Усі книги і методички

6.5. Гідроакустичні лаги

Гідроакустичні лаги – це прилад для вимірювання швидкості руху і пройденого судном шляху. Їх розділяють на абсолютні і відносні. Абсолютні призначені для вимірювань швидкості судна відносно донного ґрунту, відносні

– відносно водного середовища. При виконанні морських знімальних робіт широко застосовуються доплеровські гідроакустичні лаги. Принцип дії такого лага базується на визначенні швидкості судна за доплеровським зміщенням акустичної частоти, що випромінюється з борта судна.

Для визначення координат використовують гідроакустичні навігаційні системи. Ці системи використовуються для створення місцевої координатної системи з метою визначення місцеположення надводних і підводних суден. Початок координатної системи знаходиться на судні або на дні моря. Визначення місцеположення виконують відносно транспордерів (маяківвідповідачів) віддалемірним, різницевим та іншими методами. З використанням неперервних або дискретних ультразвукових сигналів розрізняють довгобазисні, короткобазисні і ультракороткобазисні гідроакустичні навігаційні системи.

117

Розділ 7. Автономні методи визначення координат в морі

Для автономних методів на відміну від описаних раніше методів визначення місцеположення рухомого об’єкта в морі не потрібно знати опорних або вихідних пунктів, а лише точні координати початкової точки маршруту рухомого об’єкта і форму поверхні, на якій він переміщується. Шляхом неперервного вимірювання елементів руху судна (швидкість і напрям) та неперервного інтегрування в часі можна отримати весь його шлях і визначити його положення в будь-який момент часу. Отже, ці методи і пристрої, за допомогою яких виконуються вимірювання, можна назвати інтеграційними. До них належать: метод счислення, метод розрахунку шляху, інерційні навігаційні системи, доплерівські гідроакустичні лаги тощо.

Счислення як автономний метод визначення координат виконують за допомогою компасу і лага, які відповідно дають покази напряму і швидкості. При автономному счисленні автопрокладач або одограф, з’єднаний з датчиком компасу і лагу, неперервно веде прокладання руху судна. Похибки счислення визначаються похибками датчиків компасу і лага. Слід зазначити, що лаг вимірює швидкість і шлях судна тільки відносно води, а врахування впливу течій і дрейфу виконують поправками, які не відповідають фактичній ситуації. Похибка визначення положення місця судна складає від 0,3 до 55 км за добу.

Метод розрахунку шляху базується на визначенні лінії положення шляхом неперервного інтегрування по часу вимірюваних прискорень або швидкості судна. Для цього необхідно мати дані про напрям руху судна і координати початкової або кінцевої точки шляху. Практичне застосування цього методу пов’язано з обмеженнями: недостатня точність вимірювальних приладів та залежність від гідрометеорологічних умов. Найбільш розповсюдженими навігаційними приладами, за допомогою яких реалізується цей метод, є магнітні компаси, гірокомпаси, гідродинамічні лаги, ехолоти, секстанти і оптичні пеленгатори. На даний час існує велике число різних типів перелічених приладів удосконалених модифікацій. Крім цього, появились автономні засоби навігації.

Для визначення напрямів на морі служать компаси або у високих широтах гіроазимути. В даний час на суднах використовують магнітні та гіроскопічні компаси. Магнітний компас – основний навігаційний прилад, який встановлюють на всіх морських суднах: головний, шляховий і запасний. Головний компас встановлюють на верхньому містку в діаметральній площині судна, шляховий – в рубці перед кермом, запасний – на кормі біля аварійного керма приводу. З метою контролю всі компаси порівнюють із головним. Найбільш розповсюдженим серед магнітних компасів є тип УКП-М. На базі вказаного компаса створено компас КМО-Т – компас морський оптичний для транспортних суден і компас "Сектор".

