Особенности геодезических измерений спутниковыми методами реферат

Обновлено: 05.07.2024

Замена традиционных средств измерений на электронные привела к появлению новых методов и технологий геодезиче¬ских работ. Спутниковые радионавигацион¬ные системы (СРНС) и геодезических приемников принципиально изме¬нило методику построения опорных геодезических сетей. Термин "GPS технологии" (или ГЛОНАСС/GPS технологии) применяется для способов определения координат с применением спутниковых радионавигационных систем– американской системы GPS и российской ГЛОНАСС. Каждая из этих СРНС при полном развертывании состоит из 24 спутников, вращающихся на орбитах с высотой около 20000 км. Спутники непрерывно передают сигналы, содержащие информацию об их положении и точном времени, а также дальномерные коды, позволяющие измерить расстояния.

Содержание

Введение. 2
Глава 1. Геодезические работы с использованием спутниковых систем. 4
1.1. Спутниковые радионавигационные системы 4
1.2Пространственная геоцентрическая система координат 6
1.3Геодезические приёмники 8
1.4Планирование и проведение измерений 13
1.5Обработка результатов спутниковых измерений 22
Заключение. 29
Список литературы 31

Прикрепленные файлы: 1 файл

курсачччч.docx

Глава 1. Геодезические работы с использованием спутниковых систем. 4

1.1. Спутниковые радионавигационные системы 4

1.2Пространственная геоцентрическая система координат 6

1.3Геодезические приёмники 8

1.4Планирование и проведение измерений 13

1.5Обработка результатов спутниковых измерений 22

Список литературы 31

Введение.

Традиционные методы геодезических измерений и графического отображения полученной информации на бумажных носителях остались в прошлом. Современное геодезическое обеспечение инженерно-строительных изысканий, проектирования и строительства различных объектов, а также инвентаризации, кадастра и оценки объектов недвижимости базируется на использовании принципиально новых геодезических приборов и технологий, геодезических информационных систем пространственных баз данных. Все полевые измерения и съёмки выполняются сейчас электронными приборами с автоматической регистрацией результатов, автоматизированы и все последующие процессы геодезического производства.

Замена традиционных средств измерений на электронные привела к появлению новых методов и технологий геодезических работ. Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) и геодезических приемников принципиально изменило методику построения опорных геодезических сетей. Термин "GPS технологии" (или ГЛОНАСС/GPS технологии) применяется для способов определения координат с применением спутниковых радионавигационных систем– американской системы GPS и российской ГЛОНАСС. Каждая из этих СРНС при полном развертывании состоит из 24 спутников, вращающихся на орбитах с высотой около 20000 км. Спутники непрерывно передают сигналы, содержащие информацию об их положении и точном времени, а также дальномерные коды, позволяющие измерить расстояния.

Определение координат пользователя СРНС производится с помощью специальных спутниковых приемников, измеряющих либо время прохождения сигнала от нескольких спутников до приемника, либо фазу сигнала на несущей частоте. В первом случае расстояния измеряются с метровым уровнем точности, во втором случае – с миллиметровым уровнем точности. При этом реализован однонаправленный метод измерения расстояний, поскольку и GPS, и ГЛОНАСС являются беззапросными спутниковыми системами, допускающими одновременное использование их многими пользователями.

Каждый приемник может производить измерения либо независимо от других приемников, либо синхронно с другими приемниками. В первом случае, достигается точность однократного определения координат по кодам порядка 1-15 м. Такой способ идеально подходит для навигации любых перемещающихся объектов, от пешеходов до ракет. Однако более высокую точность можно получать при одновременных наблюдениях спутников несколькими приемниками по фазовым измерениям. При таком способе наблюдений один из приемников обычно располагается в пункте с известными координатами. Тогда положение остальных приемников можно определить относительно первого приемника с точностью нескольких миллиметров. При этом возможны измерения на расстояниях от нескольких метров до тысяч километров. Кроме определения местоположения границ земельного участка также необходимы кадастровый учет и государственная регистрация.

Принципиальным достоинством спутниковых методов позиционирования является возможность определения координат в любое время суток и в любой точке. Отпадает необходимость наличия прямой видимости между исходными и определяемыми пунктами. Это позволяет сократить сроки выполнения геодезических работ , снизилось влияние многих погрешностей, в том числе зависящих от исполнителя.

Глава 1. Геодезические работы с использованием спутниковых систем.

