Способ магнитометрической разведки с подвижного поискового аппарата

 

Использование: в области навигации и геомагнитных измерений с борта летательного аппарата (ЛА). Сущность изобретения: в процессе предстартовой подготовки фиксируют измерительные оси трехкомпонентного магнитометра относительно строительных осей ЛА, устанавливают горизонтальный ЛА и два курсовых положения, а затем в них в одно произвольное положение по крену, далее опять горизонтируют ЛА и разворачивают его с постоянной угловой скоростью по курсу, затем ЛА снова горизонтируют и разворачивают его с постоянной угловой скоростью по крену, причем в одних и тех же в каждом из этих пространственных положений ЛА измеряют проекции результирующего магнитного поля на строительные оси ЛА, а также углы курса тангажа и крена, а при разворотах ЛА также угловые скорости разворота по углам курса и крена, по полученным результатам измерений находят вихревую составляющую собственного магнитного поля ЛА, а в процессе движения ЛА по заданному маршруту горизонтальную и вертикальную составляющие геомагнитного поля определяют с учетом величины вихревой составляющей собственного магнитного поля ЛА. 1 ил.

Изобретение относится к области навигации, может быть использовано для повышения точности геомагнитных измерений с борта подвижного объекта, например, летательного аппарата (ЛА).

Известен способ магнитометрической разведки с подвижного поискового аппарата, при котором осуществляют в процессе движения поискового аппарата по заданному маршруту измерения горизонтальной и вертикальной составляющих геомагнитного поля [1] Недостатком известного способа является низкая точность определения составляющих геомагнитного поля, обусловленная переменными коэффициентами девиации при эволюциях летательного аппарата.

В изобретении решается задача повышения точности определения составляющих геомагнитного поля.

Поставленная задача решается тем, что предложен способ магнитометрической разведки с подвижного поискового аппарата, при котором осуществляют в процессе движения поискового аппарата по заданному маршруту измерения горизонтальной и вертикальной составляющих геомагнитного поля, причем до этого осуществляют предварительную подготовку, в процессе которой фиксируют измерительные оси трехкомпонентного магнитометра относительно строительных осей поискового аппарата, устанавливают горизонтальный поисковый аппарат последовательно в два курсовых положения при угле курса 0^o и 90^o, азатем при угле курса 0^o устанавливают поисковый аппарат в одно произвольное положение по углу крена (на 10^o.45^o), далее опять горизонтируют поисковый аппарат и разворачивают его с постоянной угловой скоростью по курсу от 0^o до 90^o, а затем при угле курса 0^o разворачивают поисковый аппарат с постоянной угловой скоростью по крену от 0^o до 45^o, причем в каждом из этих пространственных положений поискового аппарата измеряют проекции результирующего магнитного поля на строительные оси аппарата, а также углы курса, тангажа и крена, а при разворотах поискового аппарата также угловые скорости разворота по углам курса и крена, по полученным результатам измерений находят вихревую составляющую собственного магнитного поля поискового аппарата, а в процессе движения поискового аппарата по заданному маршруту горизонтальную и вертикальную составляющие геомагнитного поля определяют с учетом величины вихревой составляющей собственного магнитного поля поискового аппарата.

Новым в предлагаемом способе является то, что в процессе предстартовой подготовки по предложенным действиям и процедурам у поискового аппарата по разработанным алгоритмам определяется вихревая составляющая его собственного магнитного поля, учет которой в процессе движения аппарата по маршруту позволяет значительно точнее (на 100.120 нТл) определить горизонтальную и вертикальную составляющие геомагнитного поля.

На чертеже приведена структурная схема устройства для осуществления заявленного способа.

