Современные методы и средства измерения параметров гравитационного поля Земли

Рассматриваются основные современные средства и методы измерения параметров гравитационного поля Земли. Описываются технические средства измерения силы тяжести, в том числе наземные, морские, воздушные и космические, с акцентом на отечественные технологии.
Подробно излагаются методы обработки данных при проведении измерений аномалий силы тяжести на подвижном основании. Приводится постановка и решение задачи оптимальной фильтрации и сглаживания. Формулируется задача структурной и параметрической идентификации, решение которой обеспечивает информацию о моделях оцениваемых аномалий и погрешностей используемых измерителей, необходимую при реализации оптимальных алгоритмов. Описывается предлагаемый алгоритм решения задачи идентификации, основанный на использовании методов нелинейной фильтрации и фактически придающий процессу оценивания и самим алгоритмам адаптивный характер.
Значительное внимание уделено методам определения и расчета уклонений отвесной линии. Описана их специфика, и проведен качественный сравнительный анализ.
Излагаются особенности изучения гравитационного поля в труднодоступных районах Земли. Рассматриваются модификации аппаратуры и программно-математического обеспечения для всеширотного применения. Представлены результаты гравиметрических работ в труднодоступных районах.
Описываются и анализируются перспективные методы изучения гравитационного поля, в том числе одновременное определение аномалии силы тяжести и уклонений отвесной линии (векторная гравиметрия), а также обсуждаются спутниковые методы. Рассматривается современное состояние таких перспективных направлений, как гравитационная градиентометрия и гравиметры на холодных атомах.
Сопоставляются современные модели гравитационного поля Земли, и обсуждается их использование в различных прикладных задачах, включая задачу навигации по геофизическим полям.
Книга адресована инженерам и научным работникам, чьи интересы связаны с проблемами измерения параметров гравитационного поля Земли, а также аспирантам, специализирующимся в рассматриваемой области. Кроме того, материал будет полезен специалистам в области разработки и использования навигационных систем, в том числе инженерам — разработчикам гравиметрических приборов и штурманам — специалистам в области практической навигации.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1. Технические средства измерения силы тяжести
Введение
1.1 Абсолютные гравиметры. Средства измерения и вопросы метрологии
1.1.1 Виды абсолютных баллистических гравиметров и их конструкции
1.1.2 Источники погрешностей и поправки в измерениях абсолютными баллистическими гравиметрами
1.1.3 Метрологическое обеспечение абсолютных гравиметров
1.1.4 Международные сличения абсолютных гравиметров
1.1.5 Результаты сличений абсолютных гравиметров
1.1.6 Практические приложения абсолютных измерений ускорения свободного падения
Заключение к разделу 1.1
1.2 Особенности построения относительных гравиметров серии «Чекан»
1.2.1 Состав и структура гравиметра
1.2.2 Чувствительный элемент гравиметра
1.2.3 Двухосная гироплатформа гравиметра
1.2.4 Математическая модель чувствительного элемента гравиметра
1.2.5 Алгоритмы коррекции гироплатформы
1.2.6 Особенности калибровки и поверки гравиметра «Чекан-АМ»
Заключение к разделу 1.2
1.3. Особенности построения относительных гравиметров серии GT-2
1.3.1 Состав и структурная схема гравиметра
1.3.2 Чувствительный элемент гравиметра
1.3.3 Схема коррекции углового положения гироплатформы гравиметра
1.3.4 Математические модели каналов инерциальных чувствительных элементов
1.3.5 Анализ основных погрешностей гравиметра
1.3.6 Основные задачи, решаемые в центральном процессорном устройстве гравиметра
Заключение к разделу 1.3
Глава 2. Методы обработки данных при проведении измерений аномалий ускорения силы тяжести на подвижном основании
Введение
2.1 Программно-математическое обеспечение сбора и обработки данных гравиметров серии «Чекан»
2.1.1 Калибровка и диагностика аппаратуры гравиметра
2.1.2 Алгоритмы и программно-математическое обеспечение реального времени
2.1.3 Обработка морских гравиметрических измерений
2.1.4 Особенности обработки аэрогравиметрических измерений
2.1.5 Камеральная обработка результатов гравиметрической съемки
Заключение к разделу 2.1
2.2 Методы обработки данных в аэрогравиметрах серии GT-2
2.2.1 Задачи программно-математического обеспечения аэрогравиметрии
2.2.2 Программно-математическое обеспечение спутниковых навигационных решений
2.2.3 Программно-математическое обеспечение интеграции данных инерциальных и спутниковых навигационных систем
2.2.4 Программно-математическое обеспечение разрешения основного уравнения гравиметрии
Заключение к разделу 2.2
2.3 Методы оптимальной и адаптивной фильтрации и сглаживания при измерении аномалий силы тяжести на подвижном объекте
2.3.1 Общие постановка и решение задач оптимальной фильтрации и сглаживания
2.3.2 Оптимальные алгоритмы фильтрации и сглаживания при измерении аномалии силы тяжести на подвижном объекте
2.3.3 Стационарные алгоритмы оценивания и анализ их эффективности
2.3.4 Постановка и решение задачи структурной и параметрической идентификации при измерении аномалии силы тяжести на подвижном объекте
2.3.5 Результаты использования адаптивных алгоритмов фильтрации и сглаживания при измерении аномалии силы тяжести на летательном аппарате..
