Введение к работе
Актуальность проблемы. Геофизические исследования являются неотъемлемой составной частью подавляющего большинства работ, выполняемых в целях геологического изучения площадей и структур, геологического картирования, поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, решения отдельных инженерно-геологических и экологических задач. Значимость геофизических методов определяется многоплановым характером достоверной геологической информации, получаемой с их помощью, а также возможностью изучения глубинных структур в отдаленных и труднодоступных районах. Особый интерес представляют высокопроизводительные мобильные методы исследований, т.е. такие, при которых геофизические измерения выполняются на движущемся носителе.
Эффективным универсальным средством навигационно-геодезичес-кого обеспечения большинства видов наземных, морских и аэрогеофизических работ, проводимых в геологии, являются среднеорбитальные спутниковые радионавигационные системы (ССРНС). В Федеральной целевой программе «Экология и природные ресурсы России (2002-2010 годы)» имеется специальная подпрограмма «Прогрессивные технологии картографо-геодезического обеспечения». Исследованиями и разработкой технологий спутникового навигационно-геодезического обеспечения основных методов геофизических исследований в течение ряда лет успешно занимаются ряд организаций геологической отрасли: ФГУП «СНИИГГиМС» (Новосибирск) по наземным работам, ФГУП «ВНИИОкеангеология», ГНПП «Севморгео» и ПМГРЭ (Санкт-Петербург), НИПИОкеангеофизика (Геленджик) по морским работам, ФГУП «ВИРГ-Рудгеофизика» (Санкт-Петербург) и ГНПП «Аэрогеофизика» (Москва) по аэрогеофизическим работам и др. Наиболее значительный вклад в развитие спутниковых геодезических технологий для геофизики внесли такие видные ученые, как И.Ф. Глумов, А.Г. Прихода, А.П. Лапко, В.П. Майко. |А.И. Галошин|. В.Д. Каминский, Ю.Г. Фирсов, А.В. Чурсин, В.В. Филимонов, B.C. Цирель и другие.
Вместе с тем, на сегодняшний день в геологической отрасли не ре
шена проблема объединения отдельных элементов геофизических и спут
никовых технологий в единую интегральную технологию геофизичес
ких исследований со спутниковой навигацией. Данная проблема особо
значима для мобильных методов, при которых в реальном масштабе
времени должно быть обеспечено одновременное решение сразу трех за
дач: навигации носителя геофизической аппаратуры по проектным мар
шрутам, измерения параметров физических полей Земли и соотнесения
результатов геофизических измерений к координатам земной (водной)
поверхности и околоземного пространства (геодезической «привязки»
измерений). Оптимальное комплексное решение этих задач является не
обходимым условием обеспечения высокого научно-технического уров
не. ІМЦИОНАЛЬНАЯЇ 1
БИБЛИОТЕКА J
СЛетсрб
О» «ОА
ня проводимых работ и как следствие этого - дальнейшего повышения геологической эффективности геофизических методов в геологии.
По упомянутым причинам диссертационная работа, посвященная созданию интегральной системы мобильных методов геофизических исследований со спутниковой навигацией, решает важную и актуальную проблему современной геофизической науки.
Идея работы. Основной идеей работы является объединение отдельных элементов геофизических и спутниковых навигационно-гео-дезических технологий различных методов исследований в единую интегральную систему мобильных геофизических исследований со спутниковой навигацией.
Цель исследований. Целью проводимых исследований является создание интегральной технологии мобильных методов геофизических работ со спутниковой навигацией, обеспечивающей существенное уменьшение погрешности и повышение достоверности результатов геофизической съемки.
Задачи исследований. Основными задачами исследований являются:
определение современных требований к основным техническим характеристикам спутникового навигационно-геодезического обеспечения наземных, морских и аэрогеофизических работ путем анализа особенностей использования систем спутниковой навигации при геофизических исследованиях;
разработка обобщенной структуры и конкретного содержания интегральной системы мобильных геофизических методов исследований со спутниковой навигацией, обоснование необходимости и разработка методики проектирования мобильной геофизической съемки со спутниковой навигацией;
обоснование аппаратурно-технологических решений интегральной системы, создание основ метрологического обеспечения спутниковых технологий при геолого-геофизических исследованиях, включая методы экспериментальной оценки погрешности спутниковой навигационной аппаратуры в полевых условиях;
разработка комплексных компьютерных технологий подготовки съемочных работ, камеральной обработки и анализа качества спутниковой навигационной и геофизической информации;
определение путей практической реализации интегральной системы мобильных наземных, морских и аэрогеофизических исследований со спутниковой навигацией и ее апробация для основных методов съемочных работ, выполняемых в движении.
