Современное состояние разработок в области бесплатформенных инерциальных аэрогравиметров

Представлен обзор современного состояния разработок в области бесплатформенных инерциальных аэрогравиметров, которые обладают значительными преимуществами перед гиростабилизированными гравиметрами в части габаритов, энергопотребления и стоимости и существенно расширяют возможности гравиметрической съемки. Описаны технические решения, позволяющие реализовать бесплатформенные аэрогравиметры. Обсуждены тенденции их развития, включая вопросы комплексирования данных бесплатформенных и гиростабилизированных гравиметров.

1. Шимбирев Б.П. Теория фигуры Земли. М.: Недра, 1975. С. 432.

2. Огородова Л.В., Шимбирев Б.П., Юзефович А.П. Гравиметрия. М.: Недра, 1978. 325 с.

3. Делинжер П. Морская гравиметрия / пер. с англ. М.: Недра, 1982. 312 с.

4. Пантелеев В.Л. Основы морской гравиметрии. М.: Недра, 1983. 256 с.

5. Topгe В. Гравиметрия / пер. с англ. М.: Мир, 1999. 429 с.

6. Seeber, G. Satellite Geodesy. Foundations, Methods, and Applications, Berlin, New York, De Gruyter, 2003, 610 p., https://doi.org/10.1515/9783110200089.

7. Гофман-Велленгоф Б., Мориц Г. Физическая геодезия / пер. с англ. Ю.М. Неймана, Л.C. Сугаиповой; под редакцией Ю.М. Неймана. М.: Изд-во МИИГАиК, 2007. 426 с.

8. Бровар Б.В. и др. Геодезия и гравиметрия / под ред. Б.В. Бровара. М.: Научный мир, 2010. 572 с.

9. Becker, D., Advanced Calibration Methods for Strapdown Airborne Gravimetry, Technische Universität Darmstadt, Ph.D. Thesis, 2016.

10. Современные методы и средства измерения параметров гравитационного поля Земли / под общ. ред. Пешехонова В.Г.; науч. ред. Степанов О.А. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2017.

11. Jensen, T.E., Airborne Strapdown Gravity Measurements for Geodesy and Geophysics, Technical University of Denmark, 2018.

12. Молев В.П. Методика и техника наземной гравиметрической съемки: для студентов направления подготовки 05.03.01 «Геология» очной формы обучения: учебно-методическое пособие. Владивосток: Дальневост. федерал. ун-т, 2019. 32 с.

13. Конешов В.Н., Михайлов П.С., Соловьев В.Н., Железняк Л.К. Современные глобальные модели гравитационного поля Земли в Мировом океане: оценки точности и перспективы практического применения // Материалы ХХХIII конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н. Н. Острякова. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2022. С. 166–169.

14. Гравиразведка и магниторазведка. Термины и определения. ГОСТ 24284-80.

15. Болотин Ю.В., Голован А.А. О методах инерциальной гравиметрии // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 1. Математика, механика. 2013. № 5. С. 59–67.

16. Schwarz, K.P., Inertial surveying and geodesy, Re. Geoph., 1983, 21(4), 878–890.

17. Wei, M., Schwarz, K.P., Flight Test Results From a Strapdown Airborne Gravity System, J. Geod., 1998, 72, 323–332.

18. Пантелеев В.Л. Проблемы инерциальной гравиметрии // Изв. вузов. Геология и разведка. 1997. №26. С. 113–122.

19. Пантелеев В.Л., Левицкая З.Н. Основные задачи инерциальной векторной гравиметрии. Известия высших учебных заведений // Геодезия и аэрофотосъемка. 2000. №1. С. 77–91.

20. Пантелеев В.Л. Фильтрация в задачах инерциальной гравиметрии. LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012. 52 с.

21. Kwon, J.H., Airborne Vector Gravimetry Using GPS/INS. Report No.453, Geodetic Science and Surveying Department of Civil and Environmental Engineering and Geodetic Science, The Ohio State University, Columbus, Ohio 43210-1275, April 2000.

