Применение GNSS технологий при проектировании, возведении и эксплуатации высотных зданий и сооружений

   Введение 

   В период бурного строительства уникальных комплексов (высотные здания, спортивные сооружения др.) задачи обеспечения  безопасности строительных конструкций  приобретают особенно высокий приоритет.

   Мониторинг  состояния здания с использованием спутниковых технологий является оптимальным  дополнением таких традиционных систем, как тензометры, уклономеры, наклономеры, традиционных геодезических  наблюдений за осадками и кренами  зданий.

   Сегодня активно изучаются вопросы проведения динамического мониторинга высотных зданий и сооружений с использованием навигационного поля глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Данный метод наблюдений дает возможность определять положение фиксированных точек строительных конструкций зданий (сооружений) в реальном времени, а также дает возможность получения детального описания эксплуатационных характеристик сооружения в течение длительного периода времени. Преимущество такого мониторинга состоит в его непрерывном характере, в том числе в реальном времени, а также в наличии возможности оповещения заинтересованных лиц о достижении критических деформаций. Помимо данных об общем изменении положения здания в пространстве с течением времени, мониторинг с использованием ГНСС дает возможность исследовать и анализировать колебания высотных зданий. 
 

   1 Общие положения 

   Динамический  мониторинг (далее - мониторинг) с использованием навигационного поля глобальных навигационных  спутниковых систем (ГНСС) представляет собой комплекс инженерно-геодезических  работ, выполняемых с целью определения  количественных характеристик деформационных процессов (горизонтальные перемещения  верха), в т.ч. колебаний зданий и  сооружений.

   Мониторинг  включает в себя следующие основные этапы:

1. разработка технического задания; рекогносцировка объекта; разработка программы проведения мониторинга;
2. монтаж и запуск комплекса оборудования;
3. обработка результатов наблюдений;
4. формирование отчетной документации.

   Измерения деформационных характеристик зданий и сооружений должны проводиться  по разработанной программе, включающей следующие разделы:

1. пояснительная записка, описание объекта;
2. перечень контролируемых параметров;
3. схемы размещения базовых станций, методы закрепления или использование существующих, их координаты;
4. схемы размещения рабочих пунктов на здании, выбор метода закрепления;
5. описание выбранной методики наблюдений;
6. используемая система координат;
7. программа выполнения наблюдений, методики постобработки, включая методику оценки точности полученных результатов;
8. рекомендуемое оборудование и программное обеспечение;
9. форма предоставления отчетной документации, периодичность предоставления отчетной документации.

   При выполнении работ по непосредственной настройке системы, настройке отдельных  приемников, программного обеспечения  и пр. следует руководствоваться  эксплуатационной документацией, прилагаемой  к спутниковому оборудованию и программному обеспечению. 
 

   2 Основные принципы системы мониторинга  с использованием ГНСС 

   Схема мониторинга с использованием ГНСС базируется на классическом типе геодезической  сети для выявления деформаций, т.е. методе определения смещений контрольных  пунктов относительно базовых (исходных), расположенных вне зоны деформаций (колебаний).

   Спутниковые наблюдения следует проводить в  дифференциальном режиме.

   Смещения  контрольных пунктов, закрепленных на наблюдаемом здании, сооружении, определяются как разность координат  за определенный промежуток времени.

   Состав  системы мониторинга с использованием ГНСС:

   1) сеть базовых станций вне зоны  деформаций;

   2) сеть станций на наблюдаемом  объекте (рабочие станции);

   3) система персональных компьютеров  с соответствующим программным  обеспечением для управления  системой мониторинга;

   4) система коммуникаций (каналы связи  для передачи данных);

   5) средства обеспечения безопасности, бесперебойного электропитания  и пр. 
 
 
 

   Рис 1. Принципиальная схема системы мониторинга приведена  
 

   3 Общие требования к проектированию  системы динамического мониторинга 

   3.1. Требования к проектированию  базовых станций 

   Для целей динамического мониторинга  возможно использовать либо специально созданные базовые станции (предпочтительней), либо уже существующие базовые станции.

