Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современных технологий мониторинга состояния геологической среды и инженерных сооружений 12
1.1 Постановка задачи. Общие требования к системам мониторинга 12
1.2 Геодезический мониторинг объектов геологической среды 17
1.3 Геодезический мониторинг инженерных сооружений 21
1.4 Системы спутникового мониторинга 25
1.5 Зарубежный и отечественный опыт применения сетей постоянно действующих референцных станций для спутникового мониторинга объектов 29
2. Разработка методики спутникового мониторинга объектов 37
2.1 Постановка задачи 37
2.2 Источники ошибок спутниковых измерений 39
2.3 Математическая обработка спутниковых фазовых измерений 45
2.4 Методы анализа и интерпретации данных спутникового мониторинга объектов
2.4.1 Метод наименьших квадратов 52
2.4.2 Гармонический анализ 54
2.4.3 Автокорреляционные функции 59
2.5 Математическая обработка результатов измерений при спутниковом мониторинге объектов 60
2.5.1 Преобразование систем координат 60
2.5.2 Составление и решение уравнений поправок 64
2.5.3 Проверка методики на примере спутниковых измерений системы постоянно действующих референцных станций з
3. Результаты экспериментальных исследований разработанной методики для мониторинга геологической среды и состояния гидротехнических сооружений 82
3.1 Результаты проведения спутникового мониторинга геологической среды в приокском районе Русской платформы 82
3.1.1 Постановка задачи 82
3.1.2 Организация вычислительного процесса с использованием информации постоянно действующих референцных станций 85
3.1.3 Анализ результатов спутникового мониторинга геологической среды 88
3.2 Результаты проведения спутникового мониторинга Нижнекамской ГЭС .99
3.2.1 Постановка задачи 99
3.2.2 Организация прцесса спутникового мониторинга плотины Нижнекамской ГЭС 102
3.2.3Анализ результатов спутникового мониторинга плотины Нижнекамской
ГЭС 105
Заключение 112
Список источников информации
- Геодезический мониторинг инженерных сооружений
- Зарубежный и отечественный опыт применения сетей постоянно действующих референцных станций для спутникового мониторинга объектов
- Методы анализа и интерпретации данных спутникового мониторинга объектов
- Организация вычислительного процесса с использованием информации постоянно действующих референцных станций
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Решение таких специфических задач как мониторинг геологической среды (в части решения задач локальной геодинамики, а также смещений и деформаций грунтов), мониторинг деформаций сооружений (смещений в горизонтальной плоскости и вертикальном направлении) требует применения современных технологий, кроме высокой точности обеспечивающих заданную регулярность и автоматизацию получения информации.
Под термином «геологическая среда» нами рассматривались, прежде всего, геодинамические процессы, протекающие в приповерхностных структурах, на которых могут располагаться крупные инженерные сооружения и которые могут исследоваться геодезическими методами. Например, нарушение устойчивости гидротехнического сооружения (ГТС), создающего водохранилище больших объемов, может обернуться катастрофическими последствиями, соизмеримыми со стихийными бедствиями. Поэтому, контроль за состоянием ГТС, в том числе мониторинг плотин ГЭС, и земной коры в зоне их расположения, представляется совершенно необходимым. Решение может быть осуществлено на основе использования спутниковых технологий и применения математических методов для обработки и интерпретации полученных результатов.
Актуальность изучения и анализа возможностей мониторинга на основе наблюдений глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) заключается в его высокой эффективности. Системы спутникового мониторинга могут функционировать непрерывно, не требуя присутствия человека, предоставляя информацию о пространственных смещениях (по трём координатам) в режиме реального времени. При этом основой являются результаты измерений на постоянно действующих референцных станциях и спутниковых приёмниках, устанавливаемых в контролируемых точках, обеспечивающие мониторинг инженерных сооружений и геодинамических процессов в приповерхностных структурах локальных территорий, примыкающих к ГТС, с точностью определения смещений на уровне средних квадратических ошибок (СКО) 1-2 мм.
В связи с этим требуется разработка методики спутникового мониторинга, что является одной из задач диссертационной работы. Поэтому тема диссертации, посвященная разработке такой методики и анализу её эффективности, а в целом внедрению спутниковых технологий в одно из важнейших направлений хозяйственной деятельности - повышение эффективности ГТС, особенно их безопасной эксплуатации, является актуальной.
