Усі книги і методички

где i — индекс точек приведения В, A, G.

Значение AiM, DiM получим из решения обратной геодезической задачи по координатам точек приведения (В, A, G) и приближенным координатам φМ, λМ маяка-ответчика М3.

Последующее решение осуществляется методом наименьших квадратов по формулам (5.97) — (5.99) в предположении, что в ограниченном районе и при одинаковых погрешностях измерения гидроакустических расстояний все три линии положения равноточны.

Обозначим

Если нет оснований для отнесения линий положения к категории равноточных, вычисляются их веса по (5.86), а решение осуществляется согласно (5.102) —(5.104) применительно к системе географических координат.

Среднюю квадратическую погрешность определения места МО или элементы эллипса погрешностей в случае равноточных линий находят по (5.106) и (5.91), а при обработке неравноточных линий по (5.116) и (5.115) соответственно.

В. Определение окончательной глубины установки МО

При установке МО в назначенные точки дна обязательно измеряется и фиксируется глубина z'. Однако в результате сноса течением или некоторого смещения якорного устройства по наклонной поверхности дна координаты МО и глубина могут измениться. Поэтому после завершения работ по установке всех знаков триады необходимо получить достоверную и наиболее точную информацию о действительной глубине каждого МО. При этом необходимо иметь в виду, что в последующем при использовании «СНП-20» измеренные наклонные расстояния Si будут приводиться к горизонтальным расстояниям Dt по формуле (11.22), и при неточном знании глубины существенно искажать определяемые координаты.

Для определения окончательной глубины z используется способ, получивший название «Лист клевера» по очертаниям траектории судна, ведущего измерения (рис.

63).

Рис. 64 В этом способе, ориентируясь по координатам МО, прокладывают путь судна с таким

расчетом, чтобы пройти непосредственно над установленным знаком, и ведут частые измерения расстояния до него с помощью бортовой аппаратуры НГС. Определяют точку 1, в которой расстояние оказалось минимальным, и разворачивают судно таким образом, чтобы выйти на эту точку курсом, нормальным к первому отрезку. Определяют точку 2, где расстояние до МО снова окажется минимальным. Произведя несколько витков подобного маневрирования, принимают в качестве измеренной глубины zИЗМ установки МО наименьшее из всех расстояний Si.

Окончательное значение глубины z донного МО определяют после введения необходимых поправок (см. § 49).

Оценку средней квадратической погрешности mz глубины, полученной рассмотренным способом, рассчитывают по формуле

где mS — средняя квадратическая погрешность измерения наклонных расстояний; mПП — средняя квадратическая погрешность прокладки пути судна в процессе

маневрирования.

Г. Калибровка гидроакустической системы В результате решения первых двух задач геодезической подготовки получают координаты φ, λ и

глубины z донных МО. Однако, как уже отмечалось, невысокая точность географических координат вынуждает использовать местную прямоугольную систему координат, относительное положение точек в которой можно определить с большей точностью. Для создания такой местной системы должны быть определены с высокой точностью плановые элементы триады, к которым относят длины баз D и их азимуты А.

Процесс определения плановых элементов триады по непосредственным измерениям расстояний с помощью гидроакустической аппаратуры НГС получил название калибровки.

Рис. 64 Сущность калибровки иллюстрируется на рис. 64 и заключается в определении точек К1, К2, К3, для

которых гидроакустические расстояния до соответствующих МО оказываются минимальными, а также точек N1, N2, в которых минимальными становятся суммы расстояний между парами МО, образующими данную базу. С этой целью прокладывают прямой курс К и пересекают площадь расположения знаков, следуя постоянной скоростью и производя частые измерения расстояний до обоих МО каждой базы. На пересечении баз в точках N1, N2 суммы расстояний M1N1 + N1M2 и M2N2 + N2M3 будут минимальными и равными длине этих баз D12 и D23 соответственно.

Дискретный характер измерения расстояний в общем случае не позволяет точно зафиксировать наступление указанных минимальных величин. Однако эту задачу можно решить графическим или аналитическим приемами. В первом случае строится график, на одной из осей которого представлена равномерная шкала времени, а на другой шкала расстояний. Точка перегиба, полученная соединением дискретных точек плавной кривой, и даст отметку искомого минимального расстояния. Во втором случае получают более точное значение минимальных наклонных расстояний с помощью формул параболической или сплайновой интерполяции (4.61) — (4.64). По уточненным наклонным расстояниям Sij получают затем их горизонтальные аналоги Dij по формуле (11.22).

Тогда

представляют искомые длины баз между маяками-ответчиками М1М2 и М2М3 соответственно.