118

Гіроскопічний компас базується на відомих властивостях гіроскопа – швидко обертального масивного ротора. Якщо центр ваги гіроскопа співпадає з точкою його підвісу, тоді його вісь намагається зберігати незмінний напрям у просторі. Ця властивість використовується в гіроазимутах – приладах, які зберігають встановлений напрям з технічно можливою точністю. Якщо центр ваги гіроскопа розміщений нижче точки підвісу, тоді появляється маятниковий момент завдяки обертанню Землі, під дією якого вісь гіроскопа прецесує до меридіану та здійснює навколо нього незатухаючі коливання. Використання різних типів заспокоювачів коливань дає можливість добиватися їх затухання. Отже, гіроскоп перетворюється в гірокомпас, вісь якого зберігає горизонтальне положення по напряму меридіану. Сам гірокомпас представляє собою складний електронавігаційний прилад. Найбільш розповсюдженим на суднах є гірокомпас типу "Курс", "Амур" тощо. Так, в комплекті гірокомпасу "Курс" є основний прилад масою 180 кг і біля сорока інших приладів загальною вагою біля 600 кг. В комплект гірокомпаса входить курсограф, репітер якого приводить в рух пера, які викреслюють на спеціально рівномірно рухомій стрічці графік зміни курсу судна у функції часу. Репітер гірокомпаса представляє собою пристрій зі скляною покришкою, під якою закріплена курсова мітка і обертається котушка з градусними поділками. Його конструктивно включають в інші навігаційні прилади, які відіграють роль датчиків напряму. Магнітним і гіроскопічним компасам властиві свої переваги і недоліки.

Магнітний компас – автономний прилад, простий, надійний, дешевий, завжди готовий до роботи, але точність його невисока і залежить від магнітних полів Землі і судна. Гіроскопічний компас – точний (на нього не впливає магнітне поле), надзвичайно складний, дорогий і не дуже надійний прилад, який залежить від суднового електроживлення і вимагає висококваліфікованої обслуги. Для приведення в робочий стан гірокомпас необхідно завчасно запустити. Слід зауважити, що при різкій зміні курсу або швидкості руху судна в ньому виникають змінні похибки, які важко врахувати. Це приводить до сумісного використання на суднах магнітних та гіроскопічних компасів, які доповнюють один одного. Це комплексне використання магнітного і гіроскопічного компасів дозволяє помітно підвищити точність і надійність системи в цілому.

Для вимірювання швидкості і пройденої судном відстані використовують лаг. Лагом називають прилад, що вимірює швидкість ходу судна і (або) пройдену відстань. На даний час використовують лише відносні лаги, якими можна виміряти швидкість і пройдений шлях тільки відносно води. За принципом дії існуючі лаги ділять на віртуальні, гідродинамічні і індуктивні. Віртуальні лаги вимірюють пройдений шлях судна, який є пропорційний числу обертів підводної вертушки, обертання якої передається на лічильник пройденого шляху. Такі лаги мало використовуються бо мають низку точність

119

і надійність при малих швидкостях судна. Гідродинамічні лаги базуються на вимірюванні швидкісного напору зустрічного потоку води. Для цього під дно судна опускаються дві трубки: статичну з отвором внизу і динамічну з отвором попереду. Коли судно нерухоме при будь-якій осадці, тиск в двох трубках однаковий. При русі судна тиск у динамічній трубці підвищується пропорційно квадрату швидкості набігу потоку води. Тоді різниця тисків у трубках дозволяє виміряти швидкість судна, а відстань визначають інтегратором лічильника пройденого шляху, який градуйований на стандартні милі. Слід відзначити, що гідродинамічні лаги є складними, ненадійними, з низькою точністю вимірювань, особливо на малих швидкостях, приладами.