Цель и задачи диссертации. Целью диссертации является разработка методики спутникового мониторинга, на основании которой могут быть сформулированы частные методики (с учетом свойств объектов наблюдений) смещений крупных инженерных сооружений и геодинамических процессов в приповерхностных структурах, на которых они расположены.
Решению в диссертационной работе подлежат такие задачи как: определение требований к результатам мониторинга и на этой основе определение требований к системе мониторинга, её аппаратно-программному обеспечению, периодичности и оперативности измерений;
разработка математической модели мониторинга - формульных зависимостей результатов измерений и конечных результатов (смещений, деформаций);
алгоритмизация математической модели;
испытания методики на реальных объектах мониторинга.
Научная новизна работы состоит в теоретическом обосновании и доведении до практического использования разработанной автором методики спутникового мониторинга геологической среды и крупных ГТС со средними квадратическими ошибками определения смещений и деформаций на уровне 1-2 мм. В работе разработан математический аппарат, основанный на совместном использовании метода наименьших квадратов и гармонического анализа непрерывных рядов результатов ГНСС-наблюдений, позволяющий комплексно оценивать как трендовые, так и периодические изменения состояния объектов мониторинга, а также осуществлять фильтрацию данных спутниковых наблюдений.
Положения, выносимые на защиту, связаны с применением систем спутникового мониторинга на Нижнекамской ГЭС, изучением деформаций в приокском районе Русской платформы. На защиту выносятся следующие результаты:
методика спутникового мониторинга геологической среды;
методика спутникового мониторинга крупных ГТС;
обоснование точностных возможностей спутникового мониторинга геологической среды;
обоснование точностных возможностей спутникового мониторинга крупных ГТС;
результаты практической реализации спутникового мониторинга приокского района Русской платформы;
результаты практической реализации спутникового мониторинга Нижнекамской ГЭС;
рекомендации по внедрению спутниковой технологии на проектируемых и уже введенных в эксплуатацию ГЭС.
Практическая значимость работы состоит в том, что автором разработаны рекомендации по возможным вариантам внедрения спутниковой технологии и целесообразности её применения на ГЭС, а также рекомендации по совместной эксплуатации двух систем (спутниковой и технологии отвесов). Кроме того представленная методика мониторинга геологической среды может применяться при изучении локальной геодинамики платформенных территорий. Полученные результаты использовались в Институте геоэкологии РАН при выполнении исследований в приокском районе Русской платформы, а также в ОКР «Центр-П-М» по заказу Российского космического агентства, выполненной ОАО «НПК «РЕКОД» на Нижнекамской ГЭС.
Апробация работы. Результаты диссертационных исследований докладывались автором и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАИК 2005, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013 гг.; на Международной научно-технической
конференции «Геодезия, картография и кадастр -XXI век», посвященной 230-летию основания МИИГАиК (25-27 мая 2009 г., Москва); на XVI Международной конференции «Структура, свойства, динамика и минерагения литосферы восточно-европейской платформы» (20-24 сентября 2010 г., Воронеж).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в шести научно-технических статьях, пять из которых - в утвержденных ВАК изданиях. Материалы также представлены в научно-техническом отчете по результатам опытной эксплуатации Системы спутникового мониторинга на Нижнекамской ГЭС, подготовленном с участием автора.
Соответствие диссертации Паспорту научной специальности. Диссертация соответствует специальности 25.00.32 «Геодезия». Диссертационное исследование выполнено в соответствии с пунктом 3 паспорта специальности ВАК - Геодезические (глобальные) навигационные спутниковые системы и технологии...»; пунктом 6 - «Геодезическое обеспечение изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации крупных инженерных комплексов, в том числе гидротехнических сооружений...»; пунктом 8 - «Геодезический мониторинг напряженно-деформированного состояния земной коры...»; пунктом 11 - «Теория и практика математической обработки результатов геодезических измерений...».
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 136 страниц, состоит из введения, трех глав, заключения, списка источников информации (71 наименование, в том числе 13 на английском языке) и двух приложений. Работа содержит 15 таблиц и 48 рисунков.
