Усі книги і методички

Вплив похибки у висоті антени прийомо-індикатора над поверхнею відносності – похибки в радіусі-векторі, що визначає в просторі положення суднової антени, складає близько 20 м.

Похибка у векторі швидкості судна спотворює значення радіальної швидкості, впливаючи в такий спосіб на точність визначення місцеположення. Застосування високоточних доплерівських акустичних лагів, як вимірників швидкості судна, і гірокомпасів для виміру курсу дозволяє локалізувати похибку у визначенні місцеположення, викликану даним джерелом, у межах

50-100 м.

Вплив атмосфери на результати вимірів геометричних параметрів виявляється в скривленні траєкторії і зміні швидкості поширення радіохвиль у процесі проходження їх через іоносферу і тропосферу, причому вплив іоносфери в даному випадку є переважним. Так, при вимірі відстаней на радіохвилях дециметрового діапазону іоносферна похибка може скласти кілька сотень метрів, а при використанні метрових хвиль вона може досягти десятка кілометрів.

Розглянуті явища обумовлені зміною коефіцієнта переломлення атмосфери з висотою. При цьому розподіл іоносферного коефіцієнта переломлення визначається вертикальним градієнтом електронної концентрації. Значення електронної концентрації, як і значення її вертикального градієнта, змінюються в широких межах у залежності від освітленості траси, широти пункту спостережень, сезону, фази сонячної активності і інших причин. Закони цієї зміни дуже складні і тому спрогнозувати їх із достатньої для практичного використання точністю не вдається. Не вдаються, отже, і попередні обчислення іоносферних помилок і корекція результатів вимірів із метою їхнього врахування.

Однак вплив іоносфери на результати вимірів геометричних величин і результати визначення місцеположення судна можна значно зменшити, якщо виконувати виміри на двох когерентних частотах. В основу даного методу послаблення впливу іоносфери, що отримали назву методу двочастотної корекції, чи, інакше, дисперсійного методу, покладена залежність викривлення іоносферою частотної характеристики прийнятого сигналу від частоти випромінювання, тобто явище іоносферної дисперсії.

Вплив на результати вимірів тропосферної рефракції враховують шляхом введення поправок, що підраховуються з використанням параметрів стандартної моделі тропосфери чи безпосередньо виміряних на судні метеоданих. Залишковий вплив атмосфери на результати визначення місцеположення не перевищує 5 м.

Окрім зазначених, на результати визначення місцеположення судна за допомогою супутникових навігаційних систем впливають: неврахування руху полюсів Землі ~10 м, неврахування діючих на супутник сил ~20 м. Сумарний

107

вплив усіх перерахованих джерел при відсутності кореляції між породжуваними ними похибками оцінюється величиною порядку 60-100 м.

5.8. Супутникова альтиметрія

Під супутниковою альтиметрією розуміють метод визначення висот геоїда на акваторії Світового океану відносно земного еліпсоїда. В цьому методі використовують альтиметр, який розміщений на борту супутника. Відстань між супутником і хвильовою поверхнею моря ha вимірюють за допомогою радіохвиль (рис. 32).

Підставою для таких визначень є рівняння спостереження

де: е – перший ексцентриситет прийнятого еліпсоїда обертання; r – радіус-вектор супутника;

rр – радіус-вектор точки Р еліпсоїда; В – геодезична широта точки Р;

N – висота геоїда;

ha – виміряна відстань між супутником і поверхнею моря; δh – відхилення хвильової поверхні моря від геоїда.

За фотографічними, доплерівськими, лазерними та іншими спостереженнями супутника зі станцій слідкування визначають параметри орбіти супутника, за якими отримують його геоцентричні координати для моменту спостереження.

Враховуючи, що супутникова альтиметрія основана на вимірюванні відстаней від супутника до миттєвої поверхні океану, яка не співпадає із середнім рівнем моря і поверхнею геоїда, можна зробити висновок про можливість застосування цього методу для дослідження поверхні Світового океану.

Використовуючи дані про параметри орбіти ШСЗ GEOS-3 виконані визначення висот геоїда в південній частині Тихого океану і побудована карта з вертикальним перерізом 1 м (рис. 4). За даними середніх значень аномалій сили ваги трапецій 1º*1º, які отримані з сумісного опрацювання супутникових висотомірних і наземних гравіметричних визначень, побудована карта висот геоїда Світового океану з перерізом 2 м. точність карти складає 0,5-2 м.

108

Рис. 32. Метод супутникової альтиметрії

109

Розділ 6. Гідроакустичні вимірювання в морській геодезії

Найбільш розповсюдженою апаратурою для знімання морського дна є гідроакустична апаратура. Вона використовується для виконання всіх можливих видів геодезичних робіт в гідросфері. За конкретним призначенням гідроакустичні засоби розділяють на групи: гідролокаційна, навігаційна, науково-дослідна.

