Использование системы спутниковой навигации при проведении сейсморазведочных работ на водных акваториях

Актуальной для Красноярского края является разведка и освоение месторождений нефти, газа и др. При проведении геологоразведки представляется перспективным использование невзрывных методов, которые обладают рядом преимуществ по сравнению со взрывными методами создания сейсмоволн, в частности, это отсутствие необходимости бурения скважин, что иногда сложновыполнимо при наличии твердых горных пород; экологичность, поскольку ударная волна невзрывного источника сейсмоволн не наносит природе ущерб; отсутствие взрывчатых веществ в технологической цепочке.

Невзрывной источник сейсмоволн может быть реализован на основе силового электромагнитного (ЭМ) привода [1]. Проведение геофизических исследований невзрывными методами осуществляется следующим образом. В выбранной позиции, имеющей координатную привязку, устанавливается один или несколько ЭМ для увеличения глубины зондирования. Сейсмические волны, распространяясь в земной коре, отражаются от границ раздела слоев (песок, глина, пустоты и др.). Регистрация отраженных сейсмических волн осуществляется с помощью специальных сейсмодатчиков – пикетов, которые устанавливаются через определенное расстояние. Координатная привязка пикетов в настоящее время осуществляется геодезическими средствами. Для увеличения уровня от-раженности сигналов и уменьшения влияния случайной составляющей погрешности измерений осуществляется многократное воздействие. Далее ЭМ перемещается на другую точку с известными координатами, и процесс повторяется. Предприятием ОАО «Ени-сейгеофизика» разработаны варианты размещения невзрывных источников на колесное транспортное средство или на сани.

Кроме того, для геодезических исследований в условиях водных акваторий разрабатываются водные электромагниты (ВЭМ) с их установкой на понтон, буксируемый катером сплавным. Особенностью такой техники является то, что при работе на реках отсутствует возможность обеспечения неподвижности ВЭМ вследствие влияния течения реки. В результате теряется возможность многократного зондирования в одной точке, а также требуется оперативное определение координат точки воздействия. Для решения этой задачи геодезические методы координатной привязки оказываются неэффективными, что обусловливает необходимость использования аппаратуры спутнико- вых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS. Это позволяет охватить весь спектр задач координатно-временного обеспечения сейсморазведочных работ [2].

На данный момент основу системы навигационного обеспечения сейсморазведочных работ составляет навигационная аппаратура потребителей (НАП) спутниковых радионавигационных систем (СРНС) МРК-32. Данные приборы разработаны совместно ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» и ФГУП НПП «Радиосвязь» (г. Красноярск), выпускаются серийно предприятием ФГУП НПП «Радиосвязь» и представляют собой 16-канальные приемники СРНС ГЛОНАСС/GPS (рис. 1). Описание системы и структурная схема проведения работ рассматриваются в [3].

Рис. 1. Внешний вид приемника СРНС ГЛОНАСС/GPS МРК-32

Для навигационного обеспечения используются два приемника НАП СРНС МРК-32. Первый приемник установлен на бортовой станции (БС) – на борту судна с ВЭМ с целью определения координат и скорости движения судна. Отличительной особенностью является возможность сопряжения МРК-32 с контроллером ВЭМ для управления сейсмическими воздействиями в заданных точках и с выбранным оператором интервалом, что позволяет синхронизировать момент измерения координат и излучение сигнала ВЭМ. Расчеты показали, что для получения требуемого уровня энергии отраженных сигналов необходимо на межпикетном расстоянии в 50 м осуществлять по 10 воздействий, в связи с чем интервал воздействий был принят равным 10 с при поддержании скорости движения судна примерно 1,8 км/с. Приемник МРК работает по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS, что позволяет повысить надежность получения навигационных данных в условиях затенения спутников деревьями и горами. Для осуществления контроля и

Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева управления НАП используется персональный компьютер типа Notebook с соответствующим программным обеспечением для контроля и сбора данных в реальном времени, а также для их постобработки. Структурная схема НАП БС представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема НАП БС

Следует отметить устойчивость аппаратуры к сложным условиям эксплуатации, таким как постоянная вибрация (вследствие периодических ударов электромагнита), качка, повышенная влажность, повышенная или пониженная температура окружающей среды. Также в связи с тем, что в светлое время суток сложные погодные условия (ветер, осадки) создают помехи, уровень которых не позволяет должным образом регистрировать сигнал сейсмодатчикам, работы обычно проводятся в темное время суток. Для повышения безопасности во время судовождения в работу включен картплоттер Garmin 3005C, имеющий возможность отображения текущего положения судна на электронной карте реки. Подключение к нему эхолота позволило оперативно регистрировать глубину под понтоном с ВЭМ и вовремя избегать прохождения таких участков рек, как мель. Дополнительно в картп-лоттер загружались координаты пикетов, установленных на берегу. Данная информация позволила капитану судна в сложных условиях ночного времени суток или в тумане ориентироваться относительно береговой линии.

