Toward High-Spatial Resolution Gravity Surveying of the Mid-Ocean Ridges with Autonomous Underwater Vehicles. WHOI Deep Ocean Exploration Institute and a WHOI Green Innovation Technology Award.

Автономный подводный робот – идеальная платформа для морской гравиметрии
Л.В.Киселев , А.В.Медведев ,
ФГБУН Институт проблем морских технологий ДВО РАН, г.Владивосток, Россия, e-mail: [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
В.Б.Костоусов , А.Е.Тарханов
ФГБУН Институт математики и механики им. Н.Н.Красовского, г.Екатеринбург, Россия, e-mail: [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]

Аннотация

Ключевые слова: автономный подводный робот, морская гравиметрия, навигация по геофизическим полям.

Рассматриваются перспективы применения автономных подводных роботов для решения задач морской гравиметрии. Показано, что автономный подводный робот, представляющий собой хорошо стабилизированную платформу, дает новые дополнительные возможности для прецизионных измерений и картографирования локальных гравитационных полей и их аномалий. Приводятся экспериментальные данные, позволяющие оценить точность измерений с учетом навигационных и динамических ошибок. Полученные данные используются для исследования процедуры гравиметрических измерений путем покрытия локального поля сетью траекторий. С помощью компьютерной модели гравиметрии производится анализ результатов траекторных измерений и таким путем восстанавливается карта гравитационного поля. Для модельных процессов приводятся оценки точности картографирования локального поля (аномалии), информативности рассматриваемой методики производства гравиметрии и точности определения параметров навигации с помощью алгоритмов нелинейной фильтрации.

Введение
Проблемы повышения эффективности гравиметрических измерений с использованием аэрокосмических, наземных и морских средств по-прежнему остаются актуальными как для целей высокоточной навигации движущихся объектов, так и для изучения геологического строения Земли. Особое значение придается детальному исследованию локальных гравитационных полей (аномалий силы тяжести – АСТ) в различных регионах земной поверхности, в том числе в морских акваториях. Перспективы использования АНПА для производства гравиметрических измерений на море неоднократно служили предметом исследований и разработок в течение ряда предшествующих лет. Впервые эта тема была затронута в монографии [1] и касалась оценки преимуществ, которые могли бы быть реализованы с помощью АНПА. В дальнейшем аналогичные вопросы обсуждались в работах зарубежных и отечественных ученых и известных специалистов в области морской гравиметрии [2-8]. Одно из основных требований к гравитационным измерениям состоит в обеспечении минимума возмущающих и инерционных ускорений, которым подвержено основание гравиметра. «Вредные» ускорения у надводных судов могут составлять десятки Гал (1 Гал = 1 см/с2) при частоте волновой качки примерно 0,10,3 с-1. При проведении измерений с подводной лодки морское волнение оказывает меньшее влияние, но остаются динамические возмущения самого носителя.

Экспериментальные гравметрические измерения с борта АНПА
Идея использования АНПА для морской гравиметрии и геодезии возникла на самых ранних этапах их создания. Первый в нашей стране АНПА «Скат-гео» (1976 г.) предназначался для решения именно таких задач. В дальнейшем в ИПМТ ДВО РАН был создан АНПА «Комплекс-АН» (1988 г.), при проектировании которого ставилась основная задача обеспечения гравиметрических измерений в Арктическом бассейне. В процессе испытаний модернизированного аппарата (АНПА «Тифлонус») проводились экспериментальные гравиметрические измерения с помощью серийного прибора, разработанного в ЦНИИ «Дельфин». Чувствительный элемент гравиметра представляет собой устройство, в котором откалиброванная масса уравновешивается с помощью механизма, регулируемого в зависимости от изменения силы тяжести. Измерения производились в открытом море при движении АНПА по заданной программе на глубине 75 м. Результаты этих измерений приведены на рис. 1. Предварительно производись измерения собственных шумов и дрейфа показаний гравиметра, установленного на неподвижном основании. Одновременно производились измерения собственных вертикальных измерений аппарата с помощью бортового блока акселерометров с исключением в измеренных данных заданной (опорной) величины ускорения силы земного притяжения.