За счет методических, инструментальных погрешностей и погрешностей, вносимых внешней средой, расстояния Dij окажутся отягощенными случайными и остаточными погрешностями (основные систематические погрешности устраняются введением поправок). Для повышения точности определяемых плановых элементов процедуру измерений повторяют многократно пересечением сторон триады при различном их сочетании (1—2; 1—3; 2—3). Обрабатывая обычными приемами весь ряд измерений, определяют вероятнейшие величины баз

(D12, D13, D23) и принимают их в качестве истинных.

Обратимся теперь к прямоугольному треугольнику М1K1N1; здесь известны длины сторон: М1К1 = (Dmin)K1 и M1N1 = (Dmin)N1,M1. Обозначим через β' и β'' смежные углы между линией курса К и направлением базы М1М2. В прямоугольном треугольнике N1K2M2 известны стороны: К2М2 = (Dmin)K2 и N1M2 = (Dmin)N1,M2.

Указанные элементы позволяют использовать теорему синусов и получить значения смежных углов β' и

Подобным приемом определяют и азимуты баз A13 и A23.

Д. Определение координат МО в местной прямоугольной системе Взаимное положение различных точек, определяемых в пределах рабочей зоны НГС, может быть

получено с более высокой точностью, если вместо географической использовать местную прямоугольную систему координат η, ψ. Это связано с тем, что в местной системе координаты маяков-ответчиков определяются полученными при калибровке величинами баз триады, что позволяет определить их взаимное положение с более высокой точностью, чем по географическим координатам. В местной прямоугольной системе в качестве оси η принимается направление базы D12 между первым и вторым МО; ось ψ нормальна к базе D12 (рис. 65).

Рис. 65 Начало координат совпадает с точкой установки маяка-ответчика М1. В этой системе координаты

маяков-ответчиков определяются следующими значениями

Определим величины η3 = а, ψ3 = b из прямоугольного треугольника M1OM3

Известное из калибровки значение направления стороны А12 позволяет легко перейти от местной системы координат η, ψ к системе прямоугольных координат Гаусса с сохранением произвольного начала в точке М1 или с переносом в обычное начало на пересечении осевого меридиана и экватора по формулам

(5.48).

РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ

ПРОИЗВОДСТВО ГИДРОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Глава 12 ИЗМЕРЕНИЕ ГЛУБИН

§ 47. СРЕДСТВА ДЛЯ СЪЕМКИ РЕЛЬЕФА ДНА

1. Основные требования

С давних времен основной объем информации о подводном рельефе получают путем измерения глубин.

По мере развития мореплавания, совершенствования кораблей и увеличения их тоннажа росли требования к знанию рельефа дна, что и служило основным стимулом для создания различных средств.

К современным средствам для съемки рельефа дна предъявляется множество требований, главными среди которых являются:

—возможность надежных измерений в пределах всего диапазона глубин Мирового океана (0 - 12000м);

—высокая разрешающая способность и точность, обеспечивающие нужды картографирования, решения научных и производственных задач;

—возможность производства съемки с помощью быстро перемещающихся аппаратов;

—непрерывность работы съемочных средств в течение длительного времени;

—автоматическое документирование результатов съемки на технических носителях и представление на устройствах отображения в реальном масштабе времени;

—высокая производительность, определяемая площадью съемки в единицу

времени;

—технологическая совместимость с приборами автоматизированных систем сбора и обработки гидрографической информации;

—надежность, помехоустойчивость, простота и удобство использования;

—ограниченные габариты, вес и потребление энергии;

—небольшая стоимость аппаратуры и ее эксплуатации. Перечисленные требования трудно реализовать в одном устройстве. В силу этого существуют и разрабатываются многие средства, различающиеся не только конструктивными особенностями, но и физическими принципами.

В соответствии с физическими принципами средства для съемки рельефа дна делятся на три группы: механические, гидроакустические и оптические. Дадим краткую характеристику каждой из названных групп.

§47. СРЕДСТВА ДЛЯ СЪЕМКИ РЕЛЬЕФА ДНА

2.Механические средства

Вэтой группе средств глубины фиксируются в линейной мере непосредственно с помощью механических эквивалентов длины.

Вкачестве первых механических приборов для измерения глубин использовались шесты и тросы. В дальнейшем с увеличением глубины механические устройства для опускания и подъема тросов с грузами становились все более громоздкими и сложными, но принцип измерения сохранялся неизменным. Из многочисленных приборов этой группы до наших дней дошли лишь самые простые: ручной лот и наметка.

Измерение глубины ручным лотом состоит в отсчете длины лотлиня, вытравленного за борт под тяжестью свинцового груза, названного лотом. Отсчет производят в момент, когда лот достигает дна. Ручным лотом измеряют небольшие глубины вдоль причальных стенок, на отмелях, где возможно перемещаться только с помощью шлюпок, а также при промере со льда и в процессе тарирования эхолотов.

Наметка представляет собой еловый, бамбуковый или алюминиевый шест круглого сечения длиной до 6 м и диаметром 5см. По всей длине наметки наносятся деления через 10см. Для измерения глубин на участках с мягким грунтом нижний конец наметки оборудуют плоским диском (башмаком) диаметром 10 - 12см.

С помощью наметки измеряют глубины до 5м на отдельных подводных опасностях, при производстве промера в труднодоступных для плавания местах, а также в мелководных районах с обилием водорослей.

3. Гидроакустические средства Эта группа средств основана на закономерностях распространения акустической

энергии в морской воде и отражения акустических волн от поверхностей более плотных сред.

Гидроакустические средства в наибольшей степени отвечают перечисленным выше требованиям и в настоящее время являются основными при съемке подводного рельефа. В их составе различают три основных класса: эхолоты, многолучевые гидроакустические устройства и эхографы бокового обзора.

А. Эхолоты Эхолот - судовой навигационный прибор для измерения глубин. Представляет

собой однолучевое гидроакустическое устройство, предназначенное для измерения вертикальных расстояний от излучателя до дна по скорости и распространения звука в воде. Глубину z получают путем регистрации интервалов времени t, в течение которых акустический импульс проходит расстояние от излучателя до дна и возвращается обратно

Применяют два способа точного измерения небольших промежутков времени: механическую и электронную развертки. При механической развертке моменты излучения звуковых импульсов регистрируют на эхограмме в виде прямой линии, служащей началом отсчета, а моменты приема отраженных импульсов в виде профиля дна.

При электронной развертке время между посылкой и приемом сигнала регистрируется с помощью высокостабильных генераторов кодовых импульсов на цифровых указателях глубин (ЦУГ) либо на технических носителях данных, либо передается непосредственно в ЭВМ для последующей обработки.

Приведенные выше требования к средствам измерения глубин невозможно реализовать в одном приборе. Поэтому в арсенале гидрографов имеются различные типы эхолотов, каждый из которых имеет ограниченное назначение. Возможности эхолотов принято оценивать некоторым количеством тактико-технических параметров:

диапазоном измеряемых глубин, направленностью излучения, разрешающей способностью, частотой посылок импульсов, инструментальной точностью. Все указанные параметры зависимы и, следовательно, их подбирают так, чтобы с помощью данного типа эхолота наилучшим образом решалась узкая задача.

По диапазону измеряемых глубин эхолоты делят на мелководные (промерные), предназначенные для измерения глубин до 200-500м (ПЭЛ-3, ПЭЛ-4);

среднеглубинные (навигационные) - для глубин до 2000м (НЭЛ-10); глубоководные -

для глубин до 12000м (ГЭЛ-3). .Для промера на реках и озерах используют или промерные (ПЭЛ-4, ПЭЛ-5), или специальные речные эхолоты (ИРЭЛ).

Увеличение точности измерений и разрешающей способности эхолотов, а также улучшение других свойств достигается, в частности, путем направленного излучения

максимума до нуля. Различают эхолоты с широкой и нормальной диаграммой, а также узколучевые (прецизионные) эхолоты.

тем чтобы можно было измерять глубины в условиях небольшой качки.

У прецизионных эхолотов угол излучения составляет 2 - 1° и менее. Поэтому здесь принимаются меры для удержания оси диаграммы вдоль отвесной линии с помощью гиростабилизирующих устройств.

Разрешающей способностью эхолотов называют минимальное расстояние между объектами, при котором последние регистрируются раздельно. Разрешающая

способность l может быть определена по формуле l 0,5

где τ —длительность импульса.

У современных эхолотов τ колеблется в пределах от 10-4 до 10-5 с. Частота посылок импульсов fп - другой параметр эхолотов, оказывающий непосредственное влияние на детальность съемки рельефа дна. Она ограничивается максимальной глубиной zmax, для измерения которой предназначен эхолот, и может быть получена путем очевидных преобразований (12.1)

где VС — скорость судна при съемке рельефа, м/с-1.

Так, при zmax=200м, υ=1500м/с-1, VС=10 уз, получим S=1,4м.

Точность глубин, измеренных эхолотом, зависит от большого числа погрешностей. Выделим среди них инструментальные, внешние и методические. Выявление, учет и оценка внешних и методических погрешностей составляют важнейшую задачу гидрографов в процессе съемки рельефа дна. Способы решения этой