Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Совершенствование технологии аэрогеофизических съемок при использовании среднеорбитальных спутниковых радионавигационных систем

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование технологии аэрогеофизических съемок при использовании среднеорбитальных спутниковых радионавигационных систем"

КОМИТЕТ ПО ГЕОЛОГИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЮ НЕДР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ АЭРОГЕОФИЗИЧЕСКИХ СЪЕМОК ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СРЕДНЕОРБИТАЛЬНЫХ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ: 04.00.12 — ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОИСКОВ И РАЗВЕДКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

? 2 Ж 1593

На правах рукописи

УДК [528. " 596

ГЛАГОЛЕВ Вадим Алексеевич

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С.-ПЕТЕРБУРГ 1992

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте разведочной геофизики (ВИРГ) НПО «Рудгеофизика» и ВНИИ разведочной геофизики ВИРГ — Рудгеофизика.

Официальные оппоненты: КУДРЯВЦЕВ Ю. И.— д. т. п., профессор; ЕВДОКИМОВ Ю. Д. — к. г.-м. н., ст. научный сотрудник.

Ведущая организация — Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья (СНИИГГиМС).

Защита диссертации состоится « » 1993 г.

в /и часов на заседании специализированного^совета Д 071.19.01 при ВНИИ разведочной геофизики ВИРГ—Рудгеофизика по адресу: 193019, Санкт-Петербург, ул. Фаянсовая, д. 20, комн. 309.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Научный руководитель — д. т. н„ проф. А. А. МОЛЧАНОВ

Научный консультант — д. т. н., проф. Ю. М. УСТИНОВ

Автореферат разослан « *(/ » 199\/ г.

Ученый секретарь специализированного совета, к. г.-м. н.

А. В. ПОЛЯКОВ

Актуальность задачи. С возрастанием объемов и укрупнением масштаба аэрогеофизических съемок, опережающих и сопровождающих геологическое картирование и геолого-поисковые работы, повышаются требования к достоверности и точности геофизической информации. В связи с этим разрабатываются новые виды измерительной аппаратуры с улучшенными техническими характеристиками, создаются более совершенные методики и технологии. Однако, в развитии методов и средств навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических съемок, являющихся важной составной частью общей технологии съемочных работ, в настоящее время наметилось существенное отставание, что стало препятствием на пути реализации высоких технико-эксплуатационных характеристик современной аэрогеофизической аппаратуры. Решение этой проблемы требует разработки и применения в аэрогеофизике принципиально новых средств навигации, позволяющих существенно повысить качество геофизической информации и, следовательно, - геологическую эффективность аэрогеофизических работ'.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является обоснование и разработка методов и средств навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизичеоких съемок на базе наиболее перспективных систем навигации.

Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие основные задачи:

определить влияние характеристик навиг.ационно-гео-

дезических средств на эффективность съемочных работ, для оценки которой предложено использовать относительный критерий качество/стоимость, где качество аэрогеофизической съемки характеризуется объемом достоверной геологической информации, полученной по ее результатам;

выполнить анализ эффективности аэрогеофизических съемок, использующих традиционные средства навигационно-геодезического обеспечения, и обосновать необходимость применения в аэрогеофиэике новых, перспективных систем навигации;

определить зависимость качества аэрогеофизических съемок, выполняемых с использованием аппаратуры' потребителей среднеорбитальных спутниковых радионавигационных систем, от основных технических характеристик систем навигации;

обосновать аппаратурные решения и методические рекомендации по проведению аэрогеофизических съемок с использованием среднеорбитальных спутниковых радионавигационных систем;

получить экспериментальное подтверждение правильности теоретических предпосылок, рекомендаций и выводов.

Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами исследбваний:

на основе анализа технических возможностей современных навигационных средств обоснована перспективность и

целесообразность использования систем спутниковой навигации для проведения аэрогеофизических съемок;

определена зависимость эффективности аэрогеофизических съемок от надежности и точности спутниковых навигационных измерений, состава, структуры и режима работы навигационной аппаратуры потребителей;

выявлены особенности проведения и разработана технология аэрогеофизических съемок, выполняемых в условиях неполного состава подсистем космических аппаратов систем спутниковой навигации на этапе их частичного развертывания и при работе над местностью со сложным рельефом.