1.1. Спутниковые радионавигационные системы

Системы спутниковых определений координат первоначально развивались для навигационных целей и обеспечивали точность, не превышающую нескольких метров. Однако современные геодезические приёмники, методы математической обработки позволяют определять плановые координаты с погрешностями 5. 10 мм, высотные — 15. 30 мм и меньше. Их точность удовлетворяет требованиям построения опорных геодезических и межевых сетей, обеспечения кадастровых, землеустроительных, изыскательских и других инженерно-геодезических работ. При этом не требуется обеспечивать взаимную видимость между пунктами, строить над ними высокие сигналы, проводить комплекс точных угловых и линейных измерений. Спутниковые измерения выполняются в любых погодных условиях в течение нескольких минут, что существенно упростило производство полевых работ. Однако для наблюдения навигационных спутников (НС) небесный свод над приёмником должен быть достаточно свободен от застройки и растительности.

Структура, способы функционирования и требуемые характеристики подсистем СРНС во многом зависят от заданного качества навигационного обеспечения и выбранной концепции навигационных измерений. Для достижения таких важнейших качеств, как непрерывность и высокая точность навигационных определений, в глобальной рабочей зоне в составе со временной СРНС типа ГЛОНАСС(глобальная навигационная спутниковая система Р.Ф) и GPS(США) функционируют три основные под системы космических аппаратов (ПКА), состоящая из навигационных спутников (НС):космическим сегментом; контроля и управления ;сегмент потребителей СРНС(аппаратура потребителя) . Разнообразие видов приемоиндикаторов СРНС обеспечивает потребности наземных, морских, авиационных и космических (в пределах ближнего космоса) потребителей.

Основной операцией, выполняемой в СРНС с помощью этих сегментов, является определение пространственных координат местоположения потребителей и времени, т. е. пространственно-временных координат (ПВК). Эту операцию осуществляют в соответствии с концепцией независимой навигации, предусматривающей вычисление искомых навигационных параметров непосредственно в аппаратуре потребителя. В рамках этой концепции в СРНС выбран позиционный способ определения местоположения потребителей на основе пассивных дальномерных измерений по сигналам нескольких навигационных искусственных спутников Земли с известны микоординатами .

Высокая точность определения местоположения потребителей обусловлена многими факторами, включая взаимное расположение спутников и пара метры их навигационных сигналов. Структура космического сегмента обеспечивает для потребителя постоянную видимость требуемого числа спутников.

Рис.1 Спутник ГЛОНАССА

1.2Пространственная геоцентрическая система координат

Если за начало координат принят центр общего земного эллипсоида (центр масс Земли), а ось Z совмещена с осью вращения Земли, то такую систему называют Геоцентрической. Она применяется при решении геодезических задач, связанных с обширными частями земной поверхности или со всей фигурой Земли (например, в космической геодезии).

В системе геоцентрических координат положение точки A на поверхности эллипсоида определяют геодезической долготой L и геоцентрической широтой Ф, равной углу между радиус-вектором с и плоскостью экватора

В геоцентрической системе пространственные прямоугольные и эллипсоидальные координаты связаны соотношениями:

X=pcosῳ cosL; Y=pcosῳsinL; Z=psinῳ , где р=R+h; R-средний радиус земли; h-высота пункта над поверхностью элиппсоида ;

ῳ-геоцентрическая высота; L- геодезическая долгота. При решении некоторых задач на поверхности эллипсоида вместо геодезической

широты B или геоцентрической широты удобно использовать приведенную широту U, оставляя в качестве второй координаты геодезическую долготу L :

Из центра меридианного эллипса EPE1P1 проведена окружность EP’E1P’1 радиусом , равным большой полуоси А. точка А´ получена пересечением окружности линией АА1, параллельной малой оси эллипса РР1, АС-нормаль к поверхности эллипсоида в точке А . Тогда приведенная широта U определяется как угол , составленный радиусом – вектора ОА´ с плоскостью экватора. Геодезическая , приведенная и геоцентрическая широты связаны между собой простыми соотношениями : tgB=tgU=tgῳ

1.3Геодезические приёмники

Для определения координат точек местности с точностью, удовлетворяющей геодезическим требованиям, применяются специальные геодезические приёмники. Такие приёмники осуществляют захват сигнала от навигационных спутников, измеряют по фазе несущей частоты псевдодальность, по ней и по дополнительно полученной информации вычисляются координаты.

В геодезии используются фазовые приёмники, так как в настоящее время только они обеспечивают миллиметровую и сантиметровую точность позицирования. Наряду с фазовыми существуют кодовые приёмники, работающие по Р- и С/А-кодам, они широко распространены в навигации, но в геодезии имеют ограниченное применение. Следует отметить, что современные геодезические приёмники измерения ведут по фазе и дополнительно по кодам сигнала, ускоряя тем самым процесс позицирования.

