приемоиндикатор спутниковой навигационной системы, установленный в опорном пункте, стример, регистрирующее устройство.
Амортизатор низкочастотных инерционных ускорений выполнен в виде ортогонально расположенных упругих элементов, например металлических спиральных пружин, и демпфирующих элементов, например воздушных или гидравлических, при этом одни концы упругих элементов прикреплены к конструкции летательного аппарата жестко, а одни концы демпфирующих элементов шарнирно, другие концы упругих элементов и другие концы демпфирующих элементов соединены вместе и связаны шарнирно с узлами крепления на контейнере, в котором установлена инерциальная навигационная система.
Недостатком известного устройства является - громоздкое устаревшее навигационное и гравиметрическое оборудование, предназначенное для размещения в самолете и используемое для изучения гравитационного поля, в частности для картографирования гравитационных аномалий Земли, а также производство аэрогравиметрических съемок с возможностью продуцирования карт гравитационных аномалий в редукции Буге масштаба 1:200000. Среднеквадратическая погрешность измерения гравитационных аномалий этим аэрогравиметрическим комплексом составляет 0,7 мГал. Большой размер и вес аэрогравиметрического комплекса, с амортизаторами низкочастотных инерционных ускорений, в сотни килограмм, позволяет использовать его только в самолетном варианте для выполнения региональных работ.
Известно устройство (Патент №2128851 от 10.04.1999 г. Вертолетный гравиметрический комплекс. Патентообладатели: Космина В.Н., Кузнецов В.А., Плотницкий Ю.Е.).
Сущность изобретения: для обеспечения повышения точности, производительности и информативности измерения поля силы тяжести при поисках и оценке залежей углеводородов на акватории шельфа, внутренних водоемов, труднодоступных горных, залесенных и заболоченных районах устройство содержит два гравиметра в скафандре, два прибора для определения абсолютных высот, размещенных на опоре, в виде утяжеленной платформы, расположенной на внешней подвеске вертолета, устройство для определения высоты висения вертолета, пульты управления гравиметрами, приборами для определения абсолютных высот, устройство для определения высоты висения вертолета, навигационную систему, набортный гиростабилизированный относительный гравиметр с пультом управления и компьютер, установленные на борту вертолета, при этом выходы гравиметров, приборов для определения абсолютных высот соединены с входами пультов управления этими приборами и с компьютером.
Изобретение относится к геофизическим измерительным комплексам и может быть использовано для производства гравиметрических измерений зоны шельфа мирового океана и акватории внутренних водоемов на глубинах от 0 до 120 метров, а также в труднодоступных горных, залесенных и заболоченных районах.
Недостатком этого способа является то, что при спускаемой с зависшего над пунктом вертолета на тросе платформе с гравиметрами, есть проблемы с отрывом платформы от дна (она может зацепиться за препятствия, «присосаться» и т.д.) и могут создаваться аварийные ситуации, влияющие на безопасность полетов. Эта методика осуществляется с большими затратами времени на спуско-подъемные операции. По всей видимости на измерение 1 физ. наблюдения может уходить до 30 мин, с учетом того, что решение на перелет к следующему пункту принимается оператором на месте (в вертолете) по результатам обработки, полученных измерений. За смену можно сделать не более 10-15 измерений с учетом подлетного времени от базового аэродрома к месту проведения полевых работ и обратно. Способ дорогой по стоимости - 1 час летного времени в настоящее время стоит более 70000 рублей. Ничего не сказано о точности измерений, только то, что она выше по сравнению с использованием такой же методики с одним гравиметром. Этот метод предназначен в основном для съемки на шельфе морских акваторий, но неприменим в заповедных водах, из-за негативного шумового воздействия на животный мир.