Устройство для осуществления способа содержит блок из трех ортогональных магнитометров 1, установленных без карданова подвеса на корпусе объекта, для измерения продольной Тх, поперечной Тz и нормальной Ту составляющих вектора напряженности результирующего магнитного поля объекта на оси связанной системы координат ОХУZ; гироскоп направления 2 для определения гироскопического курса Ψ_г подвижного объекта; гировертикаль 3 для определения углов крена γ и тангажа n подвижного объекта; первое 4 и второе 5 дифференцирующие устройства для дифференцирования сигнала гироскопического курса j_г и угла крена γ соответственно; первый вычислитель 6 для определения коэффициентов вихревой составляющей магнитного поля объекта, интегратор 7 для определения проекций вектора напряженности геомагнитного поля на оси связанной с объектом системы координат; второй вычислитель для определения горизонтальной и вертикальной составляющих вектора напряженности геомагнитного поля во время ведения магнитометрической разведки. Выходы блока 1 соединены с входами первого вычислителя 6, интегратора 7 и второго вычислителя 8. Выход блока 2 соединен со входом первого дифференцирующего устройства 4, первого вычислителя 6 и интегратора 7. Выходы блока 3 по углам g и n соединены со входами интегратора 7 и второго вычислителя 8 и дополнительно по углу g со входами второго дифференцирующего устройства 5 и первого вычислителя 6. Выходы первого 4 и второго 5 дифференцирующих устройств соединены со входами первого вычислителя 6. На входы первого вычислителя 6 подаются, кроме того, с потенциометра ручной выставки (или контроллера) стартовые значения горизонтальной и вертикальной составляющих вектора напряженности геомагнитного поля, измеренные, например, с помощью дефлектора и инклинатора; а также на входы первого вычислителя 6 и интегратора 7, с потенциометра ручной выставки (или контроллера) вводятся заранее найденные параметры Пуассона (а,к) и компоненты постоянного магнитного поля (Р, Q, R) ЛА. Выход первого вычислителя 6 соединен с входом интегратора 7, выход которого соединен с входом второго вычислителя 8.

Соотношения для определения горизонтальной и вертикальной составляющих вектора напряженности геомагнитного поля основываются на следующих теоретических положениях. Математическая модель магнитного поля на объекте (МПО) описывается уравнениями Пуассона [3] где T_M [T_xgT_ygT_zg]^T; T_П [PQR]^T; T_Э T_XЭT_УЭT_ZЭ]^T; знак "Т" обозначает транспонирование.

В (1) (2) приняты следующие обозначения: S матрица Пуассона, коэффициенты, а, в, к характеризуют индуктивную составляющую МПО; F матрица коэффициентов а₁, b₁, k₁, характеризующих вихревую составляющую МПО;
Е единичная матрица размером 3 х 3;
A матрица направляющих косинусов, характеризующая ориентацию подвижного объекта (ПО) относительно географического нормального сопровождающего трехгранника охgygzg (правый ортогональный трехгранник OXYZ, в котором ОХ, OY, OZ продольная, нормальная и поперечная оси объекта, причем ось OZ направлена в сторону правого борта; oxgygzg правый ортогональный трехгранник, в котором ось OXg направлена на географический Север, ось OYg вертикальная; ось OZg направлена на Восток);
Tx, Ty, Tz компоненты вектора напряженности результирующего МПО по осям объекта;
Тxg, Tyg, Tzg компоненты вектора напряженности геомагнитного поля по соответствующим осям;
P, Q, R компоненты вектора постоянной составляющей МПО по осям ОХ, OY, OZ, соответственно;
T_xЭ, T_yЭ, T_zЭ компоненты электромагнитной составляющей вектора напряженности МПО по соответствующим осям.

В дальнейших выкладках будем пренебрегать составляющей T_Э, полагая, что в точке установки магнитометра на борту объекта за счет ряда мероприятий она практически нулевая. Относительно уравнения (1) предполагается, что в каждый момент времени известны Т и А, так как на борту непрерывно измеряются вектор (T_x, T_y, T_z) с помощью трехкомпонентного блока магнитометров, а также с помощью трехкомпонентной гироскопической системы гироскопа направления и гировертикали измеряются углы ориентации ПО (формируется матрица А).

Главной задачей бортовых магнитометрических измерений для целей навигации, геофизики и геологии является задача определения вектора напряженности геомагнитного поля как в системе координат, связанной с объектом, так и в географической системе координат. Очевидно, что чем выше точность определения северной, восточной и вертикальной составляющих геомагнитного поля, тем точнее можно определить его аномалии и произвести коррекцию собственного местоположения или оценку наличия либо полезных ископаемых, либо объектов искусственного происхождения.

Задача определения с высокой точностью геомагнитного поля не может быть решена без знания МПО. Аналитически это сводится к определению матриц F, S и T_n. Задача идентификации МПО в смысле определения матриц S и T_n с использованием прямого метода параметрической идентификации статических и динамических систем решалась, например, путем расширения вектора состояния системы (1) до размерности, совпадающей с числом идентифицируемых параметров. Расширение производилось за счет дискретизации процесса измерения во времени при движении ПО и фиксации результатов измерений компонент вектора в памяти бортового цифрового вычислительного устройства. Приведены алгоритмы идентификации матриц S и T_n, то есть алгоритмы определения параметров Пуассона (а,к) и компонент постоянной составляющей МПО (Р, Q, R).