Приёмники подразделяют на двухсистемные, работающие по спутникам ГЛОНАСС/ GPS одновременно или раздельно, и односистемные, работающие только по НС одной системы. В настоящее время наиболее распространены в геодезии односистемные GPS -приёмники. Вместе с тем в РФ с 2003 года начат выпуск двухсистемного приемника ГЕО-161, имеющего ряд преимуществ, к двухсистемным относятся также приёмники типа Lеgасу-Е-2484 и другие. С развитием систем ГЛОНАСС, GPS, GALILEO многосистемные приёмники в геодезических работах станут более перспективными.

Кроме того, геодезические приёмники подразделяют на одно- и двухчастотные, одно- и многоканальные. В одночастных измерения псевдодальности выполняются по одной частоте сигнала, а в двухчастотных — на частотах L1 и L2 одновременно. Двухчастотные приёмники требуют меньше времени на инициализацию и позицирование, обеспечивают высокую точность. К двухчастотным приёмникам относятся Тrіmblе 4000851, Тrimblе 5700, Тrimble 5800, 2-МАХ и другие.

Одноканальные приемники захват сигналов осуществляют последовательно по каждому НС. Многоканальные одновременно отслеживают и принимают сигналы от созвездия спутников, включающего до 8— 12 НС. В настоящее время выпускаются, в основном, многоканальные приемники, которые имеют дополнительные каналы приема сигналов от геостационарных спутников.

а ) Сигнал НС б) Сигнал НС

Рис. 4 а) режим постобработки; 6) режим реального времени;

3 — генератор опорного сигнала;

5— блок первичной обработки;

7 - контроллер с ПО режима КТК;

8 — блок связи с базовой станцией

На рисунке 4 представлены две блок-схемы приёмников, которые различаются применяемым режимом обработки результатов измерений. Если приёмник работает в режиме постобработки, то результаты измерений заносятся в блок памяти приёмника, а по завершении наблюдений передаются в компьютер для постобработки. Для передачи в компьютер приёмник имеет специальные порты подключения и кабель. При полевых работах можно к приёмнику подключить контроллер, с клавиатуры которого вносится информация о пунктах, особенностях наблюдений, высоте антенны.

Если приёмник работает в режиме реального времени, то подключение контроллера обязательно. Кроме того, приёмник должен иметь блок связи, по которому передаётся необходимая для обработки информация с базового пункта на определяемый. Контроллер должен быть оснащён программным обеспечением обработки в режиме РТК. Для связи используют специальные радиомодемы (например, Тrimmark, Trimble) или каналы мобильной связи.

В настоящее время геодезические приёмники выпускаются разных конструкций. В ряде приборов антенный блок.

Определен от приемника , применяются легкие антенны , которые устанава-ются на раздвижной вехе и могут быть вынесены над закрывающими небосвод объектами. К таким приёмникам относятся Тrimble5700, Тhales 6500, РгоМаrк-2 и другие. В других приборах (Тrimble 4600STRATUS Sоkkіа) антенна и приёмник объединены в одном корпусе, куда вставляются также элементы питания. Такие приёмники имеют только панель управления, состоящую из клавиши включения и небольшого табло. Наиболее информативна панель управления приёмников Stratus, которая позволяет контролировать автоматически протекающий процесс измерений .

В геодезических приёмниках применяются специальные конструкции антенн с высокой стабильностью фазового центра, чувствительные к GPS сигналам. Для подавления многолучёвости от местных предметов антенны имеют отражающее устройство, применяются микрополосковые конструкции. Такие антенны с высокой стабильностью фазового центра и подавлением влияния многолучёвости могут обеспечивать миллиметровую точность определения координат.

В качестве источников питания используются компактные литиево-ионные аккумуляторы(Stratus) или элементы типа АА(Тrimble 4600). Геодезические приёмники устанавливаются над точкой на штатив) или на вехе с круглым уровнем . При установке на вехе применяется бипод, который делает положение вехи и приемника устойчивым .

Динамичное развитие науки и техники привело к появлению совершенно новых и более качественных методов измерений в геодезии. Вместо привычных для геодезистов традиционных способов стало возможным использование спутниковых измерений, позволяющих с высокой точностью определять положение объектов.

