способ получения вертикального градиента аномального магнитного поля земли на стратосферных высотах

Формула изобретения

Способ получения вертикального градиента аномального магнитного поля Земли на стратосферных высотах, заключающийся в синхронных измерениях величин магнитного поля Земли (МПЗ) в трех точках пространства с помощью магнитных измерителей, распределенных вдоль вертикали на измерительной базе длиной в несколько километров, выделении аномального МПЗ путем вычитания из измеренных значений соответствующих им величин нормального МПЗ с последующим вычислением вертикального градиента аномального МПЗ из взаимных разностей величин аномальных МПЗ, отличающийся тем, что дополнительно во всех точках в моменты одновременных измерений выполняют навигационные измерения и уточняют при этом пространственные координаты положения магнитных измерителей, значения нормального МПЗ определяют в точках магнитных измерений по данным уточненного их местоположения, дополнительно определяют действующую длину измерительной базы, с которой соотносят результаты разностных величин аномального МПЗ, при этом полученную величину вертикального градиента аномального МПЗ позиционируют с местоположением среднего магнитометра.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к магнитометрии, в частности к измерениям вертикального градиента (дифференциала) скаляра индукции магнитного поля Земли (МПЗ) в приземном пространстве на борту высотного аэростата, и предназначено для исследования процесса формирования аномального МПЗ в околоземном пространстве и для изучения строения земной коры по магнитному полю.

Известны способы измерения вертикального градиента МПЗ с помощью аэромагнитной съемки. Но этот способ не позволяет получить градиенты от магнитных источников, расположенных на глубоких горизонтах земной коры вследствие их малости. Даже самые чувствительные магнитные аэроградиентометры не позволяют это сделать ввиду ограниченных размеров измерительной базы [1].

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения вертикального градиента МПЗ с помощью аэростатного магнитного градиентометра, заключающийся в синхронных измерениях МПЗ в трех точках пространства с помощью верхнего, среднего и нижнего магнитных измерителей (магнитометров), распределенных вдоль вертикали на измерительной базе длиной в несколько километров, выделении аномального МПЗ путем вычитания из измеренных значений величин нормального МПЗ с последующим вычислением вертикального градиента аномального МПЗ из взаимных разностей величин аномальных МПЗ [2]. При этом определяется местоположение верхнего магнитометра триады, для среднего и нижнего магнетометров горизонтальные координаты берутся те же, что и для верхнего магнитометра, а их вертикальная координата изменена на длину несущего троса, соединяющего верхний - средний и верхний - нижний магнитометры соответственно [3]. Для получения величин нормального МПЗ используется аналитическая модель главного МПЗ, дающая значения нормального МПЗ в зависимости от пространственных координат. При этом выделенный градиент аномального МПЗ позиционируется с местоположением верхнего магнитометра.

Недостаток известного способа [2, 3] заключается в том, что, способы предполагают неизменность положения измерительной базы относительно вертикали в процессе дрейфа аэростата. Но из-за наличия в атмосфере вертикального градиента скорости ветра воздушного течения, возмущений течения, приводящих к неучтенным отклонениям измерительной базы от вертикали и неучтенным изменениям при этом действующей длины (проекция на вертикальную линию) измерительной базы, не обеспечивается высокая точность получения вертикального градиента аномального МПЗ. Вследствие разных скоростей воздушного течения на разных высотах магнитометры в полете аэростата располагаются не один под другим, а с отклонением нижних измерителей относительно вертикали, проходящей через верхний измеритель. Погрешности выделения аномального МПЗ возникают из-за ошибок определения величины нормального МПЗ, так как его вычисление в известных способах [2, 3] не учитывает отклонений магнитометров от вертикальной линии и уменьшения действующей величины измерительной базы. При этом примененное в [2, 3] позиционирование полученного градиента аномального МПЗ с местоположением верхнего магнитометра не соответствует действительному местоположению при отклонениях измерительной базы от вертикали.

Решаемая техническая задача состоит в повышении точности получения вертикального градиента аномального МПЗ за счет учета отклонения магнитометров от вертикали, проходящей через верхний магнитометр, учета уменьшения действующей величины измерительной базы и более точного позиционирования в пространстве полученного градиента.

Для решения поставленной задачи в способе, заключающемся в синхронных измерениях скаляра индукции МПЗ в трех точках пространства с помощью магнитных измерителей, распределенных вдоль вертикали на измерительной базе длиной в несколько километров, выделении аномального МПЗ путем вычитания из измеренных значений соответствующих каждому измерению величин нормального МПЗ с последующим вычислением вертикального градиента из взаимных разностей величин аномальных МПЗ, согласно изобретению дополнительно во всех этих точках выполняют навигационные измерения и уточняют пространственные координаты местоположения магнитных измерителей в моменты выполнения ими одновременных измерений, дополнительно определяют действующую длину измерительной базы. Значения величин нормального МПЗ определяют в точках магнитных измерений по данным уточненного местоположения и вычитают их из соответствующих измеренных значений МПЗ, а результаты последующих операций (разностные величины аномальных МПЗ) соотносят с действующей длиной измерительной базы и получают величину вертикального градиента аномального МПЗ. При этом полученную величину вертикального градиента позиционируют с местоположением среднего магнитометра. Последнее делает более точной привязку места определения вертикального градиента к местоположению источника аномального МПЗ.