   Состав  постоянно действующей базовой  станции:

   1) жестко зафиксированная спутниковая  антенна;

   2) приемник ГНСС;

   3) источник бесперебойного питания;

   4) вычислительный центр, управляющий  сетью базовых станций, собирающий  и архивирующий данные сети  и выдающий координатно-временную  информацию, в том числе и для  работы в реальном времени  (RTK и DGPS);

   5) сети коммуникаций, связывающие  базовую станцию с вычислительным  центром и обеспечивающие доступ  к данным: модем для передачи  по коммутируемой линии (наземная  линия связи, GSM, высокоскоростная беспроводная и т.д.), Интернет, местные или глобальные сети (протокол TCP/IP), прямое последовательное соединение. 

   Рис 2. Пример подготовки оборудования базовой станции (на примере приемника Leica серии 1200)

   a) Адаптер переменного тока 100/240 В  для преобразования питания 12 В постоянного тока; b) Интерфейсный  кабель; c) DB9 - сглаживающий фильтр; d) Метеодатчик/датчик наклонов с  интерфейсным кабелем; e) Приемник  серии GRXI200 Series; f) Защитный обтекатель  для антенны АТ 504; g) AT 504; h) АХ 1202; i) Антенный кабель TNC - TNC; j) Сглаживающий  фильтр; k) Карта Compact Flash card; l) Кабель  радиоинтерфейса; m) Радио; n) Кабель  для подключения радиоантенны; о)  Компьютер со специальным программным  обеспечением, например, с LEICA GPS Spider; p) Последовательный порт; r) Радиоантенна; s) Фильтр радиоканала; q) Кабель для  передачи данных 
 

   3.2 Требования к проектированию рабочих станций, размещаемых на наблюдаемом объекте (здании, сооружении) 

   Состав  рабочей станции:

   1) жестко зафиксированная в несущих  конструкциях здания, сооружения  спутниковая антенна;

   2) приемник ГНСС;

   3) источник бесперебойного питания;

   4) персональный компьютер, управляющий  рабочей станцией, собирающий, архивирующий  и выдающий данные с возможностью  доступа в дистанционном режиме;

   5) сети коммуникаций, связывающие  рабочую станцию с вычислительным  центром и обеспечивающие доступ  к данным.

   Управление  рабочей станцией должно осуществляется автоматически с персонального  компьютера с помощью специализированного  программного обеспечения.

   Приемник  ГНСС рабочей станции может работать постоянно или периодично.

   Необходимо  обеспечить наличие надежного бесперебойного электропитания оборудования рабочей  станции.

   Спутниковые антенны рабочих станций следует  размещать на крышах зданий, сооружений. 
 

   4 Требования к техническим возможностям оборудования при проведении динамического мониторинга зданий 

   Приемники должны быть сертифицированы для  геодезического применения в РФ и  иметь свидетельства о поверке.

   Согласно  паспортным данным приборов инструментальная точность определения координат  контрольных пунктов на наблюдаемом  здании (сооружении) с использованием ГНСС должна быть:

   При статической съемке (с режимом  постобработки):

1. в плане не ниже ±5 мм +1 мм/км;
2. по высоте не ниже 10 мм +1 мм/км.
3. В режиме кинематической съемки (RTK):
4. в плане не ниже ±10 мм +1 мм/км;
5. по высоте не ниже ±20 мм +1 мм/км.

   В комплект приемника должен входить  программный пакет для ЭВМ, обеспечивающий вычислительную обработку.

   Приемники, предназначенные для базовых  станций, должны соответствовать следующим  техническим требованиям:

   1) возможность приема сигналов  систем GPS и ГЛОНАСС всех типов  (L1, L2, кодовые, фазовые). Рекомендуется  использовать двухчастотные 72-канальные  спутниковые ГНСС-приемники.

   Одночастотные приемники можно использовать в  пределах небольших короткобазисных  сетей, но предпочтительно применять  двухчастотные;

   2) возможность генерирования выходных  данных всех форматов (RTK, DPGS, NMEA);

   3) наличие портов для:

• соединения с управляющим компьютером, на котором работает программное обеспечение станции (СОМ или Ethernet);
• подключения коммуникационного устройства для передачи RTK- и DGPS-поправок;
• подключения основного и резервного источников питания;
• подключения внешнего стандарта частоты (если необходимо);
• вывода меток точного времени (PPS);
• подключения периферийных устройств, таких как метеорологические датчики и датчики наклона;

   4) возможность передачи непрерывного  потока «сырых» спутниковых данных  на управляющий компьютер;

   5) большой объем внутренней памяти  для накопления данных в случае  прекращения связи с компьютером  и возможность автоматической  передачи этих данных при восстановлении  соединения.