До гідролокаційної групи відносять ехолоти та гідролокатори, до навігаційної – гідроакустичні лаги та засоби для визначення координат пунктів, до науково-дослідної – прилади для вимірів швидкості звуку у воді.

6.1. Ехолоти

Ехолоти використовують для вимірів: висот точок донного рельєфу при топографічному зніманні дна океанів, морів та внутрішніх водоймищ; глибин автономних підводних апаратів і акустичних знімальних приладів; глибин в точках встановлення донних гравіметрів. Усі типи ехолотів складаються з центрального приладу, вібратора-випромінювача і вібратора-приймача. В центральному приладі розміщені основні вузли ехолота, що призначені для формування посилочних імпульсів, перетворення відбитих імпульсів та реєстрації глибини. Принцип виміру глибини ехолотом полягає у визначенні проміжку часу t між посиланням ультразвукового сигналу та його прийомом після проходження відстані від вібратора-випромінювача до дна і назад до вібратора-приймача. В момент посилання імпульсу на рухомій стрічці самописця пером або спіраллю робиться нульова відмітка. Отриманий ехоімпульс після перетворення та підсилення поступає на перо самописця, яке за час проходження імпульсу переміщується на кут або відстань, пропорційній цьому часу. На стрічці, в місці дотику з пером, випалюється мітка, що відповідає виміряній глибині. Відстань на стрічці між нульовою відміткою та відміткою відбитого імпульсу, співвідношена з масштабом запису, дає виміряну глибину. При постійній роботі ехолота на стрічці утворюється безперервний запис лінії нуля та лінії профілю дна. Виміряна глибина z визначається з виразу

де: v – швидкість звуку у воді,

L – довжина бази між вібраторами.

Різноманітність типів ехолотів, суттєві розбіжності властивих їм ознак та характеристик обумовлює можливість, а для користувачів і необхідність їх класифікації. В табл. 6.1 наведено опис деяких типів сучасних ехолотів. Єдиного підходу до розділення ехолотної техніки на класи поки що не існує.

110

Найбільш часто існуючі типи ехолотів класифікують за наступними ознаками: за призначенням, за принципом дії, за діапазоном випромінювання, за частотою випромінювання, за точністю, за індикацією результатів.

За призначенням ехолоти розділюють на три групи: навігаційні, промірні, рибопошукові. Перші встановлюють на надводних судах та підводних човнах. Основне їх призначення – забезпечення безпеки плавання і уточнення свого місцеположення з виміром глибини. Основним призначенням промірних ехолотів є вимір глибин з метою картографування, розв’язання задач морської геодезії, морської геології, морської геофізики, гідрології, гідроакустики. Призначення рибопошукових ехолотів визначається їх назвою.

За принципом дії ехолоти розділюють на гідроакустичні і лазерні. Гідроакустичні ехолоти бувають двох різновидів: магнітострикційні і п’єзоелектричні. Перші основані на перетворенні електромагнітних коливань в звукові і назад за допомогою спеціальних вібраторів. В других використовується ефект появи змінних електричних зарядів на електродах приймача при впливі на нього змінного звукового тиску. Лазерні ехолоти – ладари, що працюють на принципі світлової локації, призначені для подвійного виміру відстаней – через повітря і воду.

За діапазоном дії ехолоти розділюють на глибоководні, океанічні, морські та річкові. Глибоководними ехолотами вимірюють найбільші глибини океанів. Океанічні ехолоти діють до глибин 2-6 км. Морські ехолоти забезпечують виміри в межах шельфу та частин берегового схилу до глибин 300-500 м. Річкові (катерні) ехолоти працюють до глибин 50-100 м. При глибинах до 20 м виміри глибин виконують за допомогою наметки або ручного лота. Точність вимірів в даному випадку залежить від типу грунту, наявності рослинності, течій та хвилювання. Вона характеризується похибками 5-10 см на глибинах до 5 м та 10-20 см – на більших глибинах.

За частотою випромінювання ехолоти, що працюють на гідроакустичному принципі, розділюють на звичайні, високочастотні та низькочастотні. Перші призначені для вимірів більшої частини глибин (нагадаємо, що глибини до 6 км складають в Світовому океані біля 99%). Ці ехолоти мають частоту випромінювання порядку 50 кГц. Високочастотні ехолоти, що застосовуються в основному на мілководді, мають частоту коливань у 2-3 рази вищу. Глибоководні ехолоти працюють на більш низьких частотах (10-20 кГц), що дозволяє підвищувати проникливу спроможність імпульсів випромінювання.

