Разработка методики применения спутникового метода для геодезического мониторинга и прогнозирования состояния геологической среды и гидротехнических сооружений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.32, кандидат наук Булаева, Евгения Александровна

• Булаева, Евгения Александровна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Булаева, Евгения Александровна

Оглавление

Введение

1. Анализ современных технологий мониторинга состояния геологической среды и инженерных сооружений

1.1 Постановка задачи. Общие требования к системам мониторинга

1.2 Геодезический мониторинг объектов геологической среды

1.3 Геодезический мониторинг инженерных сооружений

1.4 Системы спутникового мониторинга

1.5 Зарубежный и отечественный опыт применения сетей постоянно действующих референцных станций для спутникового мониторинга объектов

2. Разработка методики спутникового мониторинга объектов

2.1 Постановка задачи

2.2 Источники ошибок спутниковых измерений

2.3 Математическая обработка спутниковых фазовых измерений

2.4 Методы анализа и интерпретации данных спутникового мониторинга объектов

2.4.1 Метод наименьших квадратов

2.4.2 Гармонический анализ

2.4.3 Автокорреляционные функции

2.5 Математическая обработка результатов измерений при спутниковом мониторинге объектов

2.5.1 Преобразование систем координат

2.5.2 Составление и решение уравнений поправок

2.5.3 Проверка методики на примере спутниковых измерений системы постоянно действующих референцных станций

3. Результаты экспериментальных исследований разработанной методики для мониторинга геологической среды и состояния гидротехнических сооружений

3.1 Результаты проведения спутникового мониторинга геологической среды в приокском районе Русской платформы

3.1.1 Постановка задачи

3.1.2 Организация вычислительного процесса с использованием информации постоянно действующих референцных станций

3.1.3 Анализ результатов спутникового мониторинга геологической среды

3.2 Результаты проведения спутникового мониторинга Нижнекамской ГЭС

3.2.1 Постановка задачи

3.2.2 Организация прцесса спутникового мониторинга плотины Нижнекамской ГЭС

3.2.3Анализ результатов спутникового мониторинга плотины Нижнекамской ГЭС

Заключение

Список источников информации

Приложение А. Изменения координатных составляющих станций при мониторинге приокского района Русской платформы

Приложение Б. Графики изменения положения координатных составляющих станций при мониторинге приокского района Русской платформы (июнь 2004г. -декабрь 2008г)

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики применения спутникового метода для геодезического мониторинга и прогнозирования состояния геологической среды и гидротехнических сооружений»

Введение

Спутниковые технологии точного позиционирования заняли прочное место в решении геодезических задач как прикладного, так и научного характера. Их преимущества заключаются в использовании радиоэлектронной техники, цифровой обработки и представлении результатов также в цифровом виде. Эти и другие качества спутниковых технологий позволяют использовать их для решения таких специфических задач, как мониторинг объектов геологической среды (перемещений литосферных плит, смещений и деформаций грунтов), мониторинг деформаций сооружений (смещений в горизонтальной плоскости и вертикальном направлении), обеспечение контроля безопасности состояния сооружений в случае необходимости даже в непрерывном режиме. В России переход на спутниковые технологии осуществляется в соответствии с федеральными целевыми программами (ФЦП), в том числе «Глобальная навигационная система» [16], «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012-2020 годы» [46]. Такой переход связан с разработкой и применением отечественной навигационной системы ГЛОНАСС.

В настоящее время геологическая среда рассматривается как часть литосферы (сейчас или потенциально в будущем) с различными инженерно-хозяйственными объектами или инженерными сооружениями, созданными человеком. Элементами геологической среды могут являться: горные породы, почвы, искусственные грунты; рельеф; подземные воды; геологические и инженерно-геологические процессы и явления [25]. Например, нарушение устойчивости гидротехнического сооружения (ГТС), создающего водохранилище больших объемов, может обернуться катастрофическими последствиями, соизмеримыми со стихийными бедствиями. Поэтому контроль над состоянием ГТС, в том числе мониторинг плотин гидроэлектростанций (ГЭС) и земной коры в зоне расположения ГТС, представляется совершенно необходимым. Геодезический мониторинг позволяет определить геометрические характеристики объектов, их смещения и деформации. Далее в работе говоря о мониторинге геологической среды, будут рассматриваться, прежде всего, геодинамические

процессы, протекающие в приповерхностных структурах, которые могут исследоваться геодезическими методами.

Традиционные технологии мониторинга (трилатерация, нивелирование) основаны на применении оптико-электронных измерительных средств (тахеометры, дальномеры, нивелиры). Такие работы включают большой объем полевых измерений и представляют собой сложные и длительные процедуры. В зимний период, в сложных климатических условиях, они трудно осуществимы. В другие периоды выполняются с перерывами в несколько недель или месяцев [8, 21].

Особо важную роль в обеспечении эксплуатационной надежности инженерного сооружения играет оперативность получения измерительной информации и предоставления результатов заинтересованным лицам и организациям. Традиционные средства не обеспечивают высокой оперативности.