Особенности геодезических измерений спутниковыми методами

Спутниковые измерения осуществляются благодаря использованию радиосигналов двух спутниковых навигационных систем – американской системы NAVSTAR GPS и российской системы ГЛОНАСС. Эти системы изначально были созданы для военных целей, но недавно нашли свое применение и в геодезии. Они позволили внедрять совершенно новые методы измерений, которые имеют огромные преимущества перед другими методами.

Преимущества спутниковых геодезических измерений

Еще несколько лет назад, когда в геодезии использовались только наземные способы измерений, необходимо было обеспечивать зрительную видимость между пунктами. Для решения этой непростой задачи приходилось осуществлять дорогостоящее строительство сигналов геодезии и искать эти пункты. Как правило, они располагались на больших высотах в труднодоступных местах. К тому же расстояние между пунктами не могло превышать 10 км, что еще больше усложняло задачу.

Сегодня эта проблема успешно решается использованием спутниковых измерений. Их преимущества заключаются в следующем:

- возможность проводить геодезические измерения без зрительного контакта между пунктами на расстоянии нескольких тысяч километров;

- проведение измерений не зависит от погодных условий и времени суток;

- увеличение точности измерений благодаря снижению влияния атмосферы;

- измерения могут осуществляться в движении;

- мониторинг возможных деформаций в сооружениях или в земной коре;

- сверхточное определение всех трех координат объекта;

- автоматизированность измерений повышает производительность труда и минимизирует ошибки.

Как проводятся спутниковые геодезические измерения

Методика спутниковых измерений заключается в том, что определяется расстояние от приемника навигационной системы (GPS/ГЛОНАСС) до спутника. Полученные данные корректируются, учитывая поправки. Спутниковые измерения проводятся в двух режимах:

- статические методы (приемники неподвижно расположены на точках, координаты которых известны, и на заранее определенных точках; эти методы более точные, но длительные);

- кинематические методы (менее точные, но более быстрые; предполагают два приемника – один стоит на месте с известными координатами, а другой передвигается от точки к точке; на оба приемника устанавливается модем, что позволяет в реальном времени использовать режим кинематики).

Первая группа методов используются при построении геодезических сетей, а вторая – при топографической съемке и межевании.

На сегодняшний день спутниковые методы измерений часто используются в таких инженерно-геодезических работах как проектирование, эксплуатация инженерных построек и сооружений, кадастровые съемки, съемки для топографических целей и так далее.

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

На правах рукописи

Разработка методики анализа результатов геодезических измерений при наблюдении за осадками и смещениями крупных инженерных сооружений спутниковыми методами

Специальность: 25.00.32 – Геодезия

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Разработка эффективных методов выявления и прогнозирования деформаций инженерных сооружений является актуальной, поскольку ее успешное решение и последующее развитие вносят важный вклад в обеспечение надежности, долговечности и безопасности эксплуатации ответственных сооружений. Решение этой задачи создает условия для повышения эффективности использования капитальных вложений в строительство, помогает рационально планировать различные регламентные работы, в том числе геодезические наблюдения за деформацией сооружений, а также приносит определенный социальный эффект.

Строительство больших технических структурных сооружений типа плотин, мостов и высотных зданий является существенным для развития любой нации. Значительные деформации инженерных сооружений, близких к критическим, потенциально может вызывать гибель большого количества людей и сильные разрушения. Сохранность и долговечность сооружений – важнейшая народнохозяйственная задача, и она зависит не только от научно-обоснованной конструкции этих сооружений, но также во многом и от полноты исследования грунтов, на которых возводятся сооружения, от учета влияния на сооружения внешней среды и, особенно, от своевременной постановки и правильного выполнения систематических наблюдений за состоянием сооружений. Следовательно, безопасность этих работ, особенно в случаях с плотинами, требует периодического контроля и всестороннего анализа их структурного состояния, основанного на большом наборе переменных, которые вносят свой вклад в эти деформации. Деформацию данных структур определяют несколько факторов. Самые важные из них – это результаты переменных усилий и напряжений, развитых в структуре из-за эффектов местных движений земной коры. Движения земной коры вызывают изменения в относительном местоположении пунктов, расположенных на самой плотине или около нее. Другие определяющие факторы включают в себя: тип материалов строительства, силу ветра, изменение температур, усадку почв и колебания из-за движения транспорта. Результаты наблюдений за осадками и смещениями инженерных сооружений геодезическими методами должны удовлетворять предъявляемым требованиям в отношении их полноты, своевременности и точности.