В основу технической реализации предлагаемого способа может быть взят прототип [2, 3], но в этом случае каждый приборный контейнер должен быть дополнительно оснащен навигационными GPS-приемниками. Примененные GPS-приемники могут иметь цикличность работы - одно измерение текущих координат в 1 с, из которых можно сделать выборку показаний на моменты магнитных измерений. Эти показания используются при определении нормального МПЗ, на которых основывается выделение вертикального градиента аномального МПЗ в соответствии с изобретением. Операции выделения вертикального градиента аномального МПЗ можно выполнить на бортовых вычислительных устройствах, содержащих элементы дискретной логики, или с помощью специализированной бортовой ЭВМ. Действующая длина измерительной базы определяется по разности высотных уровней местоположения магнитометров на моменты выполняемых ими синхронных измерений. Указанные выше операции целесообразно выполнить при послеполетной обработке данных с помощью персонального компьютера.

Оценка эффективности предложенного способа выполнялась на основе данных, экспериментально полученных в натурном полете аэростата. В этом эксперименте градиентометр содержал три измерительных контейнера, равномерно разнесенные по вертикали, в каждом из которых находились магнитный измеритель и навигационный GPS-приемник. В процессе полета аэростата по данным GPS-приемников с точностью до 2-3 м определялись пространственные координаты положения магнитных измерителей и действующая длина измерительной базы, соответствующая проекции отклоненной измерительной базы на вертикаль в моменты выполнения синхронных магнитных измерений. Измеренные координаты каждого магнитного измерителя триады использовались для определения нормального МПЗ на моменты синхронных измерений. При этом использовалась международная аналитическая модель нормального МПЗ (IGRF) на соответствующую эпоху. Аномальные магнитные поля в точках синхронных измерений определялись путем вычитания из измеренных величин МПЗ соответствующих величин нормального МПЗ. Вертикальные градиенты аномального МПЗ вычислялись из взаимных разностей аномальных МПЗ, полученных в каждом синхронном магнитном измерении. Для наглядности результата в расчетах использовались аномальные МПЗ для местоположения нижнего и верхнего магнитных измерителей, образующих измерительную базу длиной 6 км. Покажем эффективность применения такого подхода при выделении величин вертикального градиента аномального АМП из данных, полученных в реальном полете. Для этого сопоставим погрешности выделения вертикального градиента аномального МПЗ, полученные по способу прототипа и по предлагаемому авторами способу. Натурный аэростатный эксперимент, выполненный авторами 03 ноября 2005 г, показал, что величина взаимного отклонения магнитометров при шестикилометровой длине измерительной базы в основном не превышала 300 м, но в отдельные периоды достигала 1500 м, при этом вертикальный размер измерительной базы сокращается на ˜80 м. Рассмотрим возможные ошибки выделения градиента аномального МПЗ, присущие прототипу, возникающие за счет влияния нормального МПЗ для предельных экспериментально полученных величин взаимного отклонения магнитометров. Дадим исходные данные для оценки ошибок: а) градиент нормального магнитного поля в приземном пространстве в соответствии с моделью IGRF в горизонтальной плоскости, в среднем, составляет 2 нТл/км, вертикальный градиент нормального магнитного поля, в среднем, по той же модели составляет 25 нТл/км; б) средняя величина вертикального градиента аномального магнитного поля составляет 2,2 нТл/км [3] или 13,2 нТл на базе длиной 6 км, относительно которой выполним оценки погрешностей. При отклонении нижнего магнитометра от вертикальной оси, проходящей через верхний магнитометр на 1500 м, неучтенная ошибка определения нормального МПЗ составила 3 нТл, которая полностью переходит в ошибку вертикального градиента аномального МПЗ, что составляет 23% от величины 13,2 нТл (первая составляющая погрешности). Сокращение вертикального размера измерительной базы на 80 м, неучтенное влияние этого эффекта на расчет нормального МПЗ приведет к ошибке вертикального градиента аномального МПЗ в 2 нТл, что составляет 15% от величины 13,2 нТл (вторая составляющая погрешности). Полученная величина погрешности выделения градиента аномального МПЗ за счет влияния этих факторов, т.е. присущая прототипу, составит 20% (среднеквадратическое значение). При введении координатных поправок искомая погрешность будет определяться точностью позиционирования магнитометров, которая для GPS-приемников даже невысокого класса составляет ˜10 м. При этом первая составляющая погрешности уменьшится в 150 раз и составит 0,15%, вторая - в 8 раз и составит 1,9%. В этом случае искомая среднеквавдратическая погрешность составит 2%.

Следовательно, с использованием предложенного способа погрешность выделения градиента аномального МПЗ уменьшится в ˜10 раз по сравнению с прототипом. При использовании более точных навигационных систем, чем упомянутая выше (например, дифференциальных), выигрыш будет в еще большее количество раз.

Литература

1. Nelson J.B., Marcotte D.V., Hardwick C.D. Comments on "Magnetic field gradients and their uses in the study of the Earth's magnetic field" of by Harrison and Southam. J. Geomag. Geoelectr., V.44, pp.367-370, 1992.

2. Белкин В.А., Резников А.Е., Цветков Ю.П. Способ измерения вертикального градиента магнитного поля Земли на борту аэростата и устройство для его осуществления. Патент №2006889 C1, G01V 3/40. Опубл. 30.01.94, бюл. №2. (Прототип).

3. Цветков Ю.П. Исследования аномального магнитного поля Земли на стратосферных высотах. Геомагнетизм и аэрономия. 1993. Том 33. №6, с.159-164.