Задачей, стоящей перед изобретением, является создание современного высокопроизводительного (более 300 гравиметрических наблюдений на пунктах с шагом 200 метров за 7 часовую смену - 60 пог.км/смену) комплекса для выполнения гравиметрической съемки на беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), который обеспечивает возможность проводить измерения силы тяжести с использованием одного и того же гравиметрического оборудования, как с воздуха так и в наземном варианте. Особенностью выполнения гравиметрических работ с помощью БПЛА является то, что с их помощью можно «отработать» труднопроходимый район работ в особых условиях на достаточно малой высоте полета от 0,5 метра и меньше над водной поверхностью рек и озер до 50 метров над территорией лесных заповедников с любым шагом съемки от сети 10×10 метров до 200×200 метров, что соответствует масштабу съемки 1:25000 с средней квадратической погрешностью определения аномалии силы тяжести ± 0,08 мГал, который можно добиться только проведением наземной съемки.
[2]
[3]
Поставленная задача решается тем, что для создания комплекса используется серийно выпускаемое оборудование: беспилотный летательный аппарат (БПЛА), способный в автономном режиме без дозарядки отлетать более 1,5 часов с внешней нагрузкой весом до 10 кг.; современная инновационная электронная система стабилизации, позволяющая удерживать гравиметр в строго горизонтальном положении (стедекам iCam9  или аналог); современный относительный гравиметр CG-6 Autograv™ , способный в автоматическом режиме производить измерения силы тяжести с заданной частотой по заранее запрограммированной схеме полета.
Принципиальная схема комплекса для проведения гравиметрической съемки с использованием БПЛА:
1. Корпус БПЛА с литий-полимерными аккумуляторами, блоком управления, включающим в себя три гироскопа для зависания над точкой съемки и удержания БПЛА и соответственно гравиметра в горизонтальном положении и тройным дублированием всех систем управления (GPS-приемник, позволяющий заранее записывать маршрут полета, с режимом возврата на место старта, система анализа состояния зарядки аккумуляторов необходимого для возврата на место старта; акселерометр для установки абсолютно горизонтального положения аппарата; бародатчик для фиксации БПЛА на нужной высоте; видеолинк с передачей «картинки» и сигналов управления в режиме реального времени на расстоянии до 80 км, сонар для автоматической посадки и удержания небольшой высоты и для облета препятствий).
2. Антенна GPS-приемника БПЛА.
3. Бесшумные бесколлекторные электромоторы с пропелллерами 6 шт. (гексакоптер), установленные на резиновых амортизаторах для гашения высокочастотной составляющей от их работы.
4. Система электронной трехосевой стабилизации гравиметра в горизонтальном положении для исключения низкочастотных колебаний (стедикам iCam9 или аналог), состоящая из:
- инновационных бесколлекторных моторов (4а, 4б, 4в), способных удерживать гравиметр в строго горизонтальном положении все время полета БПЛА;
- рама для крепления гравиметра (4 г);
5. Современный относительный гравиметр CG-6 Autograv™, закрепленный на раме системы стабилизации с помощью резинового амортизатора толщиной 5 мм с модулем упругости 5-7 МПа и имеющий внутреннюю автоматическую компенсацию наклона измеряемого датчика ± 200 арксекунд, внутреннюю систему GPS, автоматическую запись измерений по заранее заданной программе полета, рабочий диапазон (от -40°C до +40°C).
6. Корпус системы стабилизации с прикрепленным к нему ветрозащитным экраном.
7. Шасси БПЛА для старта и приземления.
8. Хомут крепления системы стабилизации с гравиметром, имеющий резиновую прокладку для гашения небольших высокочастотных колебаний от электрических двигателей БПЛА.