Методы исследований. Основными методами исследований являются: аналитический (факторный, логический, математический и статистический анализ), синтетический (интегральный логический синтез) и эмпирический (экспериментальные оценки). В исследованиях использован математический аппарат теории спутниковой навигации, математической статистики, теории оптимальной фильтра-
ции, аналитической геометрии, векторной и матричной алгебры и др. Научная новизна. Научная новизна выполненных исследований заключается в следующих существенных отличиях их результатов от известных:
выявлены закономерности функционирования спутниковых систем при их использовании для навигационно-геодезического обеспечения геофизических исследований;
получена аналитическая зависимость погрешности геофизической съемки от погрешностей измерения параметров геофизических полей и определения плановых координат точек наблюдений;
впервые разработана методология проектирования мобильных геофизических исследований со спутниковой навигацией;
разработаны методика и структура метрологического обеспечения спутниковых навигационных измерений при геофизических исследованиях, корректность которых доказана экспериментально;
разработаны новые методики повышения надежности и точности спутниковых навигационных определений при проведении геофизических работ, защищенные соответствующими патентами России.
Практическая значимость. Практическая ценность полученных результатов заключается в разработке и внедрении в производственную практику комплекса методических, технологических, аппаратурных и программных решений, обеспечивающих высокое качество геофизических измерений в движении при использовании систем спутниковой навигации:
осуществлен переход от визуально-аппаратурных методов навигационного и геодезического обеспечения мобильных геофизических работ к аналитическим и инструментальным;
разработана методика проектирования мобильной геофизической съемки со спутниковой навигацией, которая позволяет еще на начальной стадии выполнения геологического задания в лабораторных условиях рассмотреть полный комплекс вопросов, связанных с подготовкой съемочных работ, оптимальным решением задач надежной и точной геодезической привязки измерений, активной проводки носителя геофизической аппаратуры по заданным маршрутам, камеральной обработки съемочной информации;
созданы и успешно используются в практике морских и аэрогеофизических работ спутниковые измерительно-навигационные геофизические комплексы; при этом аэрогеофизический комплекс КАС, использующий разработанную по техническому заданию автора спутниковую дифференциальную систему АБРИС-ГЕО, является базовым комплексом в большинстве производственных геологических организаций России, выполняющих аэрогеофизические съемки.
усовершенствованы компьютерные технологии подготовки геофизической съемки, камеральной обработки и анализа качества спутниковой навигационно-геодезической и измерительной информации,
повышающие достоверность первичных полевых материалов и в конечном счете - геологическую результативность съемочных работ.
Интегральная система геофизических исследований в движении со спутниковой навигацией может найти широкое практическое применение как в геологической отрасли, так и в смежных областях науки и техники - геодезии, землеустройстве, лесном и водном хозяйстве, гидрографии, гидрологии, аэрофотосъемке и др.
Разработанные автором аппаратурные, технологические и программные решения опробованы рядом научных и производственных организаций геологической отрасли при выполнении опытно-методических и производственных работ в период 1989 - 2002 гг. и получили положительную оценку.
Реализация результатов исследований. Результаты научных исследований автора реализованы в практике морских и аэрогеофизических работ со спутниковой навигацией, выполненных в течение ряда последних лет следующими предприятиями:
ФГУП «ВНИИОкеангеология» -программно-аппаратурные комплексы научно-исследовательских судов (НИС), обеспечивающие проведение морских геофизических работ: навигационно-регистрирующие модули НИС «Академик А. Карпинский» (1993 г.), НИС «Профессор А. Логачев» (1996 - 1998 гг.), малогабаритный навигационно-сейс-мический комплекс для работ на шельфе (1998 - 2001 гг.); отдельные результаты исследований автора по морской геофизике носят нотационный характер и предполагаются к использованию при разработке новой инструкции по навигационно-геодезическому и гидрографическому обеспечению морских геологоразведочных работ;
ЦАГРЭ (филиалом ФГУП «ВСЕГЕИ») - комплексные аэрогеофизические съемки на Фаддеевской площади (1993 г.); аэрогеофизический комплекс КАС-1 и съемки с этим комплексом на объектах Таймырского автономного округа: Восточно-Таймырская площадь, Крестовский и Зимний участки (1999 - 2000 гг.);
ФГУП «ВИРГ-Рудгеофизика» - опытно-методические аэромагнитные съемки в Северном Приладожье (1989 -1991 гг.); комплексные аэрогеофизические съемки на территории Чувашской Республики (1993 - 1994 гг.); аэрогеофизический комплекс КАС-2 и съемки с этим комплексом на Вологодской площади (2000 - 2002 гг.);
ФГУГП «Дальгеофизика» - аэрогеофизический комплекс КАС-3 и съемки с этим комплексом на объектах Дальневосточного Федерального округа (Огоронский и Ульбейский участки - 2001 г., Февральский участок - 2002 г.).