С момента появления ГЛОНАСС и GPS, а также на основе непрерывного процесса совершенствования технологии спутниковых измерений проблемы прогнозирования деформаций инженерных сооружений стали решаться на качественно новой основе. При использовании спутниковых методов точность координатных определений в сочетании с оперативностью получения конечных результатов определяются степенью необходимой детальности исследований, а также экономическими возможностями организации данного вида работ. Развитие высокоэффективных спутниковых методов координатных определений на основе применения глобальных навигационных систем ГЛОНАСС и GPS принципиальным образом изменяют технологию и точность определения геодезических координат и принципы построения геодезических сетей, являющихся фактической реализацией систем координат. По результатам спутниковых измерений одновременно определяются точные значения координат как в плане, так и по высоте. Поэтому современные спутниковые методы координатных определений на основе применения глобальных навигационных систем GPS и ГЛОНАСС создают условия для создания плановой и высотной основы в виде единой совокупности геодезических пунктов. Сложность решения этой проблемы состоит в том, что по спутниковым измерениям непосредственно определяется геодезическая (эллипсоидальная) высота, т.е. высота точки земной поверхности над отсчетным эллипсоидом. При использовании спутниковых методов геодезические высоты определяются непосредственно по результатам измерений. Обработка спутниковых данных не требует редукции на поверхность эллипсоида.

Внедрение новых методов и средств геодезических измерений должно сопровождаться и новой методикой обработки результатов измерений. Только комплексное решение задачи позволит добиться максимальной эффективности и будет отвечать современным требованиям.

Основной целью работы является разработка методики анализа результатов наблюдений за осадками и смещениями крупных электроэнергетических объектов, расположенных в Мексике, с применением спутниковых методов измерений, научное обоснование методики и определение путей их практической реализации.

Научная новизна работы:

В результате выполненного анализа особенностей построения локальных геодезических сетей спутниковыми методами, обеспечивающих оперативность выполнения необходимых измерений и требуемый высокий уровень точности:

Выполнена теоретическая и экспериментальная проверка эффективности предложенных математических методов оценки точности спутниковых координатных определений.

Установлено, что в условиях недостаточной геодезической обеспеченной в некоторых районах Мексики наибольшей оперативностью и экономичностью для определения деформаций электроэнергетических объектов является метод спутниковых измерений.

Разработан алгоритм определения средних квадратических ошибок топоцентрических координат и установлена зависимость между малыми изменениями декартовых топоцентрических координат , и и геоцентрических координат.

Практическая значимость работы:

Основные результаты выполненных исследований предложены для использования в геодезической службе Мексики. Установленная практическая связь прямоугольных геоцентрических и топоцентрических координат с зонами деформаций уже сейчас может быть использована для переосмысления существующего перспективного плана выявления разных видов деформаций в районах электроэнергетических объектов на территории Мексики.

Разработанные в диссертации принципы применения топоцентрических прямоугольных координат с использованием современных спутниковых технологий ориентированы на реализацию в работах по изучению и выявлению деформационных процессов крупных инженерных сооружений в условиях Мексики, а также для создания высокоэффективной системы геодезического обеспечения.

Предложенный метод оценки точности результатов геодезических измерений для прогнозирования деформаций может служить основой для организации геодезического мониторинга на территории Мексики, главная цель которого – выявление до и после наводнений в зоне водохранилищ изменений уровней воды.

По результатам выполненных исследований по теме диссертации автором опубликованы четыре статьи, а также (в соавторстве) тезисы доклада на международной конференции.

Структура и объем диссертации:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов с подразделами, заключения и списка литературы. Общий объем работы – 120 стр. Диссертация содержит 14 таблиц и 18 рисунков. Список литературы составляет 52 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Обоснована актуальность решаемой задачи, сформулированы цель и задачи исследования, обоснована научная новизна и практическая значимость работы.

ГЛАВА 1. ДЕФОРМАЦИИ КРУПНЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ И ПРИЧИНЫ ИХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ

Дается общая классификация геодезических задач и обзор традиционных методов их решения при изучении деформаций крупных инженерных сооружений. Особое внимание уделяется анализу современных концепций природы деформаций и причин их возникновения.

При изучении различного рода деформаций, возникающих в земной коре, а также в основаниях крупных инженерных сооружениях и на других объектах, появляется необходимость выполнения достаточно частых (а иногда и непрерывных во времени) измерений. Традиционные геодезические методы в организации мониторинговых измерений на объектах больших размеров требуют больших затрат средств и времени. Целесообразность использования GPS -измерений при изучении деформаций на различных объектах, в первую очередь, связана с высокой экономической эффективностью спутниковых методов измерений в сочетании с высокой точностью измерений.