Індуктивні лаги базуються на принципі електромагнітної індукції. Під дном судна електромагнітом створюється магнітне поле, через яке проходить зустрічний потік морської води, яка є хорошим електропровідником. За законом Фарадея електрорушійна сила пропорційна напруженості створюваного магнітного поля, довжині провідника (база між електродами під дном поперек судна) і швидкості провідника, тобто біжучого потоку води. Таким чином, вимірюється швидкість ходу судна, інтегрування якої по часу дає пройдений шлях. Сучасні типи індукційних лагів є дуже надійними і чутливими при роботі на будь-якій швидкості судна.

Актуальною і невирішеною на даний час є проблема "абсолютного лага", коли говорять про вимірювання швидкості і пройденого шляху не відносно води, а відносно дна або берегів моря. Відомі декілька розв’язків цієї проблеми, але поки що ні одне з них не доведено до практичного використання.

Принцип дії інерційних навігаційних систем полягає в наступному: на судні встановлюють дуже точні і чутливі вимірювачі прискорень – акселерометри. Перший інтеграл по часу від цих прискорень дає складові швидкості судна залежно від широти і довготи, а другий інтеграл – відповідно складові шляху. Неперервно вимірюючи прискорення і інтегруючи їх, можна отримати положення судна на даний момент часу відносно вихідної точки маршруту. Практичне здійснення цього методу визначення координат є дуже складним і важким, не зважаючи на простоту цього принципу. Акселерометри необхідно встановлювати на гідроплатформи, щоб вимірювати лише горизонтальні складові прискорень. Крім цього, самі акселерометри повинні мати високу точність і чутливість у широкому лінійному діапазоні вимірювань. Ці методи дають похибку визначення місцеположення судна до 18,5-55,5 км за добу.

Доплерівські гідроакустичні лаги дають можливість вимірювати швидкість судна відносно ґрунту. Для цього при русі судна використовується доплерівське зміщення частоти відбитих від морського дна акустичних сигналів. Під дном судна закріплюється система вібраторів, які випромінюють вузько направлені пучки акустичних хвиль вздовж і в поперечному напрямі

120

руху рухомого об’єкта. Ці акустичні коливання відбиваються від нерівностей морського дна, повертаються до судна і приймаються другою системою вібраторів. Отже, вимірюючи доплерівське зміщення частоти можна отримати поздовжню і поперечну складові швидкості судна відносно дна. Перший інтеграл по часу від цих швидкостей дає істинний шлях судна.

Неперервно вимірюючи і інтегруючи ці швидкості, знаходять місцеположення судна відносно вихідної точки. Точність вимірювання швидкості судна доплерівськими лагами складає до 0,1% швидкості або до 0,01 вузла, а точність визначення місцеположення судна – 0,1-1,0% пройденого шляху. Різні типи доплерівських гідроакустичних лагів відрізняються між собою кількістю і розміщенням вібраторів, а також робочою частотою акустичних коливань від 3 до 500 кГц. На більш низьких частотах досягається збільшення глибини моря, але в цих випадках зростає маса і габарити випромінювача.

121

Розділ 8. Морське топографічне знімання

8.1. Задачі морського топографічного знімання

В останні роки в основному в США досягнуті великі успіхи в області удосконалювання і розробки нових засобів і методів космічної геодезії й океанографії, використання їх для визначення параметрів фігури і гравітаційного поля Землі, створення космічних геодезичних мереж, а також дослідження ряду геодинамічних і океанологічних явищ. Отримані результати дозволили уточнити систему фундаментальних геодезичних постійних і вийти на точності, достатні для вивчення геодинамічних ефектів. У цьому зв'язку методи космічної геодезії в даний час відіграють значну роль у геофізиці і океанографії. Характерним для сучасного періоду є те, що практично будь-які шляхи подальшого розвитку космічної геодезії зв'язуються при аналізі, постановці і розробці з рішенням усе більш широкого кола прикладних задач, прикладом яких є вивчення динаміки твердої Землі й океанів. До неї відноситься і вивчення морської топографічної поверхні (МТП). В останні роки усе більш гостро ставиться задача одночасного високоточного вивчення тонкої структури гравітаційного поля, а також використання космічних засобів для уточнення даних про динаміку океану і високоточне визначення нахилів МТП, тобто ставиться задача детального високоточного цифрового картографування різних трансформант гравітаційного поля і морської топографічної поверхні. Рішення настільки складної задачі може бути виконано лише шляхом проведення довгострокових комплексних досліджень геодезистів і океанологів із залученням сучасних технічних засобів і методів. Основними з них є супутникові альтиметрія, градієнтометрія і використання міжсупутникових вимірів. Усі вони нині інтенсивно розвиваються, як у частині пошуку і створення нових технічних засобів, так і у розробці більш сучасних методів обробки результатів вимірів.