Заключение к разделу 2.3
2.4 Субоптималъное сглаживание при морской гравиметрической съемке гравиметром GT-2M
2.4.1 Алгоритмы оптимального и субоптимального сглаживания с постоянным запаздыванием для систем с непрерывным временем
2.4.2 Субоптимальный гравиметрический фильтр
2.4.3 Частотные свойства субоптимального гравиметрического фильтра
2.4.4 Результаты обработки экспериментальных данных
Заключение к разделу 2.4
2.5 Применение сферического вейвлет-разложения для комплексирования данных аэрогравиметрии и глобальных моделей гравитационного поля Земли 2.5.1 Сферическое вейвлет-разложение и многомасштабное представление аномального поля силы тяжести
2.5.2 Методика локального определения аномалии силы тяжести по данным аэрогравиметрии и глобальных моделей гравитационного поля Земли с использованием ее многомасштабного представления
2.5.3 Комплексирование многомасштабных представлений аномалии силы тяжести по данным аэрогравиметрии и глобальных моделей гравитационного поля Земли
2.5.4 Результаты обработки реальных данных
Заключение к разделу 2.5
Глава 3. Методы определения и расчета уклонений отвесной линии
Введение
3.1 Определение уклонений отвесной линии на подвижном основании
3.1.1 Основные методы определения уклонения отвесной линии
3.1.2 Особенности определения уклонения отвесной линии на подвижном основании
3.1.3 Классификационные признаки методов определения уклонения отвесной линии
3.1.4 Качественный сравнительный анализ методов
Заключение к разделу 3.1
3.2 Определение уклонений отвесной линии с использованием автоматизированного зенитного телескопа
3.2.1 Общие принципы определения астрономических координат в геодезической астрономии
3.2.2 Принцип действия и описание автоматизированного зенитного телескопа
3.2.3 Алгоритм определения составляющих уклонения отвесной линии автоматизированным зенитным телескопом и его погрешности
3.2.4 Натурные исследования экспериментального образца зенитного телескопа
Заключение к разделу 3.2
3.3 Инерциально-геодезический метод определения уклонений отвесной линии
3.3.1 Инерциально-геодезический метод при использовании позиционных и скоростных измерений
3.3.2 Использование ZUPT-технологии
3.3.3 Определение уклонений отвесной линии в высоких широтах
3.3.4 Результаты моделирования
Заключение к разделу 3.3
Глава 4. Особенности изучения гравитационного поля в труднодоступных районах Земли
Введение
4.1 Изученность гравитационного поля Арктики
4.1.1 Краткий исторический обзор отечественных гравиметрических работ в Арктике
4.1.2 Современная российская арктическая аэрогравиметрия
4.1.3 Современная зарубежная арктическая аэрогравиметрия
Заключение к разделу 4.1
4.2 Результаты гравиметрических работ в труднодоступных районах Земли с использованием гравиметров серии «Чекан»
4.2.1 Морские гравиметрические работы в полярных районах Земли
4.2.2 Региональные аэрогравиметрические съемки
4.2.3 Применение различных носителей для гравиметрических измерений
Заключение к разделу 4.2
4.3 Модификации гравиметров GT-2A для обеспечения всеширотности их применения
4.3.1 Применение многоантенных спутниковых навигационных систем
4.3.2 Квазигеографические координаты
4.3.3 Всеширотная модификация гравиметра GT-2A
4.3.4 Методика калибровки инструментальной погрешности датчика угла карданова подвеса
4.3.5 Результаты испытаний и эксплуатации
4.3.6 Результаты внедрения полярных модификаций гравиметров GT-2A