В настоящее время спутниковые методы измерений находят все более и более широкое применение для изучения и мониторинга деформаций крупных инженерных сооружений. При этом необходимо учитывать, что нормальная высота пунктов определятся менее точно, кроме того, точность определения изменений координат пунктов зависит от широты исследуемого объекта. Кроме того, недостаточное число наблюдаемых спутников, вызванных экранировкой сигнала местными предметами, ограничивают возможность использования спутниковых методов.

ГЛАВА 2. СПУТНИКОВЫЕ МЕТОДЫ ВЫСОКОТОЧНЫХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Даны основные характеристики существующих в настоящее время космических навигационных систем, включая подробное описание спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС, а также находящейся в разработке системы GALILEO . Приводится описание основных методов измерений и определения положения пунктов спутниковыми методами.

Для решения большинства геодезических задач основная роль отводится относительным режимам (дифференциальным), так как они существенно отличаются по точности определения приращений координат. Точность методов СРНС (спутниковая радионавигационная система) зависит от расстояния между приемником и опорной станцией, от числа спутников на орбите, от расположения спутников относительно приемников, от типа и точностных возможностей приемника и от типа местности, а также от времени наблюдений. СРНС обеспечивает исключительные возможности для создания геодезических сетей различного назначения, что представляется более экономичным и быстрым. СРНС работает практически в любых погодных условиях и не требует взаимной видимости между приемниками. Использование СРНС является относительно дешевой технологией, и ее использование не требует высококвалифицированных специалистов в полевых условиях. Основной недостаток применения СРНС заключается в том, что в период ее работы на небе должно находиться, по меньшей мере, четыре спутника и должно обеспечиваться отсутствие помех, создаваемых, например, высотными препятствиями и обильной лесной растительностью территории.

Фазовые методы измерений являются основными при решении разнообразных геодезических задач с помощью спутниковых систем, предусматривающих обеспечение высокой точности измерений.

Основное внимание в данной главе уделено подходам к решениям, ориентированным на минимизацию влияния основных источников ошибок спутниковых измерений.

При изучении проблемы, касающейся учета влияния ионосферы на результаты спутниковых измерений, безоговорочного предпочтения заслуживают двухчастотные методы, основные особенности которых достаточно подробно изложены в опубликованных работах.

ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ ЗА ОСАДКАМИ И ДЕФОРМАЦИЯМИ КРУПНЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

В главе даются основные рекомендации по наблюдениям за осадками и деформациями крупных сооружений, периодичности и точности измерений. При внедрении спутниковых технологий в топографо-геодезическое производство резко изменились организационные и технологические принципы проведения полевых и камеральных работ, что дает основание говорить о революционных изменениях в области геодезических измерений. В настоящее время спутниковые методы измерений находят все более и более широкое применение для изучения и мониторинга деформаций крупных инженерных сооружений. При этом необходимо учитывать, что нормальная высота пунктов определятся менее точно, кроме того, точность определения изменений координат пунктов зависит от широты объекта.

На опыте работ показано, что при благоприятном расположении спутников и при исключении многолучевого распространения сигнала возможно достижение высокой точности вплоть до нескольких миллиметров. Рассматривается алгоритм применения топоцентрических прямоугольных координат для изучения деформаций гидротехнических сооружений. Осадки и горизонтальные смещения наблюдаемых точек на сооружении определяют как разность их координат, полученных в различные моменты времени в единой системе координат. При анализе смещений пунктов в плане и по высоте целесообразно использовать топоцентрическую прямоугольную систему координат.

В криволинейной системе координат положение точки P характеризуется широтой , долготой и геодезической высотой .

Соотношения между геоцентрическими декартовыми координатами и эллипсоидальными криволинейными координатами имеют вид:

где N - радиус кривизны нормального сечения эллипсоида в плоскости первого вертикала, который равен

Где - большая полуось эллипсоида,

- первый эксцентриситет; (3)

Н - геодезическая высота.

геодезическая высота вычисляется по формуле

Для того чтобы вычислить геодезическую высоту , необходимо знать широту . Для вычисления широты удобно воспользоваться формулой Боуринга:

Долгота вычисляется по формуле:

Для перехода от геоцентрических координат к топоцентрическим координатам необходимо выбрать один пункт за исходный. При решении геодезических задач между точками в пространстве используют систему топоцентрических декартовых координат, начало координат находится в исходной точке ( , , ), расположенной обычно на земной поверхности. Ось расположена на продолжении нормали к поверхности эллипсоида в точке , ось расположена в плоскости меридиана точки перпендикулярно к оси и направлена в сторону оси вращения эллипсоида, ось перпендикулярна к осям и и направлена в сторону увеличения долготы.