Геодезический мониторинг инженерных сооружений
Федеральным законом Российской Федерации от 30 декабря 2009 г. № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» предусмотрена защита населения и объектов от негативного влияния опасных деформационных процессов на урбанизированных территориях, то есть в местах наибольшего скопления населения и концентрации промышленных объектов [43, 52].
К сложным инженерно-техническим объектам отнесены морские порты, аэропорты с большой протяженностью взлетной полосы, мосты, тоннели, метрополитены и крупные промышленные объекты с большой численностью работников. К ним же относятся и объекты капитального строительства, в проектной документации которых предусмотрена хотя бы одна из следующих характеристик: высота более 100 м; пролеты более чем 100 м; наличие консоли более чем 20 м; заглубление подземной части ниже планировочной отметки земли более чем на 10 м; наличие конструкций, в отношении которых применяются или разрабатываются нестандартные методы расчета [43]. То есть это такие объекты, для которых не установлены технические регламенты, оговаривающие типовые технические (в том числе и геодезические) технологии их создания. К ним также относятся высотные здания, стадионы, крупные торговые центры, киноконцертные залы. Отнесение зданий к уникальным проводится на стадии согласования технического проекта. Так, например, в Москве, где строительство многофункциональных высотных зданий с каждым годом возрастает, разработаны нормы и правила специального назначения, в которых утверждена необходимость создания систем мониторинга при их строительстве и эксплуатации [33,47].
Установка систем мониторинга безопасности таких объектов, как гидротехнические сооружения и мосты сложных конструкций, также является необходимым условием их возведения и эксплуатации [23,49].
Цели и задачи мониторинга безопасности достигаются посредством организации системы постоянных (непрерывных) инструментальных (в том числе автоматизированных, дистанционных) наблюдений, обеспечивающих получение качественной и достоверной информации в необходимых объемах и с требуемой визуализацией результатов для обслуживающего эти системы персонала.
Мониторинг инженерно-технических сооружений может выполняться, как отмечалось выше, спутниковыми и традиционными наземными средствами измерений. Представим на рисунке 3 упрощенную схему системы мониторинга с использованием традиционных наземных измерительных средств, таких как тахеометры, нивелиры, дальномеры.
Линейно-угловые измерения, измерения превышений с опорных пунктов до марок и отражателей на объекте мониторинга позволяют вычислить смещения конструкций, их осадки, крен и кручение [22].
Опыт показывает, что точность данного вида мониторинга с использованием наземных измерительных средств находится на уровне ошибок до 1 мм [53]. Высокая точность является положительным качеством мониторинга с использованием этих средств. В случаях, когда требуется дискретный мониторинг контролируемых точек объекта, он является на данный момент времени основным в системах мониторинга.
Схема системы мониторинга с использованием традиционных наземных измерительных средств Вместе с тем он имеет и ряд существенных недостатков, таких как необходимость обеспечения прямой видимости, ограниченное расстояние между пунктами (не более сотен метров), погодные условия, влияющие на работу механических и оптических частей прибора (снег, сильный ливень). Совершенствование наземных измерительных средств мониторинга идет, главным образом, по пути повышения их уровня автоматизации. Сейчас имеется оборудование и программное обеспечение, позволяющее создавать такие системы, которые объединяют геодезические приборы, различного рода датчики, средства связи и предварительной обработки данных и дают возможность визуализировать результаты в реальном времени.
Так известными зарубежными производителями (Leica, Trimble и другие) разработаны и применяются автоматизированные тахеометры, нивелиры и дальномеры. Они по заданной программе наводятся с опорных точек на отражатели, измеряя горизонтальные и вертикальные углы, расстояния. Так, например, фирмой Leica выпускаются автоматизированные тахеометры System 2000 (ТСА2003 / ТС2003) с ошибкой измерения углов 0.5" и расстояний Імм+lppm, фирмой Trimble — автоматизированный тахеометр VX Spatial Station с ошибкой измерения углов 1" и расстояний 2мм+2ррт. Вычисление геометрических характеристик по измерениям широкого круга датчиков выполняется по программе GeoMoS (Leica), Trimble 4D Control (Trimble) [58, 59].