Научная новизна исследований подтверждена восемью авторскими свидетельствами на изобретения NN 1753846, 748840, 553751, 345554, 310377, 305494, 74641 и 57277.

Практическая ценность выполненных исследований состоит в том, что по их результатам:

разработана гибкая комплексная структура спутниковой аппаратуры потребителей и даны рекомендации по выбору режима ее работы для навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических съемок различных масштабов;

предложена методика определения рационального времени проведения съемочных работ при использовании среднеор-битальных спутниковых радионавигационных систем;.

создан и опробован на практике автоматизированный спутниковый навигационно-геодезический комплекс для аэро-

А.

геофизических съемок;

разработана и апробирована усовершенствованная технология съемочных работ с использованием систем спутниковой навигации, позволяющая существенно повысить эффективность аэрогеофизических съемок.

Защищаемые положения. По результатам выполненных исследований на защиту выносятся следующие основные положения:

обоснование структуры, состава и режима работы спутниковой навигационной аппаратуры для аэрогеофизических съемок в зависимости от их масштаба, рельефа местности проведения съемочных работ и текущего состояния подсистем космических аппаратов систем навигации;

усовершенствованная технология аэрогеофизических съемок, выполняемых с использованием среднеорбитальных спутниковых радионавигационных систем, обеспечивающая высокую эффективность съемочных работ вплоть до масштаба 1 : 10000 над местностью со сложным рельефом, включая без-ориентиркые и горные районы.

Апробация работы и фактические материалы. Основные положения диссертационной работы представлены в научных публикацих и докладах автора:

на Всесоюзной школе передового опыта "Применение высокоточной аэромагнитной съемки при поисках месторождений нефти и газа" 26-29 марта 1990 г. , Ленинград,

на отраслевом совещании "Перспективы разработки специализированной спутниковой навигационной аппаратуры для геологии" 06 марта 1991 г., Ленинград,

на Всероссийской научно-технической конференции "Современное состояние, проблемы морской и воздушной навигации" 10-12 ноября 1992 г., С.-Петербург,

обсуждались на семинарах и научно-технических советах в ВИРГ-Рудгеофизика.

По материалам диссертации разработаны технические задания на ОКР спутникового навигационно-геодезического комплекса для геологоразведочных работ (шифр "Геология") и на комплект дополнительного навигационного оборудования для аппаратуры радиационной и геофизической разведки экологического самолета-лаборатории {шифр "Алтай-РР"); разработан, изготовлен и испытан в полевых условиях опытный образец спутниковой навигационной аппаратуры для аэрогеофизических съемок.

Личный вклад автора. Автором лично:

выполнен анализ эффективности аэрогеофизических съемок при использовании существующих средств навигационно-геодезического обеспечения съемочных работ;

обоснованы целесообразность и перспективность использования среднеорбитальных спутниковых систем для навига-ционно-геодезического обеспечения аэрогеофизических съемок;

определены особенности аэрогеофизических съемок,

выполняемых с использованием среднеорбитальных систем спутниковой навигации;

разработаны рекомендации по выбору состава и структуры спутниковой навигационной аппаратуры для аэрогеофизических съемок;

предложена и обоснована методика определения рационального времени проведения аэрогеофизических съемок при использовании спутниковых систем навигации;

разработана усовершенствованная технология аэрогеофизических съемок, использующих системы спутниковой навигации;

выполнено практическое апробирование усовершенствованной технологии аэрогеофизических съемок при использовании среднеорбитальных спутниковых радионавигационных систем.

Публикации по теме исследований. По тематике вопросов, исследованных в диссертации, опубликовано 17 научных работ автора и 5 научно-технических отчетов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, заключение и список использованной литературы. Объем работы - 177 страниц печатного текста, в том числе - 21 таблица и 20 иллюстраций. Список литературы содержит 125 наименований отечественных и зарубежных работ.