Связь между декартовыми топоцентрическими и декартовыми геоцентрическими координатами устанавливается следующим образом:

Чтобы найти обратные зависимости, решим эти уравнения относительно , и . В результате решения получим

При использовании спутниковой навигационной системы GPS координаты земных объектов получаются в системе координат WGS-84. При выполнении геодезических работ обычно используются местные системы координат. При обработке результатов спутниковых измерений при наблюдениях за деформациями инженерных сооружений возникает необходимость отделить осадки наблюдаемых объектов от горизонтальных смещений, поэтому система координат WGS-84 не полностью отвечает поставленным задачам. В связи с этим в работе рассмотрен процесс определения средних квадратических ошибок определения топоцентрических координат.

С этой целью установим зависимость между малыми изменениями декартовых топоцентрических координат , и и геоцентрических координат начальной точки 1 и конечной точки 2.

Дифференцируем сначала равенство

Переменными величинами являются координаты пунктов в геоцентрической системе координат , , и , , :

Для нахождения зависимости дифференциала широты от изменений декартовых координат дифференцируем формулу Боуринга (6):

Величину определим из :

Зависимость изменения широты пункта от изменений декартовых геоцентрических координат окончательно представим в виде:

Представим формулу (16) более компактно, с этой целью введем обозначения:

С учетом (17) формулу (16) представим в виде

Для нахождения изменения долготы дифференцируем формулу :

Зависимость изменения радиуса кривизна первого вертикала найдем из

Подставив значения , и в уравнение (12), имеем

Аналогично дифференцируем равенство (10):

С учетом (19) представим (22) в следующем виде:

Введем обозначения и представим (22) в виде:

Дифференцируя уравнение (11), получим:

Для определения величины дифференцируем уравнение ,

Подставив значения (19), (20) и (25) в уравнение (24), получим дифференциальную формулу

Используя ранее полученные выражения (21), (23) и (26), получим следующие дифференциальные формулы:

Переходя к средним квадратическим ошибкам, окончательно получим:

Характерной особенностью этих формул является то, что в них используются, кроме геодезических координат , , исходной точки, координаты пунктов 1 и 2 в геоцентрической системе координат , , и , , . Точность этих формул зависит только от величины средних квадратических ошибок геоцентрических прямоугольных координат пунктов 1 и 2. На основе этого анализа сделан вывод о целесообразности использования топоцентрических прямоугольных координат для изучения деформаций энергетических объектов в условиях Мексики.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСАДОК И ДЕФОРМАЦИЙ СПУТНИКОВЫМИ МЕТОДАМИ И МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ

Водохранилище находится на западном склоне Сьерра Мадре Оксиденталь (западная горная цепь Мадре) в ее нижних отрогах. В данной местности преобладают вулканические горные породы, главным образом интрузивные базальты. Плотина Саналона (из грунтовых материалов) была построена на реке Тамазула в 32 км западнее от города Кульякан штата Синалоа (Мексика). Она представляет собой земляной вал, с левой стороны находится дамба и на правом краю водослив в виде веера со свободным гребнем. Слив плотины Саналона сделан в основном из гранита, который в своей верхней части имеет участок с ярко выраженной альтерацией, доходящей до глубин около 20,0 м.

Как уже отмечалось ранее, при решении данной проблемы установлена целесообразность применения сетевого метода построений. По такому принципу реализована, в частности, локальная сеть в зоне изучаемого объекта. Для иллюстрации на рис. 1 приведена схема расположения опорных и рабочих пунктов.

Рабочие пункты CASETA, B, A и TEMPLETE находятся на гребне плотины, а опорные - вне зоны деформации в стабильных и прочных породах.

Основное требование, предъявляемое к опорным пунктам и к технологии их закрепления на местности, сводится к обеспечению максимальной стабильности их местоположения в течение времени.

В общем комплексе экспериментальных исследований, относящихся к принципам построения локальных спутниковых геодезических сетей, должное внимание было уделено также обоснованию выбора длительности сеанса наблюдений, которая позволяет производить спутниковые определения на требуемом уровне точности.

При условии соблюдения всех технических требований, погрешность взаимных положений двух смежных пунктов этими типами приемников не должна превышать 3-5 мм соответственно.