22. Тювин А.В., Афонин А.А., Сулаков А.С. Особенности использования функционально-избыточных блоков акселерометров в бесплатформенных навигационно-гравиметрических комплексах // Труды МАИ. 2016. №91.

23. Schwarz, K.P., Geoid profiles from an integration of GPS satellite and inertial data, Bolletino di Geodesia e Scienze Affini, Anno XLVI, 1987, no.2, 117–131.

24. Jekeli, C., Kwon, J.H., Results of Airborne Vector (3-D) gravimetry, Geoph. Res. Lett., 1999, 26(23): 3533–3536.

25. Jekeli, C., Kwon, J., Geoid Profile Determination by Direct Integration of GPS/INS vector gravimetry, Journal of Geophysical Research, 2002, 107(B10), DOI: 101029/2001JBod626.

26. Vasco D.W., Resolution and variance operators of gravity and gravity gradiometry, Geophysics, 1989, 54(7), 889–899.

27. Pawlowski, R., Gravity gradiometry in resource exploration, The Leading Edge, 1998, vol. 17, no.1, 51–52.

28. Jekeli, C., A Review of Gravity Gradiometer Survey System Data Analysis, Geophysics, 1993, vol. 58, no.4, 508–514.

29. Zlotnikov, D., Superior Detective Work: The Promise of Airborne Gravity Gradiometry, Earth Explorer, Energy Report, June 2011, pp. 5–7.

30. Евстифеев М. И. Состояние разработок бортовых гравитационных градиентометров // Гироскопия и навигация. 2016. Т.24. №3 (94). С. 96–114. DOI 10.17285/0869-7035.2016/24.3.096-114.

31. Джилавдари И.З., Ризноокая Н.Н. Этапы развития и состояние разработок гравитационных градиентометров для подвижных объектов (обзор) // Приборы и методы измерений. 2016. Т. 7. №3. С. 235–246.

32. Jekeli, C., Theoretical Fundamentals of Airborne Gradiometry, Airborne Gravity for Geodesy Summer School, 23–27 May 2016.

33. Veryaskin, A.V., Gravity, Magnetic and Electromagnetic Gradiometry Strategic technologies in the 21st century, IOP Publishing Ltd, 2021. (Second Edition).

34. Hein, G.W., Progress in Airborne Gravimetry: Solved, Open and Critical Problems. In: Proc. of the IAG Symposium on Airborne Gravity Field Determination, IUGG XXI General Assembly Boulder, Colorado, USA, July 2–14 1995, pp. 3–11.

35. Kwon, J.H., Jekeli, C., A new approach for airborne vector gravimetry using GPS/INS, J. Geod., 2001, 74: 690–700, doi: 10.1007/s001900000130.

36. Hannah, J., Airborne Gravimetry: a Status Report. Prepared for the Surveyor, General Land Information, Otago University, New Zealand, 2001.

37. Болотин Ю.В., Голован А.А., Парусников Н.А. Уравнения аэрогравиметрии // Алгоритмы и результаты испытаний. М.: Изд-во МГУ, 2002. 120 с.

38. Harlan, R.B., Eotvos corrections for airborne gravimetry, Journal of Geophysical Research, 1968, 73 (14), 4675–4679, doi:10.1029/JB073i014p04675.

39. Groves, P., Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation Systems, Second Edition, Artech House. Boston, London, 2013, 800 p.

40. Селиванова Л.М., Шевцова Е.В. Инерциальные навигационные системы: учеб. пособие. Ч. 1: Одноканальные инерциальные навигационные системы. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. 46 с.

41. Johann, F., Becker, D., Becker, M., Forsberg, R., Kadir, M., The direct method in strapdown airborne gravimetry: A Review, Zeitschrift für Geodäsie, Geoinformation und Landmanagement, 2019, 144(5), https://doi.org/10.12902/zfv-0263-2019.