Автор считает долгом выразить глубокую признатель-

ность научному руководителю - д.т.н. , проф. Молчанову A.A. за неоценимую помощь в обшей постановке задачи и постоянное внимание к работе; научному консультанту - д.т.н., проф. Устинову Ю.Н., а также к.т.н. Цирелю B.C., к.г.-м.н. Воробьеву В.П., к.т.н. Лапко А.П., к.г.-м.н. Глебовскому B.C., к.т.н. Филимонову В. В. и всем коллегам по работе за ценные советы, постоянные консультации и обсуждение материалов диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение раскрывает важность и актуальность рассматриваемой научной проблемы, содержит общую постановку решаемой задачи, в краткой форме знакомит со структурой и содержанием диссертационной работы, формулирует основные положения, выносимые на защиту.

Современное состояние и пути совершенствования технологии аэрогеофизических съемок являются предметом рассмотрения первой главы диссертации. В ней определены понятие и' содержание методики и технологии съемочных работ, введен критерий оценки эффективности аэрогеофи.;.ических съемок. Анализируется зависимость качества съемочных работ от внешних факторов, среди которых определяются место и роль на-вигационно-геодезического обеспечения. Оцениваются требования к надежности и точности навигационных определений для решения задач геодезической привязки аэрогеофизических из-

е.

мерений и пилотирования съемочных воздушных судов.

Анализируется эффективность аэрогеофизических съемок при использовании существующих средств навигационио-геодезического обеспечения согласно приведенной классификации. В результате анализа сделан вывод о том, что применяемые в настоящее время навигационно-геодезические средства не в должной мере удовлетворяют требованиям организации высокоэффективных аэрогеофизических съемок.

Рассмотрен ряд перспективных систем навигации, включая спутниковые. По результатам рассмотрения технических возможностей этих систем сделано заключение о целесообразности использования для высокоэффективного навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических съемок средне-орбитальных спутниковых радионавигационных систем (ССРНС).

Исследование эффективности азрогеофизических съемок, выполняемых с использованием среднеорбитальных спутниковых радионавигационных систем, проведено во второй главе диссертационной работы. Показано, что надежность навига-ционно-геодезического обеспечения съемочных работ зависит от степени развития подсистем космических аппаратов ССРНС и условий видимости навигационных искусственных спутников Земли потребителем, определяемых характером рельефа местности проведения съемок. Выполненные расчеты показали, что по состоянию на конец 1991 года отечественная система ГЛОНАСС и зарубежная - НА8СТАР позволяли выполнять произ-

водственные аэрогеофизические съемки с требуемой надежностью только в равнинной местности по трем спутникам с известной высотой, но по мере развития систем навигации станет возможным проведение съемочных работ и в пересеченной местности по рабочим созвездиям из четырех спутников.

Надежность местоопределений на этапе частичного развертывания ССРНС и при работе в горной местности может быть существенно повышена путем интеграции аппаратуры потребителей обеих систем навигации и комплексированием спутниковых приемоиндикаторов с автономными навигационными датчиками и атомным стандартом частоты.

Проведенные расчеты определили, что по состоянию на конец !99! года ни одна из спутниковых систем порознь не позволяла обеспечить выполнение крупномасштабных аэрогеофизических съемок с требуемой точностью навигационного обеспечения даже в равнинной местности. Необходимые характеристики точности местоопределений при работе над местностью со сложным рельефом могут быть обеспечены лишь при практически полном развертывании систем спутниковой навигации.

Повышение точности навигационных определений на этапе частичного развертывания ССРНС и при работе над пересеченной местностью достигается реализацией дифференциального режима работы спутниковой аппаратуры, позволяющего практически иск почить сист емагическ ук> составляющую погреш-

ности дальномерных измерений, использованием интегрированной аппаратуры потребителей обеих систем навигации я ее комплексированием с автономными навигационными средствами.

Результаты выполненных исследований позволили сформулировать основные требования к техническим средствам и методике проведения крупномасштабных аэрогеофизических съемок, использующих системы спутниковой навигации.