В таблице 1 приведены пространственные прямоугольные координаты X, Y, Z и геодезические эллипсоидальные координаты , , рабочих пунктов первого цикла наблюдений, полученные в результате уравнивания базисных векторов с учетом их ковариационных матриц по рекуррентному алгоритму с контролем и исключением грубых ошибок.

Средние квадратические ошибки пространственных прямоугольных координат X, Y, Z рабочих пунктов из уравнивания даны в табл. 2

В таблице 3 приведены топоцентрические декартовые координаты рабочих пунктов и их оценка точности, выполненная по формулам (28), разработанным автором диссертационной работы.

12-11-2018

Метод спутниковых геодезических измерений позволяет с безупречной точностью устанавливать месторасположение объектов. Источником создания такого новейшего и высококачественного метода стали энергетические процессы техники и науки. На замену знакомых способов для геодезистов пришли инновационные спутниковые конфигурации.

Метод спутниковых геодезических измерений проводится с участием радиоволн спутниковых навигационных систем – американской NAVSTAR GPS и российской ГЛОНАСС. Исходной задачей этих систем являлось военное предназначение, но, с недавних пор обнаружилось предназначение и в геодезии.

С помощью американской и российской структур, стало возможным внедрить инновационную методику измерений, имеющую большое превосходство над остальными способами.

Преимущества спутниковых геодезических измерений

На смену дорогостоящему строительству звуковой геодезической сигнализации пришли спутниковые измерения, имеющие немало преимуществ:

Осуществление геодезических измерений, исключая визуальную связь, в промежутках между пунктами на расстояния за тысячи километров.
Климатические обстоятельства и этап времени не оказывают воздействие на проведение измерений.
Уменьшение давления атмосферы способствует высокой надёжности измерения.
Возможность осуществлять измерения во время движения.
Наблюдение всевозможных изменений в постройках или на плоскости земной коры.
Безошибочное местонахождение всех координат объекта.
Измерения, доведённые до автоматизма, повышают трудовую эффективность и сводят к минимуму погрешности.

При разработке спутниковой связи в предприятии топографо-геодезического предназначения произошли изменения как в принципах организации, техники выполнения полевых и камеральных работ, так и в различных наиважнейших принципах, что позволяет с уверенностью утверждать о социальных изменениях в геодезии. Эти перемены тесно связаны с методом спутниковых геодезических измерений на плоскости земной коры.

Создавая прямую видимость между пунктами, приходилось искать место дислокации пунктов на местности, господствующей над окрестностью, и делать отметки.

Большая часть обычных геодезических методов адаптирована для совершения измерений в статике, а именно недвижимыми пунктами. Это плохо влияет на формирование динамических способов, направленных на выполнение геодезических измерений при перемещении (морская геодезия, аэрофотосъёмка).

Метод спутниковых геодезических измерений заключается в просчёте дистанции от приёмника системы навигации (GPS/ГЛОНАСС) до спутника. Полученные сведения обрабатываются с учётом всех коррективов.

Спутниковые измерения проводятся двумя способами:

Статическим способом (приёмники недвижимо располагаются на точках, местоположение которых не определено, а так же на ранее отмеченных точках; этот способ хоть и долгий, но более надёжный).
Кинематическим способом (более быстрый, но менее эффективный; подразумевает наличие двух приёмников – один размещается в том месте, где местоположение известно, второй двигается от одной точки к другой; модем настраивается на два приёмника, чтобы в настоящем времени применять кинематический режим).

Категория статистических методов применяется для создания геодезических сетей, а кинематические методы необходимы для топографической съёмки и межевания. Альтернативный метод спутниковых геодезических измерений на фундаментальной основе представляет собой использование пространственных измерительных способов с учётом моментального расположения искусственных спутников Земли как точек опоры.

Основанные на подобных методах, диагностирующие установки, стали называться масштабными позиционирующими системами, начальное предназначение которых подразумевало решение навигационных вопросов.

Состав геодезических работ на стройплощадках

Геодезические работы, выполняемые на стройплощадках, включают в себя:

формирование геодезической разбивочной основы для строительства;
сборка технологического оборудования;
создание линейных сооружений внутри площадок;
формирование разбивочной сети внутри строения;
геодезический мониторинг безошибочных геометрических размеров строения;
геодезические замеры искажения основания, конструкции здания или его частей.

Геодезические работы стоит проводить методами измерений с особой аккуратностью. На данный момент методы спутниковых геодезических измерений активно применяются в инженерно-геодезических целях, а именно в проектировании, использовании инженерных строений, съёмках для кадастровых целей и топографических съёмках.

Читайте также: