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