Усовершенствованная технология аэрогеофизических съемок с использованием ССРНС является предметом исследовании третьей главы диссертационной работы, в которой обоснованы требования к составу, структуре, основным характери-•.тикам и режиму работы спутниковой навигационной аппаратуры для аэрогеофизических съемок. Выполнен анализ вариантов структурного построения и технических возможностей прие-мокьдикаторов ССРНС. Показано, что в общем случае для гыполнемия высокоэффективных аэрогеофизических съемок необходимо создание специализированного спутникового на-вигационно-геодезического комплекса на базе приеноиндика-тора ССРНС, сопрягаемого с автономными навигационными датчиками, атомным стандартом частоты и аппаратурой дифференциального режима измерений. Широкие технические возможности комплекса полного состава реализуются ценой его высокой стоимости. Поэтому структура и состав спутниковой навигационной аппаратуры, используемой для аэрогеофиэичес-ких съемок, в каждом случае должны быть тщательно обосно-

ваны в зависимости от конкретных условий проведения съемочных работ: масштаба, рельефа местности и текущего состояния подсистем космических аппаратов ССРНС, для чего разработаны и приведены соответствующие рекомендации.

На основе анализа особенностей использования ССРНС при аэрогеофизических съемках сделано заключение о необходимости рационального выбора времени проведения съемочных работ для обеспечения требуемых показателей надежности и точности местоопределений. Предложена методика определения времени выполнения аэрогеофизических съемок с учетом масштаба работ, рельефа местности съемочного участка и состояния подсистем космических аппаратов навигационных систем.

Рассмотрены вопросы комплексного использования аэрогеофизической и спутниковой навигационной аппаратуры. Обоснована необходимость и определены способы их электрического и информационного сопряжения, соотнесения геофизических и навигационных измерений во времени, рационального размещения аппаратуры на борту съемочных воздушных судов.

На базе выполненных исследований разработаны конкретная структурная схема аппаратуры спутниковой навигации и основные элементы усовершенствованной технологии аэрогеофизических съемок с использованием ССНРС: предполетной пса готовки, работ во время полета по проектным маршрутам, кг меральной обработки аэрогеофизической и спутниковой наг.-:-гационно-временной информации.

Практическое апробирование технологии аэрогеофизических съемок, использующих среднеорбитальные системы спутниковой навигации, выполнено путем экспериментальных исследований технологии съемочных работ со спутниковой навигацией, анализу результатов которых посвящена четвертая глава диссертационной работы. При анализе использованы материалы аэрогеофизических съемок, проведенных с непосредственным участием автора в 1989 - 1991 г.г. полевой партией N 5 НПО "Рудгеофизика" в Северном Приладожье, Полярной морской геологоразведочной экспедицией (ПМГРЭ) ПГО "Сев-моргеология" в Карельской АССР, Арктике, Якутии, Антарктиде и на береговой черте Каспийского моря; Ленинградской геофизической экспедицией ПГО "Севзапгеология" в Северном Зауралье, на Печорской акватории и в Обской губе; Уральской геофизической экспедицией ПГО "Уралгео-логия" на Среднем Урале; СНИИГГиМС НПО "Сибгео" в Туркмении, Иркутской области, Красноярском крае и Тюменской области.

Экспериментальные данные подтвердили возможность использования ССРНС в стандартном режиме для навигаци-онно-геодезического обеспечения съемочных работ масштаба 1 : 25000 и мельче, а также необходимость реализации дифференциального режима для проведения аэрогеофизических съемок масштаба 1 : 10000. Определено, что среднеорбитальные системы спутниковой навигации обеспечивают точность пило-

тирования, достаточную для проведения съемок крупных масштабов. В то же время, как показали экспериментальные работы, качество выполнения полетов по заданным маршрутам в существенной степени зависит от квалификации, опыта и натренированности летного состава.

Определение рационального времени начала и окончания съемочных работ осуществлялось при их предполетной подготовке согласно предложенной автором методики. Во всех случаях была отмечена высокая устойчивость навигационных измерений, что дает основание сделать заключение об эффективности разработанной методики.

Экспериментально установлено, что для обеспечения высокой точности пилотирования съемочных воздушных судов по проектным маршрутам целесообразно использовать дополнительный директорный прибор, установленный в кабине пилота, на который выводится информация о боковом уклонении летательного аппарата от линии заданного пути. Определено, что комплексирование аэрогеофизической и спутниковой навигационной аппаратуры должно осуществляться при помощи специального устройства согласования интерфейсов, позволяющего производить автоматическую синхронную запись геофизической и навигационно-временной .информации на магнитный носитель.