В даний час помилки висот геоїда, отримані на морі з використанням гравіметричних, супутникових динамічних і альтиметричних даних складають 1,5 м. Цю величину порівнюють із відхиленнями МТП від геоїда. Донедавна МТП не приймалася до уваги при вивченні фігури геоїда Світового океану. Це виправдувало себе на початковому етапі використання даних супутникової альтиметрії при моделюванні гравітаційного поля Землі, але в даний час і в майбутньому при вже досягнутих точностях супутникових вимірів врахування нерівневості МТП стає необхідним. Сьогодні й у найближчому майбутньому супутникова альтиметрія буде залишатися найбільш важливим джерелом інформації для детального моделювання гравітаційного поля, навіть при передбачуваній реалізації на початку 90-х років програм вивчення гравітаційного поля з використанням систем спостереження «супутниксупутник» і супутникової градієнтометрії. Усе це ставить проблему вивчення

122

МТП в інтересах рішення геодезичних задач на перший план, як цільову задачу без рішення якої неможливий подальший прогрес у підвищенні точності визначення параметрів гравітаційного поля.

З появою нових засобів вимірів стала реальною задача визначення просторових координат точок на поверхні Землі з точністю ~10 мм. У протиріччя з цим вступає точність порядку 1,5 м установлення світової системи висот, заснованої на середньому рівні моря. У той же час обґрунтована необхідність одержання висот геоїда на морі для цілей геодинаміки, океанографії і геодезії з помилками, рівними 10 мм. Для досягнення цієї точності необхідно насамперед враховувати топографію морської поверхні і варіації її в часі. Знання топографії необхідно так само при віднесенні нівелірних мереж до середнього рівня моря, як єдиної відлікової поверхні при встановленні національних і міжнародних нулів висот.

На думку ряду вчених старе поняття «геоїд» не є універсальним, що викликає певні труднощі в океанографії, зокрема, при вивченні припливів і миттєвого стану поверхні океану в глобальному, локальному і регіональному масштабах. Ці труднощі полягають насамперед у встановленні системи відносності для відліку висот. В результаті констатується: 1) не існує в принципі універсального визначення поняття «геоїд»; 2) для цілей сучасної високоточної геодезії слід використовувати квазігеоїд за Молоденським, а в океанографії застосовувати класичне поняття геоїда, як рівневої поверхні потенціалу сили ваги (поверхні незбуреного океану).

Загальновизнаний за рубежем термін топографія морської поверхні розуміється як відхилення середнього рівня морської поверхні (СРМП) від геоїда, що еквівалентно тому, що деяка еквіпотенціальна поверхня в цьому випадку приймається як відлікова в глобальній системі висот. У цьому змісті МТП залежить від СРМП, що є функцією часу, у зв'язку з чим питання про вибір середнього рівня повинно зважуватися диференційовано в залежності від характеру розв'язуваних задач. Останнє у свою чергу засновано на гідростатичному рівнянні, що зв'язує гравітаційне поле Землі з полем гідростатичного тиску. Інтегрування цього рівняння від поверхні до деякого рівня рівних тисків дає величину, названу динамічною висотою, виражену в одиницях потенціалу. У той же час такі обчислення вимагають знання розподілу щільності по вертикалі, яке можна визначити за вимірюваннями солоності і температури на різних шарах води. Таким чином, в океанографічній практиці рівень задається щодо нульової динамічної поверхні, що лише теоретично збігається з еквіпотенціальною. Супутникові методи спостережень вимагають застосування глобальної системи відлікових еквіпотенціальних поверхонь, обумовлених полем сили ваги. У цьому і складається відоме розходження в підходах до систем відліку між геодезистами й океанологами.