Автоматизированные измерительные средства эффективно применяются в стандартных для их работы погодных условиях и в закрытых помещениях. Полностью устранить вышеперечисленные недостатки не представляется возможным. Для некоторых сооружений (например, мостов) совершенно необходим непрерывный мониторинг, поскольку только он в состоянии выделить высокочастотную составляющую деформационного процесса, соизмеримую с частотой соответственных колебаний конструкции (от 0,1 до 10 Гц). Эту задачу, конечно, можно хотя и в ограниченном виде, решать с помощью автоматизированных тахеометров, выявляя амплитуду колебаний, начиная с 1 мм [53], но проблемы в целом это не решает, учитывая зависимость измерений от погодных условий, конструкцию тахеометра, имеющую механические элементы.
С развитием спутниковых технологий все большее количество задач, решаемых до этого традиционными технологиями, в том числе мониторинг геометрических характеристик различных объектов, переходят на использование спутниковых приемников, устанавливаемых, как на опорных, так и на контролируемых точках. Технология спутникового мониторинга рассматривалась в ряде работ, в том числе в проектах COGEAR [65] и GOCA [67], практическая реализация таких систем выполнена, как за рубежом [69, 70, 71], так и в России [2, 39, 40].
Зарубежный и отечественный опыт применения сетей постоянно действующих референцных станций для спутникового мониторинга объектов
Во второй главе выполним теоретическое обоснование, алгоритмизацию и проверку работоспособности методики спутникового мониторинга. Каждый из объектов мониторинга, исследуемых в данной работе, имеет свои особенности, которые необходимо учитывать. Так при изучении локальных геодинамических процессов, в зависимости от площади, должно быть не менее трех контролируемых пунктов, то есть сеть. Так как речь идет об очень медленном природном процессе, для выявления каких-либо закономерностей продолжительность непрерывных наблюдений должна составлять не менее 2-3 лет. В случае с плотиной ГЭС мониторингу подлежит участок на инженерном сооружении, изменения параметров которого связаны, прежде всего, с повышением/снижением уровня воды водохранилища. Для получения первых результатов мониторинга достаточно нескольких месяцев. С учетом перечисленных фактов, как будет показано далее, общая разработанная методика, основанная на использовании одного «инструмента», должна делиться на две частные методики с учетом особенностей наблюдаемых процессов и объектов.
Общая методика включает в себя ряд процессов, в том числе: определение требований к результатам мониторинга и на этой основе определение требований к системе мониторинга, её аппаратно-программному обеспечению, периодичности и оперативности измерений; азработку математической модели мониторинга - формульных зависимостей результатов измерений и конечных результатов (смещений, деформаций); алгоритмизацию и программирование математической модели; испытания методики на реальных объектах мониторинга.
Основными из этих процессов являются разработка математической модели мониторинга и испытания методики на реальных объектах, что с максимальной подробностью излагается во второй и третьей главах диссертации. На разработку математической модели мониторинга принципиальное влияние оказывает вид измерений. Спутниковые радиотехнические измерения кода и фазы несущей частоты, являясь наиболее точными, требуют тщательного учёта своих особенностей. Целесообразным математическим аппаратом обработки массовых спутниковых измерений является метод наименьших квадратов, в котором связь измеренных параметров с результатами мониторинга (смещениями, деформациями) адекватно описывается средствами гармонического анализа.
В соответствии с вышеизложенным, далее рассмотрены основные источники ошибок, сопровождающие процесс получения спутниковой измерительной информации и методы их устранения, процесс обработки результатов наблюдений и разработанный математический аппарат, позволяющий комплексно оценивать как трендовые, так и периодические изменения состояния объектов мониторинга, а также осуществлять фильтрацию данных спутниковых наблюдений.
Спутниковые измерения принципиально отличаются от наземных, выполняемых традиционными средствами измерений - тахеометрами, теодолитами, дальномерами. Они выполняются радиотехническими средствами, в которых измеряемым параметром в задачах высокой точности является фаза несущей частоты, преобразованная в псевдодальность и содержащая целое неизвестное число длин волн и точно измеренный остаток. Определение целого числа длин волн, укладывающихся в дальность между фазовыми центрами антенн передатчика и приемника, является сложной задачей. Существует множество её решений, реализованных в современных вычислительных программах [1, 13].