Результаты научных исследований автора отличаются высокой экономической эффективностью. По данным ЦАГРЭ экономический эффект при использовании комплекса КАС в условиях Крайнего Севера составляет 3,3 доллара США на каждый погонный километр многопа-раметровой аэрогеофизической съемки.
Апробация и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены в одиннадцати докладах на научных конференциях и симпозиумах, в том числе - на шести международных, среди которых:
Четвертая и Вторая Российские научно-технические конференции «Современное состояние, проблемы навигации и океанографии» (С.-Петербург, 06-09 июня 2001 г. и 14-17 ноября 1995 г., соответственно);
Международная геофизическая конференция «300 лет горно-геологической службе России» (С.-Петербург, 02 - 06 октября 2000 г.);
«The 5-th International Conference On Differential Satellite Navigation Systems DSNS'96» (St. Petersburg, May 20 - 24, 1996);
Международная геофизическая конференция и выставка «С.-Пе-тербург'95» (С.-Петербург, 10 - 13 июля 1995 г.);
Международная конференция «Планирование глобальной ра
дионавигации» (Москва, 26 - 30 июня 1995 г.);
По теме диссертационной работы опубликовано 60 печатных научных трудов автора, в том числе 4 монографии и 9 изобретений. Две авторские монографии рассмотрены и одобрены Научно-методическим советом по геолого-геофизическим технологиям поисков полезных ископаемых Министерства природных ресурсов России.
Личный вклад автора. Основу диссертационной работы составляют результаты научных исследований автора за период с 1989 г. по настоящее время. Им осуществлены постановка проблемы и определение задач исследований, разработка комплекса методических, технологических, аппаратурных и программных решений, положенных в основу интегральной системы мобильных геофизических исследований со спутниковой навигацией. Автор руководил разработкой спутниковых навигационных модулей АБРИС-ГЕО аэрогеофизических комплексов типа КАС, принимал личное участие в выполнении опытно-методических аэрогеофизических съемок со спутниковой навигацией в Северном Приладожье.
Защищаемые положения. На защиту выносятся следующие основные положения.
-
Предложен метод аналитической оценки погрешности геофизической съемки в зависимости от заданных погрешностей измерения параметров геофизических полей и координат точек наблюдений, который дает возможность априорно обосновать требования к основным техническим характеристикам спутникового навигационно-гео-дезического обеспечения съемочных работ.
-
Разработана методика проектирования мобильных геофизических работ со спутниковой навигацией, включающая авторские методы повышения надежности и точности спутниковых навигационных определений, которая позволяет обеспечить проведение геофизических исследований с заданными техническими характеристиками.
-
Единство результатов измерений при различных видах мобильных геофизических работ со спутниковой навигацией достигается ис-
пользованием предложенной методики метрологического сопровождения и контроля спутниковых технологий.
-
Повышение достоверности и качества геофизической информации обеспечивается применением разработанных алгоритмов и созданных на их основе компьютерных технологий камеральной обработки и анализа спутниковой навигационно-геодезической информации.
-
Высокая эффективность интегральной технологии мобильных геофизических исследований со спутниковой навигацией подтверждается аппаратурно-технологической реализацией и практическим апробированием спутниковых измерительно-навигационных комплексов при морских и аэрогеофизических работах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 242 страницах, содержит 36 иллюстраций и 19 таблиц. Работа состоит из введения, пяти разделов (глав), заключения и списка использованных информационных источников из 211 наименований, включающего труды отечественных и зарубежных ученых по тематике исследованных в работе вопросов, а также ссылки на сайты Интернета, содержащие заимствованную информацию.