   Антенны, предназначенные для базовых  станций, должны соответствовать следующим  техническим требованиям:

   1) возможность приема сигналов GPS/ГЛОНАСС  диапазонов L1 и L2 (отслеживание с  частотой 10 Гц);

   2) высокая стабильность фазового  центра (< 1 мм);

   3) наличие экрана для переотраженных  сигналов;

   4) устойчивость антенны к RF-искажениям.

   Рекомендуется использовать антенны типа Choke-ring, снабженные специальным экраном с кольцами для защиты от переотраженных спутниковых  сигналов.

   Приемники, предназначенные для рабочих  станций, должны соответствовать следующим  техническим требованиям:

   1) возможность приема сигналов  систем GPS и ГЛОНАСС всех типов  (L1, L2, кодовые, фазовые). Рекомендуется  использовать двухчастотные 72-канальные  спутниковые ГНСС-приемники;

   2) наличие портов для:

• соединения с управляющим компьютером, на котором работает программное обеспечение станции (СОМ или Ethernet);
• подключения основного и резервного источников питания;
• подключения периферийных устройств, таких как метеорологические датчики и датчики наклона;

   3) возможность передачи непрерывного  потока «сырых» спутниковых данных  на управляющий компьютер. В качестве антенн для рабочих станций возможно использовать любой вид антенн с возможностью приема сигналов GPS/ГЛОНАСС диапазонов 

   Таблица 1 Рекомендуемые технические характеристики и модели приборов и оборудования

   5 Программное обеспечение системы мониторинга 

   Программное обеспечение для базовой станции  должно иметь следующие функции:

1. автоматическая передача файлов с приемника на жесткий диск ПК;
2. проверка целостности данных, фильтрация;
3. сохранение данных на жесткий диск;
4. конвертация данных в формат RINEX (Compact Rinex);
5. архивация;
6. передача данных для постобработки;
7. передача дифференциальных поправок;
8. контроль состояния и функционирования приемника;
9. проверка систем связи и тп.

   Программное обеспечение для обработки результатов  спутниковых измерений должно иметь  следующие функции:

1. прием и передача данных;
2. предварительная обработка данных;
3. просмотр и редактирование;
4. оценка качества;
5. окончательная обработка;
6. уравнивание;
7. преобразование координат;
8. организация базы данных;
9. сервисные функции.

   6. Постобработка результатов спутниковых наблюдений 

   В результате проведения постобработки  должны быть вычислены координаты контрольных  точек на здании (сооружении), которые  позволят судить о пространственных деформациях здания.

   Постобработка результатов измерений может  выполняться как с использованием программ, входящих в комплект к  спутниковому оборудованию, так и  с использованием специально разработанных программ.

   Постобработку следует проводить по следующим  этапам:

   1) разрешение неоднозначностей фазовых  псевдодальностей до наблюдаемых  спутников, получение координат  определяемых точек в системе  координат глобальной навигационной  спутниковой системы и оценка  точности;

   2) трансформация координат в принятую  систему координат;

   3) уравнивание геодезических построений  и оценка точности уравненных  координат (оценка и исключение  случайных ошибок, обеспечение единственного  решения при наличии избыточных  данных; минимизация поправок, внесенных  в измерения, и т.д.).

   В качестве исходных условий должны быть заданы пункты, участвующие в обработке, опорные станции, координаты базовых  станций, интервалы времени для  полевых данных, включаемых в обработку, а также должны быть выбраны параметры  вычислений: корректировка угла отсечки (15°), выбор тропосферной модели, выбор  ионосферной модели, выбор варианта использования эфемерид, выбор комбинации частот и пр. 

   7 Подготовка отчетных материалов  по результатам динамического  мониторнига 

   По  результатам мониторинга необходимо составлять технические отчеты с  периодичностью, установленной техническим  заданием.