123

До програм і проектів досліджень, пов'язаним з вивченням морської топографічної поверхні відносяться практично всі геодезичні програми, спрямовані на вивчення фігури геоїда і параметрів гравітаційного поля Землі; океанографічні програми, що передбачають використання супутників з радіовисотомірами, виміру з супутників і суден у Світовому океані; геодинамічні програми, спрямовані на комплексне вивчення геопотенціальних полів, динаміки земної кори й океанів; комплексні програми, спрямовані на вивчення динаміки океану, клімату і глобальної атмосфери. До геодезичних програм можуть бути віднесені американські і європейські програми, зв'язані з розробкою і створенням супутникових систем із градієнтометрами і лініями супутник-супутник ОКМ, ОКЕМ, 800М та ін. До океанографічних програм відносяться проекти ТОРЕХ із цільовим призначенням вивчення динаміки океанів і припливів. До геодинамічних програм – комплексна геодинамічна програма МАЗА.

Морське топографічне знімання виконують з метою отримання топографо-геодезичної інформації для дослідницьких і практичних картографо-геодезичних робіт на акваторіях. В результаті виконання прибережними державами знімальних робіт в шельфових зонах ними видаються морські топографічні карти – топографічні карти шельфу (ТКШ). Основні елементи змісту ТКШ формуються за тими самими принципами картографічного моделювання, що і зміст топографічних карт суші (ТКС). Ця обставина покладена в основу твердження, відповідно до якого ТКШ є продовженням ТКС. Аналогічні морські карти видаються в США, Великобританії, Канаді, Японії, Франції, Норвегії й іншим країнах, що називаються як батиметричні, топографо-батиметричні, гідрографічні чи океанографічні. Але перераховані карти є тематичними, у той час, як ТКШ відносяться до групи карт загальногеографічного призначення. З цього погляду термін «топографічна карта шельфу», запропонований Л. М. Гольдманом, більш вірогідно відповідає характеру, призначенню і специфіці. Однак більш вдалим був би термін «топографічна карта акваторії», як альтернативний терміну «топографічна карта».

Топографічні карти акваторій, на яких рельєф поверхні океанічної літосфери є основним елементом змісту, є необхідним вихідним матеріалом для вирішення різноманітних наукових і практичних задач. Основною науковою є задача з'ясування механізму утворення, еволюції і загальних рис геологічної будови системи Світового океану. Серед практичних найважливішою є задача виявлення закономірностей утворення та розподілу на поверхні і у надрах дна океанів родовищ мінеральної сировини. Топографічні карти та інші морські картографічні матеріали використовуються також у загальногеографічних цілях; як обґрунтування при рішенні приватних наукових і практичних задач геології, геофізики, гірничодобувної промисловості; для забезпечення заходів щодо господарського освоєння

124

прибережної зони, охорони природи і навколишнього середовища, спорудженню підвідних агрегатів і комунікацій, раціональному використанню водних ресурсів, організації господарств аквакультури і рибного промислу; як основа для створення морських галузевих і навігаційних карт; як основу проектування і показу результатів робіт по делімітації і демаркації юрисдикційних і державних кордонів.

8.2. Методи топографічного знімання акваторій

8.2.1. Підготовчі роботи. Технічні засоби знімальних робіт.