42. Андреев В.Д. Теория инерциальной навигации. Автономные системы. М.: Наука, 1966. 580 с.

43. Britting, K.R., Inertial navigation systems analysis, Wiley &Sons, New York, 1971.

44. Емельянцев Г.И., Степанов А.П. Интегрированные инерциально-спутниковые системы ориентации и навигации / под общей ред. акад. РАН В.Г. Пешехонова. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2016. 394 с.

45. Ишлинский А.Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. М.: Наука, 1976. 670 с.

46. Johann, F., Becker, D., Becker, M., Ince, E.S., Multi-Scenario Evaluation of the Direct Method in Strapdown Airborne and Shipborne Gravimetry, International Association of Geodesy Symposia, 2020, Springer, Berlin, Heidelberg, https://doi.org/10.1007/1345_2020_127.

47. Jekeli, C., Garcia, R., GPS Phase Accelerations for Moving‑Base Vector Gravimetry, Journal of Geodesy, 1997, 71: 630–639, doi: 10.1007/s001900050130.

48. Ayres-Sampaio, D., Deurloo, R., Bos, M. et al., A Comparison Between Three IMUs for Strapdown Airborne Gravimetry, Surv. Geophys., 2015, 36, 571–586, https://doi.org/10.1007/s10712-015-9323-5.

49. Bruton, A.M., Schwarz, K.P., Airborne Gravity Estimation using Adaptive Filters, Proceedings of International Symposium on Kinematic Systems in Geodesy, Geomatics and Navigation (KIS97), Banff, Canada, June 3–6 1997, pp. 605–612.

50. Jekeli, C., Inertial Navigation Systems With Geodetic Applications, De Gruyter, Berlin, New York, 2001, doi:10.1515/9783110800234.

51. Степанов О.А. Основы теории оценивания с приложениями к задачам обработки навигационной информации. Ч.1. Введение в теорию оценивания. СПб.: ГНЦ РФ «Электроприбор», 2009. 496 с.

52. Stepanov, О.А., Optimal and sub-optimal filtering in integrated navigation systems, In: Nebylov, A., Watson, J., Eds., Aerospace Navigation Systems, 2016, Chichester, UK: John Wiley & Sons Ltd., pp. 244–298.

53. Степанов О.А., Кошаев Д.А., Моторин А.В. Идентификация параметров модели аномалии в задаче авиационной гравиметрии методами нелинейной фильтрации // Гироскопия и навигация. 2015. № 3 (90). С. 95–101. DOI 10.17285/0869-7035.2015.23.3.095-101.

54. Кошаев Д.А., Моторин А.В., Степанов О.А. Анализ эффективности использования спутниковых измерений при определении аномалий силы тяжести на море // Сборник материалов XXVI Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2019. С. 282–287.

55. Jensen, T.E., Forsberg, R., Helicopter Test of a Strapdown Airborne Gravimetry System, Sensors, 2018, 18, 3121, doi:10.3390/s18093121.

56. Lloyd, G. Thompson, D., Airborne Gravity Meter Test, Journal of Geophysical Research, 1959, 64.4, pp. 488–488.,doi: 10.1029/JZ064i004p00488.

57. Lloyd, G., Thompson, D., and Lucien, J., LaCoste, B., Aerial gravity measurements, Journal of Geophysical Research, 1960, 65.1, pp. 305–322, doi: 10. 1029/JZ065i001p00305.

58. Brozena, J.M., Mader, G.L., Peters, M.F., Interferometric Global Positioning System: Three-dimensional positioning source for airborne gravimetry, J. Geophys. Res., 1989, 94( B9), 12153–12162, doi:10.1029/JB094iB09p12153.

59. Schwarz, K.R, Cannon, M.E., Wong, R.V.C., A comparison of GPS Kinematic Models for the Determination of Position and Velocity Along a Trajectory, Man. Geod., 1989, 14, pp. 345–353.