Для увеличения точности определения координат БС в систему была введена контрольно-корректи-рующая станция (ККС). Аппаратурой, входящей в ее состав, является второй приемник МРК-32, выходом «COM-1» соединенный с персональным компьютером типа Notebook, используемым для управления режи- мами работы аппаратуры и накопления измерительной информации. Координаты антенны МРК-32 были привязаны геодезическими средствами и использовались для формирования дифференциальных поправок с целью реализации дифференциального режима определения места судна. Получение координат точек воздействий осуществлялось в постобработке по накопленным результатам измерений с ККС и БС.

Испытания навигационной системы проводились в 2008 г. на реке Ангаре. В 2009 и 2010 гг. были выполнены работы на реках Бирюса, Чуна, Тасеево, приблизительный километраж работ составил 294 и 147 км соответственно [4]. На протяжении суток система отрабатывала от 3 до 10 км профиля. На скорость прохождения влияют такие факторы, как сложные погодные условия, течение реки, а также разнообразие состава грунта, где приходится на определенный участок делать большее количество сейсмических воздействий, что приводит к уменьшению скорости БС.

Принимая во внимание испытания, проведенные в 2008–2009 гг. на реках Бирюса, Чуна, Тасеево, был сформулирован ряд предложений и замечаний, который был учтен в испытаниях 2010 г. Так, сотрудниками ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» были выполнены мероприятия по созданию нового программного обеспечения (ПО) системы. В ПО входит комплексная обработка навигационных данных, включая дифференциальный режим. Программа рассчитывает координаты БС раздельно по созвездию ГЛОНАСС или GPS и их совместного решения.

С целью повышения надежности получаемых координат БС, в разработанном ПО реализованы фильтры четырех типов: фильтрация по амплитуде принимаемого сигнала (удаление измерений спутников, амплитуды которых меньше установленного значения); фильтрация по времени (удаление измерений тех спутников, слежение за сигналом которых по времени меньше установленного значения); фильтрация по углу места (удаление измерений спутников, угол места которых меньше установленного значения); фильтрация по первым N измерениям (в расчет не принимаются данные с тех спутников, которые были регистрированы меньше определенного времени).

Статистический анализ данных со спутников ГЛОНАСС и GPS в стационарном (неподвижном) состоянии антенны приемника МРК-32 представлен в табл. 1 и 2. Время записи длилось около 12 ч.

Данные, не прошедшие обработку фильтрами

Таблица 1

Таблица 2

Результаты комплексной обработки всеми фильтрами

Параметр фильтра по амплитуде был выбран 40 у. е., по времени равен 500 измерений, по углу места – 20о. Как видно из таблиц, значение среднеквадратического отклонения после фильтрации уменьшилось, что является положительным результатом.

Анализ результатов работы показывает, что навигационное геодезическое обеспечение сейсморазведочных работ на реке выполнено в полном объеме, в соответствии с заданием предприятий ОАО «Енисей-геофизика» и ООО «Богучанская геофизическая экспедиция».

Стоит отметить, что важным аспектом системы навигационного обеспечения сейсморазведочных работ является ее целостность, отлаженная работа всех узлов и компонентов, начиная от организации электропитания и заканчивая управляющим программным обеспечением. Немаловажным является и учет сложных полевых условий во время работы аппаратной части, а также возможность интеграции системы с современными носителями информации и средствами связи. Проведенные работы показали, что в моменты подхода БС к гористому берегу наблюдается затенение неба и, в результате, уменьшение числа принимаемых спутников до 6 и менее, что приводит к скачкообразному изменению координат места. Для решения этой проблемы существует возможность использования инерциальных навигационных систем для исключения влияния указанного эффекта. Также немаловажным является реализация передачи дифференциальных поправок в реальном режиме времени по каналам связи (радиоканалу), что позволит увеличить точность определения координат и сократить время на обработку данных.