Спутниковые измерения сопровождаются большим числом «мешающих» факторов, привносящих ошибки в результат. Их учет также является сложной научно-технической задачей. Еще одной отличительной особенностью спутниковых измерений является очень большой объем измерительной информации. Радиотехнический принцип измерений позволяет регистрировать отсчеты с дискретностью до 1 мс. Образующееся огромное число измерений требует длительной и сложной обработки. Задача решается поэтапно. Первичная обработка измерений осуществляется уже в приёмнике. Простейшим алгоритмом поток измерений преобразуется в единичные измерения с некоторой дискретностью (от 1 сек. до десятков секунд). И уже эти единичные измерения поступают в вычислительные программы, где выполняется их обработка, в том числе фильтрация некачественных измерений, учет неоднородности среды распространения радиосигнала, разрешение неоднозначности и получение окончательных результатов в виде набора координат.
Большие объемы спутниковых измерений, с одной стороны усложняют задачу, с другой стороны обеспечивают непрерывный процесс получения результатов, чем выгодно отличаются от традиционных наземных измерений. Это отличительное качество делает их эффективным средством мониторинга состояния объектов.
В системах спутникового мониторинга исходными данными для анализа являются координаты контролируемых точек, которые мы стремимся получить с точностью на уровне первых миллиметров. Зная источники ошибок, сопровождающие спутниковые измерения и причины их возникновения, можно значительно улучшить вклад измерительной информации в решение задачи мониторинга путем рационального размещения оборудования, использования данных международных служб, организующих ГЛОНАСС/GPS наблюдения, и организации вычислительного процесса. Поэтому рассмотрим источники ошибок и основные принципы получения, подготовки спутниковой ГЛОНАСС/GPS измерительной информации и её математической обработки — вычисление линейных смещений контролируемых точек объекта мониторинга.
Источники ошибок спутниковых измерений Ошибки, сопровождающие спутниковые определения, принято подразделять на аппаратурные, ошибки, обусловленные влиянием внешней среды и ошибки исходных данных, например, ошибки эфемерид спутников. К аппаратурным ошибкам относят факторы, определяющие разрешающую способность аппаратуры.
Методы анализа и интерпретации данных спутникового мониторинга объектов
При решении задачи необходимо установить число определяемых параметров, порядок коэффициентов а и Ъ в гармоническом ряде Фурье. Это целесообразно проделать с учетом свойств конкретного объекта. В спутниковых задачах число измерений столь велико, что оно практически всегда во много раз превышает число определяемых параметров. Согласно положениям теории спектрального анализа, заданные отсчеты функции j[i) позволяют определить коэффициенты щ и Ь} до N12 гармоники. Если N - четное, то высшая гармоника имеет порядок N12, если N - нечетное, {N+1)12 [3]. При учете максимального числа определяемых параметров уравнение (2.51) представляет собой аппроксимирующую кривую, которая до уровня поправок вычислений совпадает с результатами измерений в узловых точках.
Количество учитываемых коэффициентов гармонического ряда следует определять с учетом свойств объекта мониторинга. Такое инженерное сооружение как плотина равнинной ГЭС представляет собой практически монолитную конструкцию, основную нагрузку на которую оказывает напор воды водохранилища, изменение которого происходит достаточно плавно (начиная с нескольких суток). Это дает основание предположить что вызванные этим изменения взаимного положения секций (смещения) имеют очень низкую динамику, а следовательно низкочастотный спектр. Тогда в уравнение погрешностей, необходимо включить только присущие объекту низкие гармоники. Соответствующий спектр может быть получен по ранее выполненным измерениям (перед началом цикла мониторинга).
Для проверки этого утверждения мы провели сравнение спектральных характеристик результатов определения, полученных с использованием спутниковой и штатной технологий (отвесы). Объектом наблюдения здесь выступает взаимное смещение двух соседних секций плотины ГЭС. В штатной технологии определения смещений инструментом являются прямые и обратные отвесы, измеряющие растяжение/сжатие «шва» - участка на гребне плотины. Отсчеты снимаются один раз в час. В штатной технологии обратных отвесов отсчетной является плоскость, содержащая отвесную линию, положение которой зависит от силы тяжести меняющейся массы воды. В основе спутниковой технологии лежит геометрический принцип, не связанный с действием силы тяжести. Спутниковые антенны расположены на расстоянии 3 м друг от друга по разные стороны от шва. Обе технологии реагируют на любые линейные смещения плотины. Это позволит проверить состоятельность спутникового мониторинга взаимного смещения секций плотины путем сравнения результатов двух технологий, приняв технологию отвесов за эталон.
Первичная математическая обработка спутниковых измерений и вычисление координат проводилцсь программой «Trimble 4D Control», на выходе которой получается набор смещений координат, осредненных на каждый час определений. Для дальнейших вычислений смещения переведены в систему ГЭС и из них исключен тренд (программа «Спектр-МНК», разработанная в ОАО «НПК «РЕКОД» на основе предложенного автором алгоритма).
Для наборов координат, определенных по результатам измерений двух технологий, были вычислены коэффициенты разложения в ряд Фурье и амплитудные характеристики в соответствии с п. 2.4.2. Мы взяли ограниченный интервал в 512 часов ( 21 день число измерений с дискретностью 1 час), для которого максимальное число гармоник составит 256. Для данного алгоритма, построенного на основе гармонического ряда Фурье, принципиальное значение имеет продолжительность интервала обработки. Чем он длиннее, тем решение устойчивее. Поэтому, как установлено опытным путём, рекомендуется интервал выбирать длительностью более 8 суток (до 30 суток для оптимизации машинного времени обработки). При этом новая информация может быть представлена коротким интервалом (например, в 1 час), а остальная информация является предысторией, которая уже участвовала в предыдущей обработке. При интервалах менее 8 суток проявляются, так называемые, краевые эффекты (эффект Гиббса), искажающие результаты. Так в окрестности точек разрыва ряд Фурье сходится неравномерно, и это проявляется в том, что у суммы конечного числа членов ряда Фурье есть характерные всплески вблизи точки разрыва исходной функции, частота которых увеличивается с увеличением числа слагаемых конечной суммы ряда. Это также следует учитывать, если необходимо совместить последовательные интервалы длительных наблюдений, то есть они должны перекрывать друг друга.
Амплитудный спектр взаимных смещений секций плотины Нижнекамской ГЭС с учетом 16 гармоник (выбраны эмпирически), полученный по измерениям прямых и обратных отвесов, представлен на рисунке 15. Как следует из этого рисунка, значимыми для плотины Нижнекамской ГЭС являются первая и вторая гармоники. А(Х) [ мм] 1,42 Амплитудный спектр. 1,06-0,71 0,35 о,оо 1±ь 10 Номер гармоники Рисунок 15 - Амплитудный спектр взаимных смещений секций плотины Нижнекамской ГЭС по координате х, определенных по штатной технологии (учтены 16 гармоник) На рис. 16 представлен амплитудный спектр смещений по координате JC, полученный с использованием спутниковой технологии. Слева с учетом максимального числа гармоник (256), а справа с учетом только 16 гармоник. Совпадение спектров для двух технологий по 16-ти гармоникам свидетельствует о том, что спутниковая технология выявляет присущие плотине колебания, которые фиксируются и штатной технологией (отвесы). Как видно из рисунков 15 и 16 и подтверждается выполненными расчетами, «рабочими» являются первые две гармоники.
Организация вычислительного процесса с использованием информации постоянно действующих референцных станций
Система спутникового мониторинга Нижнекамской ГЭС была разработана с участием автора диссертации в период с конца 2009г. по март 2010г. Исполнителем работы явилось Открытое акционерное общество «Научно-производственная корпорация «РЕКОД» (ОАО «НІЖ «РЕКОД»). Опытное применение системы спутникового мониторинга было проведено с апреля 2010 по сентябрь 2011г. Целью опытной эксплуатации было подтверждение возможностей эффективного применения спутникового мониторинга для изучения деформаций и смещений крупных гидротехнических сооружений (ГТС).
Основным требованием к системе мониторинга ГТС, определенным Минэнерго России, является высокая точность определения смещений, в данном случае гребня плотины, на уровне средних квадратических ошибок 1.5 мм в плановых координатах и 2 мм по высоте [39, 40]. Кроме этого, важными требованиями к системе мониторинга ГТС являются надежность, оперативность получения информации и выдачи результатов для своевременного принятия решений персоналом, а также максимально возможная автоматизация процесса мониторинга.