Індикація результатів вимірів в ехолоті може бути візуальною або документальною. При візуальній індикації відліки знімаються з відповідних цифрових табло або фіксуються спалахи неонової лампи у відповідному місці шкали глибин. Документальна індикація здійснюється в аналоговій формі – на стрічці самописця, або в цифровій – друк на стрічку або промірний планшет. Останнім часом вся інформація в основному передається прямо в ЕОМ або комп’ютер.

111

112

6.2. Похибки визначення глибин ехолотом

Як і будь-які виміряні величини, глибини, що вимірюються ехолотом, обтяжені систематичними і випадковими похибками. Систематична частина похибки зводиться до мінімуму таруванням ехолота або визначенням поправки за гідрологічними даними. Випадкова складова, сумісно з неврахованою систематичною, характеризують точність виміру глибини ехолотом. Систематичні похибки виникають внаслідок:

1)відхилення фактичної швидкості звуку від розрахункової;

2)відхилення фактичного числа обертів електродвигуна від розрахункового;

3)незбіг площини вібратора ехолота з поверхнею води;

4)наявності бази між вібратором-випромінювачем та вібраторомприймачем;

5)незбіг моменту посилання звукового імпульсу вібратором і моменту його реєстрації на ехограмі у вигляді лінії нуля;

6)зміни осадки судна на ходу;

7)нахилу дна.

Кожна з перелічених похибок може бути розрахована та вилучена шляхом введення відповідної поправки. Величини поправок можна підрахувати за наступними формулами:

1) за відхилення швидкості розповсюдження звуку

2) за відхилення обертів електродвигуна

3) за незбіг площини вібратора ехолота з поверхнею води

zв H Hп h;

4) за базу між вібраторами

(у ехолотів з моновібраторами ця поправка відсутня); 5) за незбіг моменту посилання та реєстрації звукового імпульсу (за місце

нуля)

zМО zл (zе zв zL );

6) за зміну осадки судна на ходу

z0 Нпр Нст;

7) за нахил дна

113

У наведених формулах прийняті позначення:

zе – глибина, виміряна ехолотом при наявності бази між вібраторами; z – глибина, виміряна ехолотом з моновібратором;

zл – глибина, виміряна дротовим лотом;

zн – глибина, виміряна ехолотом до найближчої точки нахиленої ділянки

дна;

v0, v – розрахункова і фактична вертикальні швидкості розповсюдження звуку;

n0, n – розрахункове і фактичне число обертів електродвигуна;

Н, Нп – відстані по вертикалі від палуби до кіля (надане в паспорті судна) та від палуби до горизонту води;

h – відстань від кіля до вібраторів (надане в паспорті судна); L – відстань між вібраторами (база);

Нпр, Нст – осадка судна на ходу під час проміру та на стоянці;- кут нахилу дна.

Оцінимо вплив деяких похибок на сумарну похибку. Похибка за незбіг фактичної та розрахункової швидкості розповсюдження звуку у воді зростає зі збільшенням глибини та величини v від v0. При відхиленні швидкості розповсюдження на 15 м/с систематична складова похибки виміряної глибини буде дорівнювати 1% від глибини. У аналогічній залежності знаходяться виміряні глибини і по відношенню до відхилення фактичного числа обертів електродвигуна від розрахункового. Відхилення числа обертів від номіналу на 1% викликає зміну глибини приблизно на таку ж величину. Величина заглиблення вібратора повністю входить в систематичну складову похибку виміряної глибини. Похибки за базу мають невелику величину. Вони враховуються тільки при промірах малих глибин ехолотами, які мають базу до 2 м. Похибка за просідання враховується також тільки при вимірах малих глибин. Поправка для вилучення цієї похибки визначається шляхом багаторазового виміру однієї глибини на ходу і на стопі. Похибка за неврахування нахилу дна при зніманні шельфу звичайно не враховується. Її величина при кутах нахилу дна до 8о мала, тому при виконанні проміру цією величиною нехтують.

6.3. Визначення поправок у виміряні глибини ехолотом

Як було вказано раніше систематичну частину похибки виміру глибини можна виявляти шляхом проведення тарування ехолоту. Суть тарування полягає у визначеннях глибин, отриманих ехолотом, і порівняних з глибинами, виміряними еталонними приладами. Тарування виконується на таких

114

горизонтах: 2, 3, 4, 5, 7, 10, 15, 20, 30, 40, 50 і 60 м. На глибинах більше 60 м

тарування не рекомендується. Діючими нормативними документами передбачено виконання тарування трьома способами: за допомогою контрольної дошки, за допомогою контрольного вібратора і, як виключення, за грунтом. Визначення поправок ехолота на глибинах більше 60 м здійснюється шляхом розрахунку та підсумування впливу всіх поправок. При цьому поправка за просідання не враховується, а поправка за швидкість розповсюдження звуку розраховується на основі гідрологічних даних.

Точність виміру глибин тісно пов’язана з частотою випромінювання, а остання визначається діапазоном дії ехолота. В даному випадку маємо, що чим на більші глибини розрахований ехолот, тим нижча частота випромінюваємих акустичних коливань і нижча точність визначень глибин. При цьому слід зауважити, що точність виміру глибин визначається, по-перше, відносною похибкою, яка залежить від глибини і в більшій степені визначається неточністю знання фактичної швидкості розповсюдження звуку у воді, подруге, дозвільною спроможністю ехолоту. Доведено, що похибка за рахунок неточності знання реальної швидкості звуку у воді може сягати 0,5% від виміряної глибини. Дозвільна спроможність ехолота залежить від ряду причин

– частоти випромінювання та масштабу запису результатів вимірів. Останнім часом при вимірах великих глибин застосовують ехолоти з записом на широкій стрічці самописця, що дозволяє фіксувати океанські глибини з похибкою біля 1 м. Такі ехолоти мають високу стабільність роботи. В літературі їх називають прецизійні.

6.4. Гідролокатори

На відміну від ехолотів, що зондують водне середовище у вертикальному напрямку, гідролокатори функціонують на принципі бічного огляду та забезпечують отримання інформації про рельєф дна не тільки під кілем судна на промірних галсах, а і у побічній зоні уздовж простору його маршруту – у міжгалсових просторах. Гідролокатори мають ряд позитивних якостей: висока працездатність, надійне виявлення характерних форм та елементів донного рельєфу, висока дозвільна спроможність, відтворення знімальної поверхні у традиційному для геодезичного виробництва вигляді, відсутність необхідності у просторовій стабілізації акустичного випромінювання.

Як і ехолот, гідролокатор працює за принципом випромінювання та прийому відбитих ультразвукових хвиль. Визначення відстані до виявленого об’єкту зводиться до виміру малих проміжків часу між моментом посилання та повернення відбитого сигналу. Вібратор, розміщений у виносному пристрої, посилає пучок променів, зібраних в конус. Шлях, що проходить ультразвуковий імпульс, відповідає подвійній відстані між вібратором і об’єктом.

115

Завдяки направленому випромінюванню та прийому імпульсів при горизонтальному огляді можна визначити напрям звукового конуса відносно діаметральної площини судна – курсового кута (КК). Знаючи істинний курс (ІК) судна можна отримати істинний пеленг (ІП) об’єкту

ІП = ІК – ККлб, ІП = ІК + ККпб,

де індекси лб і пб означають лівий і правий борти судна. Гідролокатори розділяють:

а) за характером спостережень – на станції крокового пошуку, колового та бічного огляду;

б) за режимом випромінювання енергії – на імпульсні і безперервного випромінювання;

в) за місцем встановлення вібраторів – на підкільові та буксирувальні.

Вгідролокаторах крокового пошуку ультразвукова енергія розповсюджується в межах направленого конусу. Сканування цього конуса в горизонтальній площині здійснюється обертанням вібратора. В гідролокаторі колового огляду випромінювання ненаправлене, а прийом відбитого імпульсу направлений. Переваги останніх полягають у менших витратах часу на обстеження довколишнього простору, меншої ймовірності пропуску шуканих об’єктів, можливості знаходження відразу декількох об’єктів. Недоліком гідролокаторів колового огляду є менша точність визначення відстаней та напрямів. Гідролокатори бічного огляду мають дві акустичні антени. Характеристики направленості антен орієнтовані перпендикулярно до діаметральної площини носія з двох сторін від його бортів. Обстеження поверхні дна здійснюється при русі носія вперед за смугами, паралельними курсу руху.

Востанні роки при виконанні морських знімальних робіт почали застосовувати акустичні голографічні системи. Їх застосування дозволяє прискорити процес виявлення об’єктів на дні моря та дає можливість сформувати видиме зображення предмету за його акустичним невидимим зображенням.

Розглянуті ехолоти і гідролокатори відносяться до ультразвукової техніки. Останнім часом для вивчення окремих важливих ділянок морського дна застосовується лазерна апаратура. Розвиток лазерної техніки йде в двох напрямах: створення апаратури для виявлення підводних об’єктів і створення лазерних вимірювачів глибини. Слід зауважити, що направленість випромінювання лазера значно перевищує направленість гідролокаційних пристроїв. Другою перевагою лазерів перед гідролокаторами є миттєва швидкість розповсюдження світлового променю. Велика дозвільна спроможність лазерного променю дозволяє отримувати телевізійні зображення дна, оглядати ґрунт, вивчати мікроформи рельєфу.

116