Рис. 1. Графики сигналов, снятых в процессе движения АНПА по заданной программе. (1) - изменение глубины погружения, измеренное с помощью потециометрического вибрационно-частотного датчика давления; (2) - сигнал гравиметра в виде суммы собственного значения гравитационного поля и вертикального ускорения АНПА; (3) - сигнал гравиметра, в котором исключена величина вертикального ускорения аппарата, полученная путем двойного дифференцирования сигнала датчика глубины; (4) - курс аппарата в процессе выполнения заданной миссии; (5) - сигнал гравиметра, в котором исключена поправка Этвеша, численно равная величине скачка в исходных данных в моменты перехода на другой курс.

Отметим некоторые результаты обработки проведенных измерений:
Вертикальные ускорения АНПА при стабилизации заданных значений курса и глубины составили около 50 мГал при частоте собственных колебаний 0,20,3 с-1 и скорости движения 12 м/с.
Уход показаний гравиметра за 12 часов работы составил около 1,4 мГал при уровне шума не более 0,2 мГал; (по уровню СКО – 0,06 мГал)
Поправка Этвеша при скорости АНПА 1,56 м/с и смене курса на 90є и 180є составила соответственно около 7,35 и 10,5 мГал, что соответствует скачку показаний гравиметра 14,7 и 21 мГал (см. рис.1);
Навигационная привязка измерений с помощью интегрированной навигационной системы, включающей бортовую навигационную систему (БНС) и гидроакустическую навигационную систему с длинной базой (ГАНС ДБ) осуществляется с точностью 5 м при многоразовой коррекции данных по GPS на поверхности моря и с точностью 0,5 м при аналогичной коррекции по DGPS.
Из результатов частотного анализа сигналов, измеренных на заданной траектории, следует, что верхняя граница спектра частот суммарного сигнала составляет 0,2 Гц, а спектра частот отфильтрованного сигнала 0,12 Гц. Соответствующая пространственная частота поля аномалий силы тяжести (АСТ) равна 0,07м-1.

Модель локального гравитационного поля
Представим АСТ в виде модельной карты g(x, y) в системе координат, связанной с навигационным комплексом АНПА. Поле зададим изолиниями, характеризующими отклонения (аномалию) величины g от некоторого опорного значения в заданной области обследования. Пример построения такой карты показан на рис.2.

Рис.2. Модель карты гравитационного поля. Характер изолиний поля соответствует цветовой шкале в мГал.

На карте размером 2000Ч2000 м выделены три участка, для обследования которых осуществлялась программа движения ортогональными галсами 700 м и 20 м при скорости 1 м/с. (программа «меандр»). Траектории, ориентированные в соответствие с выделенными участками поля, строились с учетом собственной динамики АНПА в режимах стабилизации глубины и курса. Параметры программы в данном представлении являются постоянными, но в общем случае предусматривается их адаптиптивная настройка в зависимости от градиента изменения поля. Траекторные измерения величины g(x, y) производятся с периодом 2с и с учетом задержки показаний гравиметра, равной 0,066с. Кроме того, при обработке цифровых данных учитывались случайные ошибки интегрированной навигационной системы и ошибки измерений, представленные нормальными распределениями с СКО, равными соответственно 5 м. и 3 мГал. Полученные в цифровом виде данные далее используются для восстановления карты поля с помощью скриптов матричных преобразований и функций интерполяции для 2D и 3D-изображений. На рис. 3 приведен фрагмент восстановления карты и его 3D-представление, соответствующий одному из выделенных участков рис. 2. Величина среднеквадратического отклонения ошибки восстановления карты, соответствующего выделенным трем участкам рис. 2, в среднем составила 2,35 мГал.
Построенная выше карта поля аномалий силы тяжести вместе с вычисленным уровнем ошибок картографии, моделью измерений и моделью ошибок инерциальной навигационной системы позволяет получить оценку точности коррекции навигационных ошибок с помощью решения задачи корреляционно-экстремальной навигации по геофизическому полю. Здесь рассматривается случай коррекции ошибок по положению движущегося объекта. Оценку точности коррекции часто называют оценкой информативности поля. Наиболее точным и используемым на практике способом оценки информативности является метод статистического имитационного моделирования процесса коррекции навигационных ошибок, включающий многократное формирование последовательности замеров и их привязку к эталонному изображению поля. Такое моделирование было проведено по карте, изображенной на рис. 2, для прямолинейных трасс длиной 1 км, направленных вдоль оси X. Величина СКО ошибки статистического оценивания координат точки начала трассы составила 30 м. По методике [9] была также получена теоретическая приближенная граница точности оценивания. Эта методика опирается на усредненные оценки модуля градиента поля и априорные сведения о статистических характеристиках ошибок измерения значений поля и ошибок картографирования. При условии нормальности и независимости ошибок измерений эти оценки совпадают с нижней границей точности из неравенства Рао-Крамера [10]. В результате проведенных вычислений теоретическая нижняя граница точности оценивания (СКО ошибки) составила 25 м.