В традиционных технологиях исходные пункты невыгодно располагать на больших удалениях от объекта по экономическим соображениям, в противном случае резко возрастают затраты на полевые работы, возрастают и погрешности результатов. Но на малых удалениях исходных пунктов от объекта мониторинга возникают сомнения в стабильности этих пунктов, так как они могут смещаться вместе с объектом мониторинга при наличии локальных геодинамических процессов.

Традиционные средства на основе оптических и механических устройств трудно поддаются автоматизации. Даже для автоматизированного тахеометра проблемным представляется функционирование без сбоев в течение длительного времени, например суток и недель, при изменяющихся в худшую сторону погодных условиях (дожде, тумане, морозе или снегопаде). Страдают при этом точность и оперативность, присутствие человека становится обязательным.

Оптико-электронные и оптико-механические измерительные средства имеют и положительные стороны. Их основное преимущество перед другими средствами, в том числе спутниковыми, заключается, например, в возможности функционирования в закрытых помещениях. Эти средства выгодно использовать

в комплексе с другими, в том числе спутниковыми средствами, используя их положительные качества.

Большинства недостатков традиционных способов не имеют спутниковые измерительные средства, применение которых основано на использовании глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Они обладают более высокой надежностью и оперативностью, основаны на применении исключительно радиоэлектронных устройств, имеющих высокий уровень автоматизации. Системы спутникового мониторинга способны непрерывно функционировать с минимальным участием человека, предоставляя результаты практически с любой оперативностью. Эти результаты содержат плановые и высотные смещения объекта мониторинга (по трем осям координат).

Системы спутникового мониторинга обладают более высокой объективностью в том смысле, что не зависят в такой степени от структуры исходной основы, как системы, основанные на традиционных измерительных средствах. Исходные пункты в спутниковых технологиях могут находиться на удалении, гарантирующем их стабильное положение. Более того, для исходных пунктов может быть организован мониторинг их стабильности с использованием измерений удаленных станций Международной службы для ГНСС (Ю8) [35].

Вместе с тем спутниковые технологии имеют и свои ограничения. Наиболее существенными из них являются невозможность работы в закрытых помещениях и в зонах посторонних электромагнитных излучений на частотах 1-2Ггц.

Положительные качества и недостатки спутниковых и традиционных технологий приводят к заключению об их совместном (комплексном) использовании. Так в условиях ГЭС внешняя сеть может быть реализована на спутниковых средствах, а внутренняя - на традиционных.

О возможностях эффективного применения спутниковых технологий свидетельствует ряд зарубежных источников. Начиная с конца 90-х - начала 2000-х годов системы мониторинга с использованием ГНСС-технологий устанавливаются на крупных гидротехнических сооружениях. Так, в 2001 году, на Дамбе Копе, которая находится в высокогорных Австрийских Альпах, была

установлена система спутникового мониторинга [67]. Такая же система установлена на дамбах в Калифорнии США [68]. Примерами ГНСС-систем контроля деформаций геологической среды могут служить региональная система мониторинга оползней в Японии [71], система мониторинга вертикальных смещений береговых линий в Великобритании [70].

В России системы спутникового мониторинга в настоящее время находятся на стадии реализации, в том числе в проектах ОАО «НПК «РЕКОД».

Так по заказу Роскосмоса ОАО «НПК «РЕКОД» [38] в рамках федеральной целевой программы «Глобальная навигационная система» на 2002-2011 гг. развернуло экспериментальный участок системы спутникового мониторинга Нижнекамской ГЭС с использованием систем ГЛОНАСС/ОРБ.

В октябре 2003г. в опытно-производственную эксплуатацию введена Спутниковая система межевания земель (СМЗ) - проект «Москва» — которая обслуживает территорию Москвы, Московской области и ряда прилегающих районов. Она представляет собой сеть постоянно действующих станций, которые образуют жесткий геодезический каркас с миллиметровой точностью взаимного положения. Система обеспечивает определение координат объектов со ср. кв. ошибкой менее 1 см, вплоть до 1-2 мм [5, 10]. Это позволяет использовать СМЗ для мониторинга смещений грунтов и сооружений, а также возможных перемещений блоков земной коры. В настоящее время на территории России внедрено порядка 20 систем постоянно действующих станций.

Таким образом, использование спутниковых технологий, предназначенных для точного координирования объектов, в частности для задач мониторинга становится повсеместным, что вызвано его высокой эффективностью. Внедрение новых методов и средств геодезических измерений должно сопровождаться и новыми технологическими решениями, в том числе специализированной методикой обработки результатов измерений. Только комплексное решение задачи позволит добиться максимальной эффективности и будет отвечать современным требованиям.

Актуальность работы состоит в необходимости разработки технологических решений к спутниковому мониторингу с целью обеспечения строительства и эффективной эксплуатации инженерных сооружений, а также предотвращения возникновения аварийных ситуаций. Системы спутникового мониторинга функционируют непрерывно, не требуя присутствия человека, предоставляя информацию о пространственных смещениях (по трём координатам) в режиме реального времени.