60. Kleusberg, A., Peyton, D., and Wells, D., Airborne gravimetry and the Global Positioning System, IEEE Symposium on Position Location and Navigation. A Decade of Excellence in the Navigation Sciences, Las Vegas, NV, USA, 1990, pp. 273–278, doi: 10.1109/PLANS.1990.66188.

61. Forsberg, R., Vassiliou, A., Schwarz, K., Wong, R., Inertial gravimetry – comparison of Kalman filtering-smoothing and post-mission adjustment techniques, Bulletin geodesique, 1986, 60 (2), 129–142. https://doi.org/10.1007/BF02521013.

62. Дмитриев С.П. Инерциальные методы в инженерной геодезии. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 1997. 208 с.

63. Лобусов Е.С., Фомичёв А.В. Исследование режима ZUPT-коррекции для бесплатформенной инерциальной навигационной системы наземного подвижного объекта // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Приборостроение». 2014. №6. С. 15–24.

64. Glennie, C. and Schwarz, K.P., Airborne Gravity by Strapdown INS/DGPS in a 100 km by 100 km Area of the Rocky Mountains, Proceedings of International Symposium on Kinematic Systems in Geodesy, Geomatics and Navigation (KIS97), Banff, Canada, June 3–6 1997, pp. 619–624.

65. Lin, С.А., Chiang, K., Dongkai Dai, W., Kuo, C.Y., Integration of INS and GNSS for gravimetric application with UAS, ISPRS TC I Midterm Symposium “Innovative Sensing – From Sensors to Methods and Applications”, 10–12 October 2018, Karlsruhe, Germany.

66. Honeywell [Электронный ресурс] URL: https://www.honeywell.com/us/en (Дата обращения 09.01.2023).

67. Northrop Grumman [Электронный ресурс] URL: https://www.northropgrumman.com (Дата обращения 15.12.2022).

68. SAFRAN [Электронный ресурс] URL: https://www.safran-group.com (Дата обращения 15.12.2022).

69. iXblue [Электронный ресурс] URL: https://www.ixsea.com (Дата обращения 10.10.2022).

70. iMAR [Электронный ресурс] URL: https://www.imar-navigation.de (Дата обращения 08.09.2022).

71. ООО НПТ «Гравтехнология» [Электронный ресурс] URL: https://www.ооо-npt-gravtekhnologia (Дата обращения 02.09.2022).

72. Bruton, A., Improving the Accuracy and Resolution of SINS/DPGS airborne gravimetry, Ph.D. thesis, The University of Calgary, 2002.

73. Glennie, C.L., Schwarz, K.P., Bruton, A.M., Forsberg, R., Olesen, A.V., Keller, K., A Comparison of Stable Platform and Strapdown Airborne Gravity, J. Geod., 2000, 74:383–389, https://doi.org/10.1007/s001900000082.

74. Glennie, C.L., An analysis of airborne gravity by strapdown INS/DGPS, Ph.D. Thesis, Department of Geomatics Engineering, The University of Calgary, UCGE Report No. 20125, 1999.

75. Bruton, A., Hammada, Y., Ferguson, S., Schwarz, K., Wei, M., Halpenny, J., A Comparison of Inertial Platform, damped 2-axis platform and Strapdown Airborne Gravimeter, Proceedings of the International Symposium on Kinematic Systems in Geodesy, Geomatics and Navigation, Banff, Canada, 2001, pp. 542–550.

76. Tomé, P., Integration of Inertial and Satellite Navigation Systems for Aircraft Attitude Determination, Ph.D. thesis, Faculty of Sciences of the University of Porto, 2002.