Разработанный алгоритм обработки измерительной информации описан в разделе 2. Вычисление геоцентрических и топоцентрических координат фазовых центров антенн приемников производилось по программе «Trimble 4D Control». Остальные вычисления, в том числе коррекция входной информации (заполнение пропусков измерений, отбраковка некачественных измерений), переход в локальные системы координат, вычисление спектров, низкочастотная фильтрация, формирование выходной информации, выполнялись в программе «Спектр - МНК», специально разработанной ОАО «НІЖ «РЕКОД» с участием автора диссертации. Структура вычислительного процесса показана на рис. 31.
Схема практической реализации вычислительного процесса при мониторинге ГЭС Согласно представленной схеме спутниковая измерительная информация с приёмников, поступает в программу «Trimble 4D Control», где происходит её первичная обработка, то есть получение геоцентрических и далее топоцентрических координат контролируемых точек. Далее происходит их автоматическое осреднение с заданной дискретностью. То есть на выходе из программы имеем осредненные топоцентрические координаты с СКО на уровне 1 см. Выдача результатов (относительных линейных смещений гребня плотины на секциях) в интервале решения задачи Т = nAt {п - число измерений) может осуществляться с любой дискретностью, в представленном эксперименте выбрана дискретность Д?=1час. Такой интервал установлен в соответствии с частотой снятия отсчетов показаний отвесов в текущей штатной технологии на ГЭС, что позволило провести адекватное сравнение результатов разных видов измерений.
Почасовые координаты формируются на сервере в непрерывную базу данных. Перевод координат в систему ГЭС и фильтрация данных с целью улучшения их точностных характеристик проводилась в программе «Спектр-МНК» следующим образом. До начала вычислений в программе задаются контрольные координаты пунктов, определенные заранее, и углы разворота, предоставленные персоналом ГЭС, для перехода в систему ГЭС (элементы матрицы W на. рис. 31). Оператор программы задает опорную и контролируемую точки, интервал времени (начиная с нескольких суток), число учитываемых гармоник и предел нормированной ошибки для оценки качества получаемых данных.
Вычисление координат контролируемых точек по программе «Спектр-МНК» (ОАО «НПК «РЕКОД») выполнялось в правой топоцентрической системе, ось у которой направлена по току воды, ось х - вдоль плотины, ось h -вертикально вверх по нормали.
Предел нормированной ошибки согласно п. 2.5 0 t 3 используется при оценке качества измерительной информации. СКО единицы веса /л характеризует качество спутниковых измерений, но не точность определения смещений контролируемых точек. Она определяется по формуле (2.56) (п. 2.5). Например, при интервале 7 8 суток (27V=192, &=2) и допустимых СКО единицы веса =5мм, ,//у=8мм, ///,=15мм, СКО определения смещений W 0,8MM, WJ, 1,3MM, /я/, 2,4мм [39].
В таблице 9 приведен фрагмент отчетной таблицы смещений контролируемой точки - секции VSP верхнего бьефа плотины ГЭС, в период измерений и прогноза с дискретностью 1 час.
Как видно из таблицы на выходе получаются смещения (изменения координат) контролируемых точек в системе ГЭС с заданным интервалом временных отсчетов. На сутки вперед осуществляется прогноз изменения смещений.
Далее детально представим результаты оценки эффективности применения разработанного алгоритма.
Структура системы спутникового мониторинга Нижнекамской ГЭС представлена в п. 1.5. Общий вид расположения этих элементов системы показан на рис.11 п. 1.5, функциональная схема их взаимодействия приведена на рис.32. Важным фактором обеспечения высокой надежности системы и качества измерений является расположение спутниковых приемников. Референцная станция Ns расположена на одном из технических зданий Нижнекамской ГЭС на расстоянии около 400 м от контролируемых точек. Контролируемыми точками являются две соседние секции (8 и VSP) верхнего бьефа плотины ГЭС, расстояние между антеннами приемников на них около 3 м. Референцная станция имеет открытый радиогоризонт и свободна от переизлучения радиосигналов. Спутниковые антенны расположены в контролируемых точках на гребне плотины.
Похожие диссертации на Разработка методики применения спутникового метода для геодезического мониторинга и прогнозирования состояния геологической среды и гидротехнических сооружений