Одним из основных измерительных средств в представленной работе являются сети постоянно действующих референцных станций, которые в последние несколько лет развиваются во многих регионах России. С их помощью можно осуществлять мониторинг инженерных сооружений и, что не менее важно, геодинамических процессов локальных территорий, примыкающих к ГТС с точностью определения смещений на уровне средних квадратических ошибок 1-2 мм [39, 40].

С учетом вышеизложенного можно утверждать, что тема диссертации, посвященная задаче внедрения спутниковых технологий в одно из важнейших направлений хозяйственной деятельности — мониторинг ГТС, является актуальной и имеет важное научное и практическое значение.

Основной целью диссертации является разработка методики спутникового мониторинга смещений крупных инженерных сооружений (на примере ГЭС) и геодинамических процессов в приповерхностных структурах, на которых они расположены (на примере исследования локальной геодинамики платформенных территорий) и определение путей её практической реализации, получение точностных характеристик систем спутникового мониторинга исследуемых объектов.

Решению в диссертационной работе подлежат следующие задачи:

• определение требований к результатам мониторинга и на этой основе определение требований к системе мониторинга, её аппаратно-программному обеспечению, периодичности и оперативности измерений;

• разработка и алгоритмизация математической модели мониторинга -формульных зависимостей результатов геодезических измерений спутниковым методом и конечных результатов (смещений, деформаций);

• испытания методики на реальных объектах мониторинга: при наблюдениях за смещениями на примере приокского района Русской платформы и плотине Нижнекамской ГЭС.

Основные положения, выносимые на защиту, связаны с применением систем спутникового мониторинга на Нижнекамской ГЭС и для изучения деформаций в приповерхностных структурах земной коры в приокском районе Русской платформы, в которых автор принимал личное участие. 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 и на новых и уже введенных в эксплуатацию ГЭС.

Научная новизна работы состоит в разработке методики спутникового мониторинга геологической среды и крупных ГТС со средними квадратическими ошибками определения смещений и деформаций на уровне 1-2 мм, включая её теоретическое обоснование и доведение до практического использования. В работе разработан математический аппарат, основанный на совместном использовании метода наименьших квадратов и гармонического анализа непрерывных рядов ГНСС наблюдений, позволяющий комплексно оценивать как

трендовые, так и периодические изменения состояния объектов мониторинга, а также осуществлять фильтрацию данных спутниковых наблюдений.

Практическая значимость работы состоит в том, что технология спутникового мониторинга обеспечивает требования безопасности крупных ГТС в части автоматизированного и высокоточного определения смещений и деформаций в непрерывном режиме в любых климатических и погодных условиях, чего не может обеспечить традиционная (штатная) технология. На основании проведенных исследований автором разработаны рекомендации по возможным вариантам внедрения спутниковой технологии и целесообразности её применения на новых и уже введенных в эксплуатацию ГЭС, а также рекомендации по совместной эксплуатации двух систем (спутниковой и штатной) с целью оптимизации процесса мониторинга с учетом возможностей современных технологий. Полученные результаты использовались в Институте геоэкологии им. Е.М.Сергеева 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 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 по теме диссертации. Основные результаты исследований опубликованы в шести научно-технических статьях [4, 5, 9, 10, 26, 30], пять из которых в утвержденных комиссией ВАК изданиях. Материалы также представлены в научно-техническом отчете по результатам опытной эксплуатации Системы спутникового мониторинга на Нижнекамской ГЭС с участием автора [39].

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 136 страниц, состоит из введения, трех глав, заключения, списка источников информации и двух приложений. Работа содержит 15 таблиц и 48 рисунков. Список источников информации включает 71 наименование, в том числе 13 на английском языке.

В первой главе выполнен анализ современных технологий мониторинга гидротехнических сооружений и прогнозирования состояния геологической среды. Проведен сравнительный анализ спутниковых и традиционных технологий мониторинга. Сформулированы преимущества технологии систем спутникового мониторинга. В главе также представлена техническая схема системы спутникового мониторинга плотины Нижнекамской ГЭС.

Во второй главе разработана методика проведения спутникового мониторинга, заложенная в основу двух частных методик (для геологической среды, для ГЭС) с учетом особенностей объектов наблюдений. Представлены теоретические основы мониторинга спутниковым методом, разработана математическая модель анализа данных, полученных на основании спутникового мониторинга плотины ГЭС, применительно к мониторингу геологической среды проведена оценка работоспособности методики на примере спутниковых измерений постоянно действующих станций. В главе определены критерии оценки качества результатов спутниковых измерений, представлены основные отличия их от принятых подходов и результаты соответствующих экспериментов.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований, основанных на практической реализации спутникового мониторинга и проверки эффективности предлагаемых методик для выявления локальных геодинамических процессов в приокском районе Русской платформы и при определениях взаимного смещения секций плотины Нижнекамской ГЭС.

В заключении перечислены основные результаты, полученные автором в диссертации в соответствии с поставленными целями и задачами. В том числе выделены новые результаты и те, что нашли практическую реализацию в системах спутникового мониторинга на реальных объектах.