Рис. 3. Восстановленый участок карты поля (участок 1) и его 3D-представление

Заключение
1. Имеющиеся экспериментальные данные свидельствуют о том, что автономный подводный робот как хорошо стабилизированная платформа позволяет производить морские гравитационные измерения с точностью порядка единиц мГал и точностью навигационной привязки порядка единиц метров.
2. Высокая эффективность автоматизированной съемки локальных гравитационных полей (аномалий) обеспечивается путем покрытия области обследования планомерной сетью траекторий с параметрами, необхдимыми для последующего восстановления и картографирования аномального поля. Компьютерное моделирование гравиметрических процедур с использованием динамической модели подводного робота дает результаты, согласующиеся с данными экспериментальных исследований.
3. Программный комплекс для восстановления карты поля по результатам траекторных измерений с учетом результирующей ошибки измерений позволяет оценить точность (информативность) навигации по аномальному полю с ошибкой 30 м.

Литература
1. Агеев М.Д., Касаткин Б.А., Киселев Л.В., Молоков Ю.Г., Никифоров В.В., Рылов Н.И. Автоматические подводные аппараты. Л.: Судостроение, 1981, 223 с.
2. Агеев М.Д, Киселев Л.В., Матвиенко Ю.В. и др. Автономные подводные роботы. Системы и технологии / под общей ред. М.Д. Агеева. М.: Наука, 2005. 400 с.
3. Агеев М.Д. Автономный подводный аппарат – идеальная прецизионная платформа для подводных гравиметрических измерений // Подводные исследования и робототехника. 2009. №1 (7). С. 4–8.
4. Ageev M. D. AUV-a precise platform for underwater gravity measurement//Proc.of IEEE OCEANS ’94. V.1. Brest, 1994.
5. Железняк Л.К., Конешов В.Н. Изучение гравитационного поля Мирового океана//Вестник РАН, 2007, том77, №5
6. Zumberge M.A., Hildebrand J.A., Stevenson J.M. Submarine measurements of the Nevtonian gravitational constant // Physical review letters. 1991. V. 67. №22.
7. James C. Kinsey, Maurice A. Tivey and Dana R. Yoerger. Toward High-Spatial Resolution Gravity Surveying of the Mid-Ocean Ridges with Autonomous Underwater Vehicles. WHOI Deep Ocean Exploration Institute and a WHOI Green Innovation Technology Award. 2009.
8. Zumberge M.A., Sasagawa G., Zimmerman R., Ridgway J. Autonomous Underwater Vehicles Borne Gravity Meter. Patent Application Pub.No.: US 2010/0153050 A1, Jun.17, 2010.
9. Аверин В.А., Костоусов В.Б. Новый метод оценки информативности геофизического поля //Материалы XХVIII конференции памяти Н.Н.Острякова. – СПб.-ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2012. С.47.
10. Степанов О.А., Торопов А.Б. Методы нелинейной фильтрации в задаче навигации по геофизическим полям. Ч.1. Обзор алгоритмов//Гироскопия и навигация, 2015, №3(90), с.102-125.




 Доктор технических наук, главный научный сотрудник.
 Старший научный сотрудник.
 Кандидат физ-мат. наук, заведующий отделом.
 Старший программист.









13PAGE 15






Proof Setup Proof Setup!HP LaserJet Professional P1606dn

Приложенные файлы

  • doc 6962079
    Размер файла: 954 kB Загрузок: 1

Добавить комментарий