Заключение к разделу 4.3
Глава 5. Перспективные методы изучения гравитационного поля
Введение
5.1 Состояние и перспективы развития спутниковых методов изучения гравитационного поля
5.1.1 Слежение «высокий-низкий». Миссия CHAMP
5.1.2 Слежение «низкий-низкий». Миссия GRACE
5.1.3 Спутниковая гравитационная градиентометрия. Миссия GOCE
5.1.4 Перспективы развития спутниковых методов
Заключение к разделу 5.1
5.2 Векторная аэрогравиметрия на основе бескарданных инерциальных навигационных систем
5.2.1 Уравнения векторной аэрогравиметрии
5.2.2 Уравнения ошибок векторной аэрогравиметрии
5.2.3 Модели корректирующих измерений
5.2.4 Некоторые подходы к разрешению уравнений векторной аэрогравиметрии
5.2.5 Спектральный анализ точности векторной аэрогравиметрии
5.2.6 Алгоритм оценивания вектора возмущения силы тяжести на основе локальной гармонической модели
Заключение к разделу 5.2
5.3. Состояние и перспективы развития средств измерения вторых производных геопотенциала на подвижном основании
5.3.1 Принципы и проблемы измерения вторых производных геопотенциала
5.3.2 Градиентометры для высокоточной автономной навигации
5.3.3 Градиентометры для поиска полезных ископаемых
5.3.4 Градиентометры для космических миссий
5.3.5 Перспективные образцы гравитационных градиентометров
5.3.6 Расширение областей использования градиентометров
Заключение к разделу 5.3
5.4 Состояние и перспективы разработки гравиметров на холодных атомах
5.4.1 Основные физические принципы гравиметра на холодных атомах
5.4.2 Чувствительность и точность гравиметра на холодных атомах
5.4.3 Лазерное охлаждение атомов
5.4.4 Физическая реализация атомного интерферометра-гравиметра
5.4.5 Современные схемы атомных интерферометров
5.4.6 Гравиметр на холодных атомах, захваченных в оптическую дипольную ловушку
5.4.7 Перспективы развития гравиметров на холодных атомах
Заключение к разделу 5.4
Глава 6. Модели гравитационного поля Земли и их использование
Введение
6.1 Оценка точности современных моделей гравитационного поля Земли
6.1.1 Априорные оценки точности
6.1.2 Апостериорные оценки точности
6.1.3 Оценка точности моделей высот геоида
6.1.4 Оценка точности глобальных моделей гравитационного поля Земли в районе Арктики
Заключение к разделу 6.1
6.2 Использование модели гравитационного поля Земли при измерениях силы тяжести на море
6.2.1 Сопоставление спутниковых данных с измеренными значениями аномалий силы тяжести
6.2.2 Методический прием привязки измерений к уровню значений модельного поля
Заключение к разделу 6.2
6.3 Использование геофизических полей для уточнения навигационных параметров подвижных объектов
6.3.1 Постановка и общее решение задачи на основе теории нелинейной фильтрации
6.3.2 Алгоритмы, основанные на использовании гауссовских аппроксимаций
6.3.3 Алгоритмы, основанные на использовании полигауссовских аппроксимаций
6.3.4 Метод точечных масс
6.3.5 Последовательные методы Монте-Карло
6.3.6 Анализ точности алгоритмов фильтрации
6.3.7 Сопоставление алгоритмов фильтрации
Заключение к разделу 6.3
6.4 Оценка навигационной информативности аномального гравитационного поля Земли
6.4.1 Выбор модели аномального гравитационного поля Земли
6.4.2 Методы оценки навигационной информативности
6.4.3 Результаты экспериментального исследования
Заключение к разделу 6.4
Приложение. Основные понятия
Список авторов монографии
Литература
Перечень использованных аббревиатур