77. Bastos, L., Tomé, P., Cunha, T., Fernandes, M.J., Cunha, S., Gravity Anomalies from Airborne Measurements — Experiments Using a Low Cost IMU Device, In: Sideris, M.G. (Eds) Gravity, Geoid and Geodynamics 2000. International Association of Geodesy Symposia, 2001, vol. 123, Springer, Berlin, Heidelberg, https://doi.org/10.1007/978-3-662-04827-6_42

78. Kreye, Ch., Hein, G.W., Zimmermann B. Evaluation of Airborne Vector Gravimetry Using GNSS and SDINS Observations, Observation of the Earth System from Space, Springer, Berlin/Heidelberg, 2006, pp. 447–461, https://doi.org/10.1007/3-540-29522-4_29.

79. Boedecker, G., Stiirze, A., SAGS4 – Strapdown Airborne Gravimetry System Analysis, In Flury, J., Rummel, R., Reigber, C., Rothacher, M., Boedecker, G., Schreiber, U. (Eds) Observation of the Earth System from Space, Springer, Berlin/Heidelberg, 2006, pp. 463–478, https://doi.org/10.1007/3-540-29522-4_30.

80. Cai, S., Wu, M., Zhang, K. et al. The first airborne scalar gravimetry system based on SINS/DGPS in China. Science China Earth Sciences, 2013, 56, 2198–2208, https://doi.org/10.1007/s11430-013-4726-y.

81. Huang, Y., Olesen, A.V., Wu, M., Zhang, K., SGA-WZ: A New Strapdown Airborne Gravimeter, Sensors, 2012, 12 (7), 9336–9348, doi:10.3390/s120709336.

82. Zhao, L., Forsberg, R., Wu, M., Olesen, A.V., Zhang, K., Cao, J., A Flight test of the strapdown airborne gravimeter SGA-WZ in Greenland, Sensors, 2015, 15, 13258-13269;DOI:10.3390/s150613258.

83. Cai, S., Zhang, K., Wu, M., Huang Y. Long-term stability of the SGA-WZ strapdown airborne gravimeter, Sensors, 2012, 12, 11091–11099, doi:10.3390/s120811091.

84. Cao, J., Wang, M., Cai, S., Zhang, K., Cong, D., Wu, M., Optimized design of the SGA-WZ strapdown airborne gravimeter temperature control system, Sensors, 2015, 15, 29984–29996, doi:10.3390/s151229781.

85. Бержицкий В.Н., Ермаков М.А., Ильин В.М., Смоллер Ю.Л., Юрист С.Ш., Болотин Ю.В., Голован А.А., Парусников Н.А., Гавров Е.В., Рекунов Д.А., Федоров А.Е., Габелл А., Олсон Д., Шабанов А.В. Бескарданный авиационный гравиметр GT-X // Тр. Межд. симп. «Наземная, морская и аэрогравиметрия: измерения на подвижных и неподвижных основаниях». СПб., 2010.

86. Hoss, M., Dreyer, A., von Hinueber, E.L., Urli, R., Lapeyrade F. Innovative Inertial Measurement Data Acquisition and Processing for Aircraft Surveying up to Airborne Gravimetry, The European Test and Telemetry Conference – ETTC, 2020, doi: 10.5162/ettc2020/1.3.

87. Becker, D., Becker, M., Olesen, A.V., Nielsen, J.E., Forsberg, R., () Latest results in strapdown airborne gravimetry using an iMAR RQH unit, 4th IAG symposium on Terrestrial Gravimetry, 2016, 19–25.

88. Раменский приборостроительный завод [Электронный ресурс] URL: https://rpz.kret.tech (Дата обращения 09.01.2023).

89. Simav, M., Becker, D., Yildiz, H., Hoss, M., Impact of temperature stabilization on the strapdown airborne gravimetry: a case study in Central Turkey, Journal of Geodesy, 2020, 94, 41, https://doi.org/10.1007/ s00190-020-01369-5.

90. Glennie, C.L., Schwarz, K.P., A Comparison and Analysis of Airborne Gravimetry Results from two Strapdown Inertial/DGPS Systems. In: Journal of Geodesy, 1999, vol. 73, no. 6, pp. 311–321, doi: 10.1007/s001900050248.