   Отчетные  материалы в процессе мониторинга  должны содержать следующие материалы:

1. краткая пояснительная записка;
2. схемы размещения базовых станций и контрольных точек на здании, сооружении;
3. информация о сроках выполнения измерений;
4. ведомости координат, деформационных характеристик, подлежащих определению согласно техническому заданию (программой производства работ). В ведомостях необходимо указать величины деформационных характеристик за определенные этапы времени с оценкой точности полученных величин. Должны быть указаны величины деформационных характеристик за текущий период наблюдений и суммарные значения за весь период наблюдений;
5. графики деформаций (колебаний);
6. результаты наблюдений. Форма предоставления результатов наблюдений должна быть указана в программе производства работ (в виде координат, графиков и др.).

   При появлении критических деформаций (колебаний) либо близких к ним  необходимо незамедлительно направлять информацию всем заинтересованным лицам. 
 

   8 Примеры ГНСС-приемников для базовых станций  

   8.1 Серия Leica GRX1200 GG

   Приемники данной серии обеспечивают получение  некоррелированых данных высшего качества при любых условиях. Они точны  для всех видов применения базовых  станций. Приемники GRX1200 GG Pro принимают  сигналы спутниковых систем ГЛОНАСС  и GPS, включая L2C. При этом имеется возможность модернизации до приема сигналов GPS L5, европейской системы Galileo и китайской системы Beidou-2 (Compass). Приемник имеет встроенный FTP-сервер, позволяющий просто и быстро скачивать данные вручную без какого-либо специального программного обеспечения. Или использовать функцию FTP Push, позволяющую полностью автоматически выгружать с приемника на удаленный FTP-сервер. Таким образом, наличие встроенного современного Интернет-интерфейса в приемнике позволяет исключить персональный компьютер из оборудования базовой станции.

   Серия Leica GRX1200 обеспечивает любой информацией, требуемой для осуществления  высокоточной съемки с помощью всех типов RTK- и ГИС-приемников. Они осуществляют передачу RTK- и DGPS-данных из места размещения по радиомодему или мобильному телефону или распределяют данные из центра управления по радиомодему, мобильному телефону или через Интернет. Поддерживаются форматы RTCM, собственно LEICA, CMR и CMR+.

   Приемники могут передать два различных  формата одновременно на двух различных  частотах или используя два различных  медиаустройства (например, радио и  телефон). Поддерживается квантование  времени. 

   8.2 Приемники Trimble NetR5

   Приемник Trimble NetR5 специально предназначен для  установки в качестве постоянно  действующей базовой станции. В  ее состав не требуется включать дополнительный компьютер - достаточно просто подключить базовую станцию к Ethernet-порту  и настроить передачу данных непосредственно  пользователям или в центр  обработки сети базовых станций.

   В случае перебоев в электросети или  на линии связи приемник имеет  емкий встроенный аккумулятор и  большую внутреннюю память, которую  можно практически неограниченно  расширять с помощью внешних USB-устройств, таких как модули флэш-памяти или  жесткие диски. После восстановления связи файлы измерений будут  автоматически отправлены пользователям.

   Настройки и состояние базовой станции  можно проверить с помощью  экрана и кнопок на передней панели приемника, а также дистанционно с любого компьютера, подключенного  к Интернету. Удобный встроенный Web-интерфейс приемника на русском  языке позволяет выполнять все  необходимые операции.

   Безопасность  доступа обеспечивается индивидуальными  паролями для каждой группы пользователей. 
 
 
 

   9 Примеры программного обеспечение  базовых станций 

   9.1 Leica GNSS Spider

   GPS Spider - интегрированный пакет программного  обеспечения для контроля и  управления как отдельными станциями,  так и сетями базовых станций. GPS Spider является модульной, наращиваемой  системой, в которой воплощены  передовые решения для постоянно  действующих высокоточных сетей  RTK (SpiderNET), централизованного распространения  данных, с возможностью управления  данными, а также сбора и  обработки данных.

   Leica GNSS Spider имеет несколько модулей  и может быть расширен различными  функциями, в том числе для  предоставления сетевых дифференциальных  поправок для работы в режиме RTK на большом удалении (SpiderNET Network RTK), централизованного распространения  данных для постобработки.

   Leica GNSS Spider, поддерживает GNSS-приемники Leica серий System 1200, GMX900 и System 500, а также  спутниковые приемники других  производителей.

   Программа GPS Spider может быть установлена в  конфигурации, позволяющей формировать  спутниковые дифференциальные поправки в реальном масштабе времени для  транслирования их по радиоканалу, сотовым  сетям, в сети Internet. Дифференциальные поправки могут быть сформированы в  различных форматах, включая общеиспользуемый формат RTCM. GPS Spider может одновременно создавать поправки различных форматов и типов для работы в режимах RTK, DGPS от одиночных базовых станций  и сетевые поправки вида VRS, FKP от нескольких станций.

   Программный модуль Leica GNSS SpiderNET предназначен для  анализа данных реального времени, поступающих от базовых приемников, и моделирования ошибок спутниковых  измерений в области сети референцных  станций.

   Сетевые дифференциальные поправки обеспечивают постоянную точность и надежность измерений  в режиме RTK. Сетевые поправки могут  формироваться на основе стандарта RTCM V3.1 с использованием специально разработанных технологий позиционирования Leica MAX и i-MAX.

   Новая концепция работы с сетевыми дифференциальными поправками MAC (Master-Auxiliary Concept) позволяет быстро и надежно получать точное местоположение в сети референцных станций. При этом Leica GNSS Spider предоставляет возможность работать в режиме RTK пользователям оборудования фирмы Leica, а также и других производителей.

   В дополнение к Leica GNSS Spider существует программное  обеспечение Leica GNSS QC для контроля качества и анализа GPS/ГЛОНАСС-данных. 
 
 

   9.2 Trimble GPSBase

   Trimble GPSBase - программное обеспечение для  управления одиночной базовой  станцией. Оно позволяет производить  запись данных для постобработки  и передавать их в реальном  времени.

   Trimble GPSBase поддерживает до десяти различных  сценариев передачи поправок  в режиме реального времени.  Это позволяет одновременно передавать  дифференциальные поправки в  форматах CMR и RTCM.

   Оператору базовой станции доступна подробная  информация о количестве и расположении спутников на небесной сфере, статусе GPS-эфемерид, анализе значений DOP, а  также детализированные оценки эффекта  многолучевости и ионосферных ошибок. 
 

   9.3 Trimble GPSNet 

   Программное обеспечение Trimble GPSNet позволяет создать  современную ГЛОНАСС/ GPS-инфраструктуру из нескольких базовых станций. Используя Trimble GPSNet, можно управлять сетью  постоянно действующих базовых  станций на необходимый район  работ. Объединение одиночных базовых  станций в единую сеть осуществляется, используя различные каналы связи.

   Программное обеспечение Trimble GPSNet предоставляет  возможность полного дистанционного управления всеми базовыми станциями. Все необходимые параметры (количество принимаемых спутников, значения DOP, эффект многолучевости и т.д.) легко  контролируются оператором сети.

   Для каждой базовой станции индивидуально  устанавливаются частота сбора  данных, величина маски возвышения, формат записываемых данных и другие параметры.

   Важной  функцией программного обеспечения Trimble GPSNet является постоянный контроль целостности  всей системы базовых станций  и передаваемых потребителю данных. Оператор ГЛОНАСС/GPS-инфраструктуры может  быть немедленно оповещен о неполадках в работе системы.

   Для работы с ГЛОНАСС/GPS-инфраструктурой  в режиме реального времени пользователю необходимо соединиться с единым вычислительным центром сети, используя, например, GSM- или GPRS-соединение.

   Программное обеспечение Trimble GPSNet имеет модуль автоматической загрузки быстрых эфемерид из Интернета, увеличивая тем самым надежность системы.

   В постобработке Trimble GPSNet обеспечивает удобный  доступ к данным любой базовой  станции через FTP или Интернет. Возможность  автоматического архивирования  данных базовых GPS-станций в форматы Rinex Hatanaka или Trimble Dat Zip позволяет максимально  эффективно использовать файловое пространство сервера.

   10 Программное обеспечиние для  обработки ГНСС-данных 

   10.1 LEICA Geo Office

   LEICA Geo Office обеспечивает все необходимое  для управления, визуализации, обработки,  импорта и экспорта данных  измерений, собранных с помощью  GPS/ГЛОНАСС-приемников. Анализ и обработка  данных осуществляются раздельно  или совместно.