1. Анализ современных технологий мониторинга состояния геологической среды и инженерных сооружений

1.1 Постановка задачи. Общие требования к системам мониторинга

В соответствии с целью и задачами диссертации основным содержанием первой главы является анализ современных технологий геодезического мониторинга. Выбор одной из наиболее эффективных из них основан на требованиях к системам мониторинга. Поскольку наиболее полно отвечающими требованиям являются спутниковые технологии, главное внимание при изложении материала уделено им.

Мониторинг (от англ. monitor - контролировать, проверять) позволяет непрерывно или с некоторой периодичностью отслеживать геометрические характеристики объекта (смещения конструкций в пространстве), поставлять данные для оценки прочностных характеристик материала, из которого состоят конструкции объекта. По этим признакам измерительные средства систем мониторинга можно разделить на геометрические (контролируют геометрические характеристики объекта) и геотехнические (контролируют прочностные свойства материалов объекта). Они предоставляют важную информацию о состоянии объекта и позволяют прогнозировать его на будущее. При этом сразу необходимо учитывать, что определение текущего состояния объекта и прогноз на будущее вплоть до его критического состояния возможны при эволюционном, то есть постепенном развитии ситуации, при котором после изменения состояния объекта для обслуживающего персонала имеется промежуток времени для принятия соответствующих мер, определяемых соответствующими нормативными документами.

Далее будем рассматривать только системы, контролирующие геометрические характеристики объекта, которые выявляются геодезическими методами. Сформулируем основные требования к системам мониторинга. Они должны обладать:

• непрерывностью - способностью непрерывно или с некоторой дискретностью, достаточной для конкретного объекта, предоставлять информацию о его состоянии;

• оперативностью - временем реакции на изменение состояния объекта;

• точностью определения изменений состояния объекта;

• доступностью - возможностью установки и обслуживания элементов системы мониторинга в контролируемых точках конструкций объекта;

• высоким уровнем автоматизации, позволяющим выполнять измерения и вычисления без участия или с минимальным участием человека;

• возможностью дистанционного наблюдения за состоянием объекта;

• высокой надёжностью.

Современные технологии геодезического мониторинга (геометрические системы мониторинга) подразделяются на традиционные технологии, основанные на применении оптико-электронных и оптико-механических измерительных средств (тахеометры, дальномеры, нивелиры, датчики наклона — инклинометры, обратные отвесы), на спутниковые технологии, основанные на применении радиоэлектронных измерительных средств.

Датчики наклона являются эффективным средством контроля наклонов конструкций, но не дают линейных смещений. Они обладают высокой оперативностью, высокой (миллиметровой) точностью, возможностью установки практически в любых точках конструкций сооружения, высокой надежностью. Применяются совместно с другими системами.

Например, система «тахеометр-отражатель» обладает высокой точностью, может измерять смещения с ошибками < 1 мм [58, 59]. Но она имеет и существенные недостатки. Её оперативность нарушается из-за погодных (туман, дымка, осадки) и климатических (изморозь, снег, лед) условий. Установка тахеометра и отражателей возможна только в местах, имеющих между собой прямую видимость. Не всегда можно гарантировать стабильность опорных центров, на которых устанавливаются тахеометры, поскольку расстояния между тахеометрами и отражателями ограничены сотнями метров, но никак не

километрами [22]. По этой причине при мониторинге крупных объектов опорные пункты, которые являются по положению и высоте неизменными, приходится устанавливать на значительных расстояниях от объекта мониторинга и передавать к нему плановые координаты и высоты, посредством тахеометрических и нивелирных ходов. Полевые работы при этом являются затратными, такой мониторинг выполняется не чаще 1-2 раз в год [8, 21].

Кроме того, традиционные методы дискретны, поэтому всегда существует вероятность возникновения аварийных ситуаций в тот момент, когда объективные количественные показатели деформаций отсутствуют. Возможно появление критических деформаций конструкций в промежуток времени, разделяющий циклы наблюдений. Тем не менее, система «тахеометр-отражатель» может использоваться в комбинации с другими системами мониторинга.

Традиционным методом геодезического мониторинга движений земной коры является геометрическое нивелирование на геодинамических полигонах.

С момента появления глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), в том числе ГЛОНАСС и GPS, а также на основе непрерывного процесса совершенствования технологии спутниковых измерений проблемы исследования геологической среды, наблюдения и прогнозирования деформаций инженерных сооружений стали решаться на качественно новой основе.

Как будет показано в диссертации, современные спутниковые аппаратно-программные средства в режиме реального времени обеспечивают точность определения координат на уровне средних квадратических ошибок 1 см, а на интервалах измерений в несколько суток - 1 мм (двухчастотная аппаратура геодезического класса точности) [5, 10]. Системы спутникового мониторинга, обеспечивают непрерывность процесса измерений и получения результатов и использованием компьютерного оборудования и программного обеспечения, сводят к минимуму участие человека. Они обеспечивают дистанционное наблюдение за состоянием объекта, практически не зависят от погодных условий.

Так что совокупно по надежности, оперативности и точности системы спутникового мониторинга не имеют себе равных. Вместе с тем им присущ

недостаток - спутниковое оборудование может выполнять измерения только на открытых для радиосигналов местах, хотя контролируемые точки на объектах мониторинга могут быть расположены в разных местах и условиях, в том числе внутри объекта.