В задачу зйомки входить одержання в необхідному обсязі із заданою точністю масиву кількісних і якісних даних для побудови кондиційної топографічної карти чи іншої картографічної моделі акваторії, що знімається. Кількісні дані характеризують рельєф морського дна, планове і висотне положення інженерних споруд і комунікацій, положення границь морських просторів і зон, поширення донних відкладень (ґрунтів), рослинності, гідрофізичні параметри. У якісному відношенні характеризуються літологічні особливості ґрунтів, ландшафтно-екологічний стан району, поширення донних організмів, види водної рослинності, тощо.

У комплексі заходів щодо топографічної зйомки акваторій виділяють як етапи підготовчі роботи, цикл знімальних морських робіт і обробку вимірів (матеріалів). Остання, звичайно, завершується оформленням знімального оригіналу карти чи плану. Основні специфічні ознаки, за якими усі можливі технології топографічної зйомки акваторій істотно відрізняються від технологій топографічної зйомки суші, властиві другому з відзначених етапів, тобто знімальним роботам, що виконуються безпосередньо на акваторії. Такі ознаки обумовлені, з однієї сторони набагато менш сприятливими, у порівнянні із сухопутними, фізико-географічними умовами робіт, нестаціонарністю водних мас по всій їхній товщі, особливістю електрофізичних властивостей води (непрозорістю її для більшої частини спектра електромагнітних хвиль), неможливістю візуального огляду об'єктів, що знімаються, і, як правило, набагато більш високими, ніж до ТКС, вимогами до інформативності топографічних карт, створюваних на акваторії, - з іншої сторони. Тому недоцільно і неправомірно говорити про технологічні особливості морських зйомок, зіставляючи їх з аналогічними роботами на суші. По змісту і методам виконання це, практично, різні процеси, об'єднані, однак, в одне ціле тотожністю мети і розв'язуваної задачі.

Висотне знімання конкретної ділянки шельфу, в залежності від поставлених задач, фізико-географічних та кліматичних умов району, а також складності рельєфу дна з врахуванням сучасних засобів, може виконуватися наступними методами:

125

1)безперервним виміром глибин уздовж однієї або декількох ліній руху носіїв ехолотної апаратури, в даному випадку йдеться про отримання безперервних профілів дна;

2)безперервним зондуванням глибин у визначеній смузі уздовж маршруту судна – отримання зображення рельєфу по площині;

3)дискретним виміром глибин уздовж лінії руху судна на воді або транспортного засобу на льоду.

У підготовчі роботи входить: - підготовка складу експедиції;

- обчислювальні і графічні роботи; - підготовка технічних засобів; - рекогностування району знімання; - підготовка геодезичної основи.

Для виконання названих робіт необхідно розробити технічний проект і технічне обґрунтування для топографічного знімання. Вихідні дані для виконання знімальних робіт отримують з вивчення та аналізу картографічних і описових матеріалів, а саме:

- існуючих топографічних карт на район робіт; - морських і лоцманських навігаційних карт; - каталогів координат і висот пунктів; - матеріалів маршрутного аерофотознімання; - матеріалів гідрологічної вивченості;

- фізико-географічних і геоморфологічних описів і карт.

При складанні технічного проекту необхідно керуватися діючими інструктивними матеріалами проектування топографо-геодезичних робіт.

Наступним етапом підготовчого періоду є складання основних робочих документів стосовно виконаних знімальних робіт:

- робочий проект; - робочі планшети;

- формуляри карт, картографічні і бланкові матеріали; - виписки з каталогів координат і висот геодезичних пунктів, описи

розміщення реперів в районі знімання; - аерознимки берегової зони;

- виписки вихідних гідрологічних даних для визначення поправки ехолота;

- фізико-географічні описи для морів з припливами.

Для виконаних знімальних робіт на акваторіях шельфу і внутрішніх водоймищ використовують спеціальні технічні засоби, які розташовують на борті рухомих суден, підводних апаратів і літаків. Ці технічні засоби необхідні для:

- отримання інформації про рельєф дна і підводної ситуації;

126