Методика полевых гравиметрических работ с использованием БПЛА
Например, необходимо провести полевые гравиметрические работы масштаба 1:25000 над крупным водохранилищем шириной 10 км и длиной 30 км общей площадью 300 кв.км. Полевые работы будут осуществляться следующим образом:
1. На берегу водохранилища разбивается сеть опорных гравиметрических пунктов. Выбирается исходный гравиметрический пункт (ИсхГП), который как обычно располагается недалеко от базы полевой партии на твердом основании. От него по центральной системе наблюдений разбиваются равномерно через 2 км пункты каркасной опорной сети (КОГП1 - КОГП15), которые располагаются на берегу водохранилища и закрепляются колышками. (Фиг. 2) Измерения на каждом КОГП осуществляются двумя разными гравиметрами CG-6 в 2-х и более независимых рейсах при транспортировке автомобилем. Среднее количество наблюдений на пунктах каркасной опорной сети должно составлять не менее 5, чтобы добиться среднеквадратической погрешности единичного наблюдения ± 0,02 мГал, таким образом, точность каркасной сети может составить порядка ± 0,008 мГал, что вполне хватит для выполнения поставленной геологической задачи. После разбивки на местности Исх.ГП и КОГП1-КОГП15 увязывают между собой с помощью БПЛА на высоте 2 метров.
2. Рядовая регулярная сеть ГП представляет собой систему параллельных профилей, расположенных на расстоянии 200 м друг от друга (Пр. 1 - Пр. 150). Шаг наблюдений по профилям – 200 м. Общий объем рядовой сети составит 1500 пог.км по сети 200 м*200 м, всего 7500 пунктов наблюдений. Полевые наблюдения на рядовой сети выполняются рейсами на БПЛА с 1-м гравиметром CG-6. Каждый рейс начинается и заканчивается на КОГП. Продолжительность отработки одного рейса составляет, с использованием данного БПЛА, чуть более 2 часов, что обеспечивает повышение точности съемки по сравнению с более продолжительными рейсами. По каждому рейсу производится независимый контроль качества измерений. Среднеквадратическая погрешность единичного наблюдения на рядовой сети составит порядка ± 0,08 мГал. 3. Перед началом съемки проводят подготовительные работы. Аккумуляторы БПЛА заряжают, в память GPS- системы БПЛА вводятся координаты гравиметрических пунктов и последовательность их отработки, гравиметр CG-6 подвешивается через систему стабилизации в горизонтальном положении к БПЛА и программируется на выполнение съемки по заданному маршруту. Устройство стабилизации гравиметра (стедикам iCAM9 или аналог) приводится в рабочее положение следующим образом: БПЛА устанавливается с подвешенным на нем с помощью системы стабилизации (iCAM9 или аналога) гравиметром на ровную поверхность, добиваются четкого горизонтального расположения гравиметра, контролируя его при помощи уровней, и включают устройство, нажав кнопку включения. Во время инициализации системы стабилизации (первые 4 сек после включения) гравиметр должен быть неподвижен. Наклоняя БПЛА во все стороны, необходимо убедиться, что по всем трем осям гравиметр движется корректно, что говорит о готовности системы стабилизации к работе. После этого можно запускать БПЛА в работу. Съемка начинается от пункта каркасной опорной сети (КГОП1) - БПЛА зависает над ним на высоте 2 метров над водной поверхностью с помощью имеющихся на нем трех гироскопов, что обеспечивает дополнительную гарантию горизонтального расположения гравиметра. Кроме того, сам гравиметр CG-6 имеет дополнительную функцию - автоматическая компенсация наклона ± 200 арксекунд. На высоте 2 м (высота съемки выбирается оператором в зависимости от условий и может варьировать от 0,5 м до 100 м и выше) производится отсчет значений силы тяжести продолжительностью 60 секунд (частота измерений задается программно оператором и производится автоматически), который записывается в память гравиметра, туда же записываются данные встроенной системы GPS гравиметра. После этого БПЛА летит к первому пункту (ГП) первого профиля (Пр.1), зависает над ним, производит отсчет гравиметра продолжительностью 60 секунд, затем БПЛА летит к следующему ГП и так далее, после отработки всех пунктов первого профиля БПЛА переходит на следующий профиль (Пр.2) и отрабатывает все пункты этого профиля в обратном порядке и возвращается к начальному КОГП1, где производится измерение. (Фиг. 2). Рейс закончен, можно заменить при необходимости аккумуляторы БПЛА. Следующий рейс опять начинается от КОГП1 идет повторно по второму профилю (Пр.2) отрабатывает его по каждому пункту и возвращается по третьему профилю (Пр.3) с отработкой всех пунктов к КОГП1. Таким образом, вся площадь будет отработана дважды, что увеличит точность наблюдений. Во время проведения гравиметрических наблюдений на полевой базе ведется запись наблюдений базовой референц-станции GPS, синхронизированной с GPS гравиметра и БПЛА и позволяющей вести обработку данных в дифференциальном режиме для учета нормального поля и поправки Буге.
4. После выполнения съемки производится контроль в объеме 5% - 375 пунктов. Он осуществляется в независимых рейсах с облетом всех звеньев. В случае больших разбросов - съемка повторяется.
[4]
5. Перелет от пункта к пункту занимает при скорости БПЛА 15 м/с - 13 секунд, на профиль 10 км уйдет - около 12 минут, на съемку 50 ф.н. - 50 минут, на обратную дорогу по соседнему профилю уйдет столько же времени - 62 минуты. Таким образом, на съемку 1 рейса (звена из 100 ф.н.) уходит чуть более 2 часов. За смену можно отработать 3 рейса - 300 ф.н., т.к. для повышения точности измерений съемка будет проводиться два раза по профилю, то реально будет отработано за смену 3 профиля - 150 ф.н. Согласно действующему Сборнику сметных норм на гравиразведку в пешем исполнении с одним гравиметром за одну отрядо-смену (7 часов) необходимо отработать 57,5 ф.н. (Таблица №9, строка 24, столбец 14 Сборника сметных норм). По этому показателю предлагаемый геофизический способ разведки почти в 3 раза более экономичный по времени выполнения. В денежном выражении по состоянию на 2018 год 1 кв.км гравиметрической съемки по сети 200 м × 200 м без камеральной обработки стоит 30000 (тридцать) тысяч рублей. Общая стоимость полевых работ нашего участка в 300 кв.км стоит 9 млн. рублей. Стоимость работ по предлагаемому способу разведки состоит из следующих затрат.Время отработки 1500 ф.н./150 ф.н. = 50 смен. Это около 2 месяцев работы. Состав полевого гравиметрического отряда: технический руководитель, оператор БПЛА, оператор гравиметра, водитель автомашины, вычислитель, работник по полевому лагерю - он же повар. Итого 6 человек. Средняя зарплата 80000 рублей в месяц. рублей. В таблице №1 рассчитана сметная стоимость полевых гравиразведочных работ с помощью БПЛА.
Таблица №1
1.
Фонд оплаты труда 6 чел. * 80000 руб./мес.* 2 мес.=
960 000 руб.
2.
Отчисления на социальные нужды 31% от фонда оплаты
297 600 руб.
3.
Амортизация гравиметра и другого оборудования
500 000 руб.
4.
Расходные материалы (бензин). Себестоимость полеты БПЛА 1 час.=42 рубля. Общее время полетов 50 смен.*8 час* 42 руб.=
16 800 руб.
5.
Накладные расходы и прибыль (в сумме) 15%
266 070 руб.
6.
Командировочные расходы 6 чел., 2 месяца.
300 000 руб.
7.
Страхование оборудования
400 000 руб.
8.
ИТОГО:
2 740 470 руб.
9.
НДС 18%
493 285 руб.
10.
ВСЕГО:
3 233 755 руб
Получается, что выполнение полевых гравиразведочных работ с помощью БПЛА экономически в 3 раза дешевле.
6. Обработка полевых материалов
Предварительная обработка материалов полевых гравиметрических работ с помощью БПЛА проводится на базе полевой партии синхронно с полевыми работами, с целью осуществления оперативного и систематического контроля за качеством и полнотой производимых полевых измерений. Она включает в себя:
- вычисления и уравнивание спутниковых определений координат гравиметрических пунктов;
- вычисление гравиметрических рейсов на рядовой и опорной сетях;
- обработку результатов контрольных измерений и оценку точности по видам полевых работ;
- формирование каталогов гравиметрических пунктов.
[7]
Обработка может выполняться с применением стандартного, а также специализированного программного обеспечения: Windows XP, Microsoft Office 2003, Trimble Business Center, Credo, GS Surfer, Gramat, Gramas и др .
[5,6,7]
Окончательная обработка осуществляется в камеральный период: проводится построение карты аномалий Буге на заданной барометрической высоте полета БПЛА, проводится учет топографических и иных поправок (в т.ч. поправок за гравитационное влияние глубины водохранилища, определяемой либо промерами, либо по крупномасштабным топографическим картам), аппроксимация карты на уровень земли и ее интерпретация по алгоритмам описанным в литературе .
Использование серийно выпускаемого БПЛА движущегося за счет вращения шести пропеллеров (гексакоптер), снабженного шестью бесшумными бесколлекторными электромоторами, установленными на резиновых амортизаторах для гашения высокочастотной составляющей, работающими от литий-полимерных аккумуляторных батарей, тремя гироскопами для зависания и удержания горизонтального положения БПЛА, блоком управления с тройным дублированием всех систем (GPS-приемника, позволяющего заранее записывать маршрут полета, с режимом возврата на место старта, системы анализа состояния зарядки аккумуляторов необходимого для возврата на место старта; акселерометра для установки абсолютно горизонтального положения БПЛА; бародатчика для фиксации БПЛА на нужной высоте; видеолинка с передачей «картинки» и сигналов управления в режиме реального времени на расстояние до 80 км, сонара для автоматической посадки и удержания небольшой высоты и для облета препятствий), а также серийно выпускаемой инновационной системы электронной трехосевой стабилизации гравиметра в горизонтальном положении для исключения низкочастотных колебаний (стедикам iCam9 или аналога), выполненной на бесколлекторных инновационных электромоторах, которые компенсируют наклон гравиметра по осям на иных физических принципах (магнитным полем), весом 3,3 кг - отличает заявленное техническое решение от прототипа, где аналогичное решение выполнено «…..в виде ортогонально расположенных упругих элементов - металлических спиральных пружин, и демпфирующих элементов одни концы которых прикреплены к конструкции самолета, а другие концы соединенных вместе и связаны шарнирно……..» весом несколько сотен кг, что на 2 порядка больше предложенного в техническом решении, и обусловливает соответствие этого решения критерию патентоспособности "НОВИЗНА" и «ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ». Приведенные сведения подтверждают, что средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования при проведении гравиметрической съемки масштаба 1:25000 и крупнее с производительностью более 300 гравиметрических наблюдений на пунктах с шагом 200 метров за смену с использованием одного и того же гравиметрического оборудования как с воздуха так и в наземном варианте. Для изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета изобретения средств и методов. Средства, воплощающие заявленное изобретение, способны обеспечить получение указанного в заявке технического результата. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности "ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ".
Фиг. 1 - принципиальная схема комплекса для проведения гравиметрической съемки с помощью БПЛА.
Фиг. 2 - методика полевых гравиметрических работ на БПЛА.
Литература
1. Корнилов В.А., Молодяков Д.С., Синявская Ю.А. «Система управления мультикоптером». // Труды МАИ 62 2012 г.
2. Реклама iCAM9 на сайте: http://www.isteadicam.ru.
3. Реклама официального дилера SCINTREX A DIVISION OF LRS ООО «АГТсистемс» на сайте http://www.agtsys.ru.
4. Сборник сметных норм на геологоразведочные работы ССН. Выпуск 3, часть 3. Гравиразведка. Роскомнедра. ВИЭМС. Москва. 1993 г).
5. «Инструкция по гравиразведке» Единые технические требования. Часть 5. Москва, 1980 г.
6. Попеленский М.Ю. Интегральные методы авиационной гравиметрии. Диссертация кандидата физико-математических наук: 01.02.01 - Москва, 2003 г.
7. Патент RU №2659753 C1 от 30.05.2017 г. «Способ геофизической разведки» Веселов А.К, Елманов М.И., Каширских М.Ф., Смирнова И.А.