Учитывая, что в каждой системе есть те или иные недостатки, самыми эффективными являются комплексные системы. Так что при мониторинге важных и сложных объектов спутниковые системы целесообразно дополнять другими системами (инклинометрами, «тахеометрами-отражателями», обратными отвесами). Рассмотрим общую схему построения систем мониторинга.

Безопасное состояние объекта, протекающие в нем деформационные процессы должны соответствовать заранее разработанной стандартной схеме, отраженной в соответствующей нормативной технической документации объекта - регламентах. Нарушение этого соответствия рассматривается как признак опасного изменения в состоянии объекта. В этом случае необходимо установить является ли процесс деформационных изменений естественным и безопасным и какова перспектива развития деформационного процесса.

Чтобы оценить возможности различных систем мониторинга, рассмотрим в общем виде их построение.

Любая система мониторинга основана на сравнении сигнала, получаемого тем или иным ДПА (ДПА будем называть любую датчиковую преобразующую соответствующие сигналы аппаратуру любой системы мониторинга, которая устанавливается на контролируемых точках объекта), установленного в контрольной точке, с опорным сигналом. Для инклинометра, контролирующего наклон конструкции в горизонтальной плоскости или вертикальном направлении, информационным сигналом для ДПА будет отклонение оси наклона от горизонтальной плоскости или вертикального направления, которые являются опорными (перпендикулярными или параллельными отвесной линии). Для системы «тахеометр-отражатель», фиксирующей наклон и смещение конструкции, информационным сигналом является изменение горизонтального или вертикального направления на контролируемую точку относительно опорных

направлений, изменение смещений в пространстве относительно опорных точек. Здесь опорными могут быть направления между двумя опорными точками, расположенными вне зоны смещений (деформаций), отвесная линия, а также сами опорные точки. В системе спутникового мониторинга информационным сигналом является изменение смещения контролируемой точки относительно опорных, которые часто называются базовыми или референцными станциями.

Таким образом, первыми двумя элементами любой системы мониторинга является ДПА, установленная в контролируемых точках, и опора - совокупность точек и линий, не меняющих своё положение (или меняющих пренебрежимо мало) в локальной области. В региональных областях и глобально контролируемые точки всегда смещаются, хотя бы из-за движения тектонических плит, но это смещение, обычно одинаковое для опоры и контролируемых точек, не влияет на результаты мониторинга в локальных областях.

Третьим важным элементом, обеспечивающим высокую оперативность мониторинга, является система связи между вычислительным центром (ВЦ), ДПА и опорой. Измерительная информация ДПА и опорных станций по каналам связи поступает в вычислительные средства ВЦ, в которых проходит её математическая обработка, получение информации о текущем состоянии объекта, ведение базы данных, и прогноз на будущее. Таким образом, четвертым обязательным элементом системы мониторинга является ВЦ. В нем же формируются сообщения о состоянии объекта, которые по каналам связи доводятся до лиц, ответственных за безопасное функционирование объекта.

Заключение диссертации по теме «Геодезия», Булаева, Евгения Александровна

Заключение

В соответствии с поставленной в диссертации целью по разработке методик спутникового мониторинга смещений крупных инженерных сооружений и геодинамических процессов в приповерхностных структурах, на которых они расположены (на примере исследования локальной геодинамики платформенных территорий), и определению точностных характеристик спутниковой технологии мониторинга, путей их практической реализации в диссертации получены следующие основные результаты.

1. Проведен анализ традиционных средств и методов мониторинга инженерных сооружений и геологической среды, обоснованы преимущества ГНСС-методов. Выполнен анализ отечественного и зарубежного опыта применения спутниковых технологий для мониторинга, результаты которого показали, что на сегодняшний день в значительной мере отработан технический аспект задачи в части оборудования и аппаратно-программных средств, но есть необходимость в разработке технологических решений и методик реализации систем мониторинга с учетом условий конкретных объектов. Сформулированы предложения к методикам спутникового мониторинга.

2. Разработана методика мониторинга спутниковыми методами, на основании сформулированы две частных методики с учетом свойств объектов наблюдений (геодинамические процессы, плотина ГЭС).

Проанализированы источники ошибок, сопровождающие спутниковые измерения, в результате чего обоснована необходимость улучшения вклада измерительной информации путем рационального размещения оборудования, выполнения подготовительных работ и корректной математической обработки измерительной информации.

С целью достижения заявленной точности и повышения эффективности интерпретации геодезических данных непрерывных спутниковых измерений, кроме традиционного подхода, основанного на применении метода наименьших квадратов, исследовалась целесообразность применения гармонического анализа и осуществления низкочастотной фильтрации, для выявления периодики и

установления характера изменения координатных составляющих контролируемых точек. При оценке точностных возможностей спутниковых технологий в методике мониторинга плотины ГЭС использовались автокорреляционные и взаимнокорреляционные функции, характеризующие степень взаимосвязи предыдущих и последующих составляющих временного ряда наблюдений с целью определения уровня дисперсий измерений по определяемым векторам и независимых интервалов наблюдений.

На основе сформулированных методик разработан алгоритм математической обработки непрерывных данных спутникового мониторинга, с учетом специфики конкретных объектов для получения смещений со средними квадратическими ошибками на уровне 1 мм в плане и 2-3 мм по высоте. Выработаны критерии точностных оценок результатов мониторинга, в том числе формулы априорной оценки точности результатов мониторинга инженерных сооружений, с учетом низкочастотной фильтрации рядом Фурье. Обоснованы условия получения заявленных точностных характеристик.

3. Эффективность разработанных методик проверена на практике в ходе проведения научно-производственных работ.

Выполнены экспериментальные исследования по использованию разработанной методики геологической среды (локальных геодинамических процессов) на реальном измерительном материале - данных референцных станций системы точного позиционирования (проект «Москва»). В 2004-2008 гг. проведены наблюдения по определению тектонических движений в бассейне р. Оки. Анализ экспериментальных данных выявил ряд закономерностей локальной геодинамики в исследуемом районе: периодическую часть с годовым и полугодовым периодами и вековую составляющую (тренд), которая на интервале 4,5 лет вычисляется с СКО одной координаты в текущий период времени на уровне 1 мм и может быть отнесена к движению микро-блоков земной коры. Интерпретация полученных в ходе этого эксперимента данных выполнена с участием сотрудников Института геоэкологии им. Е.М.Сергеева РАН.

Проведены экспериментальные исследования по использованию разработанной методики в системе спутникового мониторинга Нижнекамской ГЭС. Представленная технология, основанная на применении гармонического анализа непрерывных ГНСС-данных, позволяет определять взаимные смещения секций гребня плотины с СКО в плане порядка 1 мм, по высоте порядка 2-3 мм и выдавать результаты с периодичностью 1 час. Плановые точностные характеристики результатов спутникового мониторинга подтверждены сравнением с технологией прямых и обратных отвесов.

Новыми результатами, полученными в диссертации, являются следующие:

- разработаны методики спутникового мониторинга крупных инженерных сооружений типа ГТС, на примере плотины ГЭС, и геологической среды, а именно локальных геодинамических процессов платформенных территорий, эффективность которых проверена в ходе научно-производственных экспериментов на реальном измерительном материале с использованием непрерывных ГНСС измерений;

- выполнено теоретическое обоснование и алгоритмизация предложенных методик, с учетом специфики решаемых задач.

- доказано, что спутниковый мониторинг соответствующих объектов и процессов может быть обеспечен на уровне средних квадратических ошибок 1 мм в плане и 2-3 мм по высоте.

На основе практической реализации методик сформулированы конкретные рекомендации по использованию спутникового мониторинга объектов подобного класса.

Представленный опыт наблюдений за динамикой положения референцных станций проекта «Москва» показывает высокую эффективность применения методов спутниковой геодезии для изучения современных деформаций и геодинамических условий, что имеет большое прикладное значение, особенно для оценки геодинамической безопасности инженерных сооружений разного уровня. В проведенном эксперименте использовались только три постоянно действующих станции и ограниченная по площади территория. Но на сегодняшний день сети

станций устанавливаются во многих регионах России. В связи с этим открываются перспективы проведения дальнейших исследований.

Нижнекамскую ГЭС можно рассматривать в качестве типовой русловой равнинной гидростанции, и представленная методика может быть реализована на любом подобном объекте. Поэтому есть все основания рекомендовать для мониторинга смещений гребней плотин и неустойчивых участков приплотинной зоны использование спутниковой технологии, которая пока не имеет себе равных по оперативности и сравнима по точности с традиционными технологиями выявления смещений как плановых так и, при определенных условиях, высотных.

Как было отмечено в начале работы, спутниковые технологии имеют и свои ограничения. Наиболее существенными из них являются невозможность работы в закрытых помещениях и в зонах посторонних электромагнитных излучений на частотах 1-2Ггц. Положительные качества и недостатки спутниковых и традиционных технологий позволили заключить о целесообразности их совместного (комплексного) использования. Так в условиях ГЭС внешняя сеть наблюдений за деформациями может быть реализована на спутниковых средствах, а внутренняя — на традиционных.

В заключение автор считает необходимым подчеркнуть, что диссертация разработана в процессе работы в ФГУП «Госземкадастрсъемка»-ВИСХАГИ и ОАО НПК «РЕКОД», в связи с чем приносит благодарность руководству и коллективам этих организаций за предоставление возможности работать над темой и оказанную поддержку. Искреннюю благодарность автор выражает профессору В.И. Макарову (Институт геоэкологии им. Е.М.Сергеева РАН), сотрудничество с которым помогло автору в интерпретации результатов мониторинга геологической среды в Приокском районе, и профессору В.В. Бойкову, за полезные советы при выполнении работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Булаева, Евгения Александровна, 2013 год

Список источников информации

1. Антонович K.M. Использование Спутниковых радионавигационных систем в геодезии. В 2 т. Т. 2. ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия» - М.: Картгеоцентр, 2006. - 360 с.

2. Антонович K.M., Карпик А.П., Клепиков А.Н. Спутниковый мониторинг земной поверхности // Геодезия и картография, 2004, №1, с. 4-11.

3. Бат. М. Спектральный анализ в геофизике. Перевод с английского. М.: Недра, 1980 г.-535 с.

4. Безбородов В.Г., Бойков В.В., Булаева Е.А. Опыт спутникового мониторинга плотины Нижнекамской ГЭС // Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка, 2012, №4, с. 72-75.

5. Бойков A.B., Булаева Е.А., Монахова М.А. Возможности Спутниковой системы по высокоточному определению координат объектов // Геодезия и картография, 2006, №8, с. 5-10.

6. Бойков A.B. Теоретические основы и практическая реализация координатного обеспечения Спутниковой системы межевания земель (проект «Москва»). Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. 2008г. — 182 стр.

7. Большаков В.Д., Гайдаев П.А.. Теория математической обработки геодезических измерений. М.: «Недра». 1977. - 367 с.

8. Большаков В.Д., Клюшин Е.Б, Васютинский И.Ю. Изыскания и проектирование инженерных сооружений. М.: «Недра». 1991. - 238 с.

9. Булаева Е.А. Об организации мониторинга геологической среды с применеием Системы точного позиционирования проекта «Москва» // Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка, 2010, №4, с. 82-85.

10. Булаева Е.А., Монахова М.А. Исследование точностых возможностей Спутниковой системы межевания земель в режимах статики и реального времени // Геодезия и картография, 2005, №9, с. 7-11.

11. Вагнер Б.Б., Манучарянц Б.О. Геология, рельеф и полезные ископаемые Московского региона. Учебное пособие по курсу «География и экология Московского региона». М: Московский Городской Педагогический Университет - 2003 — 81 с.

12. Генике A.A., Ву Ва Донг. Особенности создания локальных геодинамических сетей спутниковыми методами. // Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка, 2004 - специальный выпуск - с. 212-217.

13. Генике A.A., Побединский Г.Г. Глобальные спутниковые системы определения местоположения и их применение в геодезии. М.: Картгеоцентр, 2004.-355 с.

14. Генике A.A., Черненко В.Н. Исследование деформационных процессов Загорской ГАЭС спутниковыми методами. // Геодезия и картография, №2, 2003, с. 27-33.

15. Генике A.A., Черненко В.Н. Комплексные исследования на локальных геодинамических полигонах. // Геопрофи, №2, 2003, с. 11-15.

16. Глобальная навигационная система (2002-2011 гг.). Федеральная целевая программа: утверждена постановлением Правительства РФ 20.08.2001 №587-ФЦП: офиц. текст. - 15 с.

17. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / Под ред. Харисова В.Н., Перова А.И., Болдина В.А. - М.: ИПРЖР, 1998. — 400 с.

18. Горбунова Э.М., Иванченко Г.Н. Сравнительный геодинамический анализ древних структур и линеаментных форм участка Восточно-Европейской платформы (на примере Подмосковья) // Материалы XIV международной конференции. Часть 1. «Связь поверхностных структур земной коры с глубинными». (Петрозаводск, 27-31 октября 2008 года). Часть 1. -Петрозаводск: КарНЦРАН, 2008. с. 144-147.

19. Инструкция о порядке ведения мониторинга безопасности гидротехнических сооружений предприятий, организаций, подконтрольных органам Госгеонадзора России РД 03-259-98, Москва, 1999 г. - 4 с.

20. Информационно-аналитический центр Федерального космического агентства [электронный ресурс]: http://www.glonass-ianc.rsa.ru.

21. Карпик А.П., Стефаненко Н.И. Оценка состояния Саяно-Шушенской плотины в период нормальной эксплуатации по данным геодезических измерений // Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка, 2009, №5, с. 3-10.

22. Клюшин Е.Б., Киселев М.И., Михелев Д.Ш., Фельдман В.Д. Инженерная геодезия: Учебник для вузов / Под ред. Д.Ш. Михелева. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 480 с.

23. Концепция федеральной системы мониторинга критически важных объектов и (или) потенциально опасных объектов инфраструктуры Российской Федерации и опасных грузов. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 27 августа 2005 г. № 1314-р.

24. Корн, Г. Справочник по высшей математике / Г. Корн, Т. Корн, под общ. ред. И.Г. Арамановича. — М.: Наука, 1973. - 832 с.

25. Королев В.А. Мониторинг геологической среды: учебник / Под редакцией В.Т.Трофимова. - М: Издательство МГУ, 1995 - 272 с.

26. Краснорылов И.И., Булаева Е.А. Анализ результатов наблюдений спутников, образующих Глобальные навигационные системы, методами математической статистики // Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка, 2004 — специальный выпуск - с. 19-27.

27. Красин И.Б., Певнев A.K. О современных движениях земной коры в москве // Известия ВУЗов. Геодезия и картография, 1997, №3, с. 25-31.

28. Крылов В.И. Космическая геодезия. Учебное пособие - М: УПП «Репрография» МИИГАиК, 2002, - 175 с.