Камеральная обработка материалов измерений и построение фактических маршрутов определили высокое качество

навигационно-геодеэического обеспечения аэрогеофизических съемок, выполняемых с использованием среднеорбитальных спутниковых радионавигационных систем.

Заключение. В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

обоснована целесообразность, перспективность и практическая возможность выполнения высокоэффективных аэрогеофизических съемок при использовании среднеорбитальных систем спутниковой навигации;

определены состав и структура спутниковой навигационной аппаратуры потребителей для проведения аэрогеофизических съемок в зависимости от их масштаба, характера рельефа местности съемочных работ и текущего состояния подсистем космических аппаратов ССРНС;

создан спутниковый навигационно-геодезический комплекс для аэрогеофизических съемок, опробование которого в полевых условиях подтвердило правильность принятых технических решений;

разработана и апробирована усовершенствованная технология аэрогеофизических съемок, выполняемых с использованием ССРНС;

разработано техническое задание и проводится ОКР спутникового навигационного оборудования для экологического самолета-лаборатории.

Результаты диссертационной работы используются ря-

дом организаций геологической отрасли в практике аэрогеофизических съемок.

Содержание диссертационной работы изложено в следующих основных публикациях автора:

Выбор состава и структуры спутникового навигацион-но-геодезического комплекса для аэрогеофизических съемок./ Геофизическая аппаратура.- Л.: Недра, 1992, вып.97. в печати;

Исследование возможностей спутниковой привязки для обеспечения крупномасштабной аэромагнитной съемки./ Тезисы докладов Всесоюзной школы передового опыта "Применение высокоточной аэромагнитной съемки при поисках месторождений нефти и газа" 26-29 марта 1990 г. - Л.: СЗПГО "Сев-запгеология", 1991. - с. 111-112 (в соавторстве с В.С.Ци-релем);

Навигационно-.геодезическое обеспечение крупномасштабных и детальных аэрогеофизических работ. /Методы разведочной геофизики. Рудная аэрогеофизика. - Л.: НПО "Рудгео-физика", 1989. - с. 151-159;

Основные элементы технологии аэрогеофизических съемок с использованием систем спутниковой навигации./ Л.: НПО "Рудгеофизика", 1991. - Деп. ВИНИТИ N 235-В91. - 5 с:

Особенности аэрогеофизических съемок при использовании среднеорбитальных спутниковых радионавигационных систем./ Разведка и охрана недр.- Н.: Недра,

1992, N J. - с. 20-21;

Перспективы использования среднеорбитальных спутниковых радионавигационных систем для навигационно-геодезиче-ского обеспечения геофизических работ./ Геофизическая аппаратура,- Л.: Недра, 1991, вып.94. - с. 70-76;

Принципы построения унифицированного спутникового навигационно-геодезического комплекса для aspo-, наземных и морских геофизических работ,/ Геофизическая аппаратура. П.; Недра. 1991, вып. 95: - с. 12-19;

Способ аэрогеофизической съемки. Авторское свиде-5

тельство N 1753046, М. кл. GOtv 11/00, опубл. 07.08.92, бюлл. М 29.

Спутниковые системы для навигационно-геодезического обеспечения геологоразведочных работ. / Методы и технические средства геодезического обеспечения геологоразведочных работ. - Новосибирск: НПО "Сибгео", 1990. - с. 10-18 (в соавторстве с А. Г. Приходом и А.П.Лапко);

Спутниковый навигационно-геодезический комплекс для аэрогеофизических съемок./ Геофизическая аппаратура. - Л.; Недра, 1992, вып. 97. - в печати (с коллективом соавторов);

Среднеорбитные спутниковые радионавигационные системы в аэрогеофиэике./ Тезисы докладов научно-технической конференции "Современное состояние, проблемы морской и воздушной навигации". - С.-Петербург: Судостроение, 1992. -с. 81-83.

Подп.в печ.16.02.93 г. Печ.л.1,25. Уч.-изд.л.I Тир.130 экз. Зак. №

ПО-3 ■