В дальнейших выкладках также предполагается, что идентификация матриц S и T_n по борту ПО уже произведена и параметры Пуассона (а,к), а также компоненты постоянной составляющей МПО (Р, Q, R) известны.

Из уравнения (1) получим алгоритмы идентификации матрицы вихревой составляющей МПО F.

Допустим, что ЛА предварительно устанавливался на девиационной площадке в нескольких фиксированных угловых положениях по курсу, а затем разворачивался с постоянной угловой скоростью и в тех же угловых положениях в обоих случаях фиксировались показания трехкомпонентного магнитометра ЛА.

Для фиксированных угловых положений с учетом принятых ранее допущений уравнение (1) примет вид
T₁ (S + E)·A·T_M+T_П(3)
При развороте с угловой скоростью будем иметь

Производя вычитание от уравнения (4) уравнения (3) при одних и тех же значениях углов (параметров матрицы А), получим

где
разность показаний магнитометров ЛА (6)
Дополнительно предположим, что ЛА горизонтирован (т.е. ∠ν = ∠γ = 0 и разворот ЛА осуществляется вокруг вертикальной оси с постоянной угловой скоростью сonst. C учетом этого (5) примет следующий вид:

где с сos, s sin соответственно.

Выполнив преобразования в (7), получаем

Отсюда при получаем следующие соотношения для определения параметров матрицы F C₁, f₁, k₁

а при Ψ=90° 90^o получаем следующие соотношения для определения параметров матрицы F a₁, d₁, g₁:

Оставшиеся параметры матрицы F находятся при следующих угловых положениях ЛА: допустим, что ЛА горизонтирован (Ψ=0°; ν=0°; γ=0°) и предварительно устанавливался на девиационной площадке в нескольких фиксированных угловых положениях по крену, а затем разворачивался с постоянной угловой скоростью , где t время) и в тех же угловых положениях в обоих случаях фиксировались показания трехкомпонентного магнитометра ЛА. Поступая аналогично выполненному ранее, производя вычитание сигналов магнитометров и соответственно полученных уравнений при одних и тех же параметрах матрицы угловой ориентации А, в итоге получим:

отсюда имеем:

В итоге при определенных ранее параметрах a₁, d₁, g₁, с₁, f₁ k₁ и при sγ=0,2...0,5 имеем следующие соотношения для определения параметров b₁, e₁, h₁ матрицы вихревой составляющей МПО F:

Следует отметить, что если при разворотах ЛА затруднительно обеспечить постоянство угловых скоростей разворота , то необходимо использовать усредненные значения:

и использовать их в ранее полученных соотношениях вместо текущих значений угловых скоростей.

Запишем соотношение (1) в следующем виде:

где знак ' обозначает операцию дифференцирования по времени.

Обозначим:

где Т_г, Т_в горизонтальная и вертикальная составляющие вектора напряженности геомагнитного поля; вектор Н представляет собой вектор , отнесенный к связанным осям ЛА.

Тогда:

В результате численного интегрирования одним из методов [4] уравнения (16) определяется величина вектора и егокомпоненты Н_x, H_y, H_z в осях связанной с объектом системы координат OXYZ. Далее из уравнения (1), опустив ряд промежуточных преобразований, запишем окончательные соотношения для определения горизонтальной и вертикальной составляющих вектора напряженности геомагнитного поля [3]

Пример осуществления способа.

Предлагаемый способ может быть осуществлен с помощью устройства, описанного ранее, следующим образом.