91. Hwang, C., Hsiao, Y.S., Shih H.C. Data Reduction in Scalar Airborne Gravimetry: Theory, software and case study in Taiwan, Computers & geosciences, 2006, 32 (10), 1573–1584, https://doi.org/10.1016/j.cageo.2006.02.015.

92. Deurloo, R., Development of a Kalman Filter Integrating System and Measurement Models for a Low-cost Strapdown Airborne Gravimetry System, Ph.D. thesis, Faculty of Sciences of the University of Porto, 2011.

93. Jensen, T.E., Olesen, A.V., Forsberg, R., Olsson, P.-A., Josefsson, Ö., New Results from Strapdown Airborne Gravimetry Using Temperature Stabilization, Remote Sens., 2019, 11, 2682, https://doi.org/10.3390/rs11222682.

94. iCORUS [Электронный ресурс] URL: https://imar-navigation.de/downloads/iCORUS.pdf. (Дата обращения 28.07.2022).

95. Deurloo, R., Bastos, L., Bos, M., On the use of UAVs for Strapdown Airborne Gravimetry, In: Kenyon S, Pacino MC, Marti U (Eds) Geodesy for planet Earth, International Association of Geodesy Symposia, 2012, vol. 136, Springer, Berlin, pp. 255–261, doi:10.1007/978-3-642-20338-1_31.

96. Bolotin, Yu.V., Vyazmin, V.S., Spectral Analysis of the Airborne Vector Gravimetry Problem, Journal of Mathematical Sciences, 2021, vol. 253, no. 6, pp. 778–795, doi: 10.1007/s10958-021-05269-7.

97. Вязьмин В.С., Голован А.А., Болотин Ю.В., Бровкин Г.И., Контарович О.Р. Технологии и результаты обработки первичных данных бескарданного аэрогравиметра в площадных съемках с облетом рельефа на разных носителях // Материалы ХХХIII конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2022. С. 157–160.

98. Jensen, T.E., Nielsen, J.E., Olesen, A.V., Forsberg, R., Strapdown Airborne Gravimetry Using a Combination of Commercial Software and Stable-Platform Gravity Estimates, In: Vergos, G., Pail, R., Barzaghi, R. (Eds) International Symposium on Gravity, Geoid and Height Systems 2016. International Association of Geodesy Symposia, 2017, vol. 148, Springer, Cham, https://doi.org/10.1007/1345_2017_9.

99. Бровкин Г.И., Конторович О.Р., Голован А.А., Вязьмин В.С. Результаты первой в России аэрогравиметрической съемки с бесплатформенным гравиметром // Труды IV Международной геолого-геофизической конференции и выставки: «ГеоЕвразия-2021. Георазведка в современных реалиях». Том II. ООО «ГеоЕвразия». Тверь: Издательство ООО «ПолиПРЕСС», 2021.

100. Бабаянц П.С., Бровкин Г.И., Контарович О.Р., Вязьмин В.С., Голован А.А. Методические особенности современных аэрогравиметрических съемок // Материалы ХХХIII конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н. Н. Острякова. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2022. С. 154–156.

101. Лаборатория управления и навигации МГУ [Электронный ресурс] URL: http://NavLab.ru (Дата обращения 09.01.2023).

102. Senobari, M.S., New results in airborne vector gravimetry using strapdown INS/DGPS, J. Geod., 2010, 84, 277–291, doi:10.1007/s00190-010-0366-6.

103. Вязьмин В.С., Голован А.А., Болотин Ю.В. Новые алгоритмы бескарданной аэрогравиметрии: проверка на экспериментальных данных // XXVIII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. Сборник материалов. 2021. С. 59–66.

104. АО «ГНПП «Аэрогеофизика» [Электронный ресурс] URL:. https://www.aerogeo.ru (Дата обращения 18.12.2022)