В процессе предстартовой подготовки ЛА устанавливается на девиационной площадке на немагнитной поворотной установке и горизонтируется. ЛА придают курсовую циркуляцию, в точках Ψ=0° и при Ψ=90° ЛА фиксируют, и в первый вычислитель 6 поступают с блока магнитометров 1 ЛА две тройки значений составляющих вектора напряженности результирующего МПО и запоминается в нем, а также угла курса Ψ с блока 2. Затем в точке при Ψ=0°, ЛА разворачивают по углу крена γ на величину g=0,2...0,8 рад или на 10^o.45^o и при, например, γ=0,2 рад ЛА фиксируют в неподвижном положении и в первый вычислитель 6 поступает с блока магнитометров 1 ЛА тройка значений составляющих вектора напряженности результирующего МПО и запоминается в нем. Далее ЛА вновь горизонтируется на поворотной установке и совершает курсовую циркуляцию с постоянной угловой скоростью при этом в точках Ψ=0° и при Ψ=90° в первый вычислитель 6 поступает с блока магнитометров 1 ДА две тройки значений составляющих вектора напряженности результирующего МПО и запоминается в нем, а также угла курса Ψ с блока 2 и угловой скорости разворота с блока 4. Затем ЛА вновь горизонтируется на поворотной установке и в точке при Ψ=0° ЛА разворачивают по углу крена γ на величину g=0,2...0,8 рад 0,2.0,8 рад с постоянной угловой скоростью 0,05.0,1 +/с и при, например, 0,2 рад в первый вычислитель 6 поступает с блока магнитометров 1 ЛА две тройки значений составляющих вектора напряженности результирующего МПО и запоминается в нем, а также угол курса Ψ с блока 2, угол крена g с блока 3 и угловой скорости разворота по крену с блока 5. На основании поступивших значений указанных величин первый вычислитель 6 определяет коэффициенты матрицы вихревойсоставляющей МПО (а₁, b₁, c₁, k₁) по соотношениям (5, 6, 9, 10, 13), которые запоминаются в нем; первый вычислитель 6 и блоки 4 и 5 задействованы только в процессе предстартовой подготовки. Во время движения ЛА по поступающим сигналам с датчиков на входы интегратора 7 с выходов первого вычислителя 6, блока магнитометров 1, гироскопа направления 2 и гировертикали 3 определяются в блоке 7 проекции вектора напряженности геомагнитного поля на оси связанной с объектом системы координат по соотношению (16), поступающие на входы второго вычислителя 8 одновременно с сигналами с блока магнитометров 1 ЛА и гировертикали 3.

Во втором вычислителе 8 по соотношениям (17, 18) формируются сигналы о горизонтальной Т_г и вертикальной Т_в составляющих геомагнитного поля, по изменению амплитуды которых делают вывод о возможном наличии магнитных масс в месте пролета подвижного поискового аппарата.

В качестве датчиков блока 1 могут быть использованы, например, феррозондовые датчики, в качестве блока 2 и блока 3 могут быть использованы, например, гироагрегат ГА-8 и гировертикаль МГВ-2 соответственно. Первый вычислитель 6, второй вычислитель 8, интегратор 7, первое 4 и второе 5 дифференцирующие устройства могут быть реализованы, например, на стандартных элементах вычислительной техники [6]
Преимущество предлагаемого способа магнитометрической разведки с подвижного поискового аппарата, включающего в себя определение горизонтальной и вертикальной составляющих вектора напряженности геомагнитного поля заключается в повышении точности выполнения магнитометрической разведки, поскольку неучет вихревой составляющей МПО приводит к погрешностям в определении геомагнитного поля до 100.120 нТл, что является крайне нежелательным, так как очень искажает и "зашумляет" слабые сигналы, как правило, о магнитных массах в месте пролета ЛА.

Предлагаемые зависимости для определения горизонтальной и вертикальной составляющих вектора напряженности геомагнитного поля в процессе движения ЛА могут быть реализованы вычислительным путем в бортовой ЦВМ [6]
Заявка подготовлена при поддержке РФФИ.

Формула изобретения

Способ магнитотермической разведки с подвижного поискового аппарата, включающий в процессе движения поискового аппарата по заданному маршруту измерение горизонтальной и вертикальной составляющих геомагнитного поля, отличающийся тем, что осуществляют предварительную подготовку, в процессе которой фиксируют измерительные оси трехкомпонентного магнитометра относительно строительных осей поискового аппарата, устанавливают горизонтальный поисковый аппарат последовательно в два курсовых положения при угле курса 0 и 50^o, а затем при угле курса 0^o устанавливают поисковый аппарат в одно произвольное положение по углу крена на величину 10 45^o, далее опять горизонтируют поисковый аппарат и разворачивают его с постоянной угловой скоростью по курсу 0 90^o, а затем при угле курса 0^o разворачивают поисковый аппарат с постоянной угловой скоростью по крену от 0 до 45^o, причем в одних и тех же в каждом из этих пространственных положений поискового аппарата измеряют проекции результирующего магнитного поля на строительные оси аппарата, а также углы курса, тангажа и крена, а при разворотах поискового аппарата также угловые скорости разворота по углам курса и крена, по полученным результатам измерений находят вихревую составляющую собственного магнитного поля поискового аппарата, а в процессе движения поискового аппарата по заданному маршруту горизонтальную и вертикальную составляющие геомагнитного поля определяют с учетом величины вихревой составляющей собственного магнитного поля поискового аппарата.

РИСУНКИ

Рисунок 1