29. Логинов С.А., Бойков В.В., Монахова М.А., Булаева Е.А. Применение Спутниковой системы точного позиционирования Москвы и Московсокй области для определения координат центров фотографирования // Пространственные данные, 2008, №1, с. 66-72.

30. Макаров В.И., Бойков В.В., Булаева Е.А. Опыт использования методов спутниковой геодезии (GPS) для изучения современных движений и деформаций земной коры платформенных территорий на примере приокского района Русской плиты // материалы XVI Международной конференции «Структура, свойства, динамика и минерагения литосферы восточноевропейской платформы» Том II, 20 - 24.09.2010 г., Воронеж, - с. 33-39.

31. Манфред Бауэр. SAPOS — геодезическая служба спутникового позиционирования Германии // Геопрофи - 2004. - №3. - с. 44-49.

32. Маркузе Ю.И. Теория математической обработки геодезических измерений. Основы метода наименьших квадратов и уравнительных вычислений. Учебное пособие - М: МИИГАиК, 2005, - 280 с.

33. МГСН 4.19-2005. Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в городе Москве. -218 с.

34. Международная служба вращения Земли (Internationa Earth rotation and reference systems service) [электронный ресурс]: http://www.iers.org.

35. Международная служба для ГНСС (The International GNSS Service (IGS)) [электронный ресурс]: http://igscb.jpl.nasa.gov/index.html.

36. Монахова М.А. Методы применения Спутниковой системы (проект «Москва») для геодезического обеспечения кадастра объектов недвижимости. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. 2007г. - 161 стр.

37. Москва: геология и город. Под ред. Осипова В.И., Медведева О.П., М.: АО «Московские учебники и Картолитография». 1997. - 400 с.

38. Научно-производственная корпорация ОАО НПК «РЕКОД» [электронный ресурс]: http://www.rekod.ru.

39. Научно-технический отчет. «Результаты опытной эксплуатации «Система спутникового мониторинга Нижнекамской ГЭС», со стороны ОАО «НПК «РЕКОД» в проф. В .В .Бойков (руководитель), Е.А.Булаева, к.ф-м.н. С.Ю.Епифанов, A.A. Колозин, к.т.н. М.А.Монахова, О.Н.Терехова, А.В.Устинов, со стороны Группы натурных измерений ГЭС Р.Р.Резитдинов и Р.М.Вафина. - М.: ОАО «Научно-производственная корпорация «РЕКОД», 2011г.-30 с.

40. Научно-технический отчет. «Результаты опытной эксплуатации «Система спутникового мониторинга Саяно-Шушенской ГЭС» / со стороны ОАО «НПК «РЕКОД» в работе приняли участие проф. В.В.Бойков (руководитель), Е.А.Булаева, к.ф-м.н. С.Ю.Епифанов, A.A. Колозин, к.т.н. М.А. Монахова, О.Н.Терехова, А.В.Устинов, со стороны Службы мониторинга ГТС к.т.н. Стефаненко и О.Ю.Синельников. - М.: ОАО «Научно-производственная корпорация «РЕКОД», 2011г. - 51 с.

41. Национальная геодезическая служба США (National Geodetic Survey) [электронный ресурс]: http://www.ngs.noaa.gov/.

42. Никитин. A.A. Теоретические основы обработки геофизической информации. М.: Недра, 1986 г., - 342 с.

43. О промышленной безопасности опасных производственных объектов Федеральный закон от 21 июля 1997 г. № 116-ФЗ.

44. Описание Спутниковой системы межевания земель г. Москвы и Московской области. М.: ФГУП «Госземкадастрсъемка» - ВИСХАГИ (Центр спутниковых технологий). 2005. — 49 с.

45. Певнев А.К. Пути к практическому прогнозу землетрясений. М.: ГЕОС, 2003г.-153 с.

46. Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012-2020 годы. Федеральная целевая программа: утверждена постановлением Правительства РФ 3 марта 2012 г. №189.

47. Постановление Правительства Москвы от 18.05.2004 № 320- ПП «О мониторинге состояния строительных конструкций большепролетных высотных и других уникальных зданий и сооружений, строящихся и эксплуатируемых в г. Москве».

48. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М.: «Наука» 1968. - 288 с.

49. Стандарт организации 17230282.27.140.022-2008. «Здания ГЭС и ГАЭС. Условия создания. Нормы и требования», М.: ОАО РАО «ЕЭС России», 2008 г.-28 с.

50. Технология постобработки спутниковой измерительной информации референцных станций и Заказчика, М.: ФГУП «Госземкадастрсъемка» -ВИСХАГИ (Центр спутниковых технологий), 2006 - 30 е.; М.: ФГУП «Госземкадастрсъемка» - ВИСХАГИ (Центр спутниковых технологий), 2006 -30 с.

51. Технический отчет. Определение координат референцных станций Спутниковой системы межевания земель г. Москвы и Московской области в системе ITRF2000 на эпоху 1997.0. 2006 - 30 е.; М.: ФГУП «Госземкадастрсъемка» - ВИСХАГИ (Центр спутниковых технологий), 2004 -24 с.

52. Технический регламент о безопасности зданий и сооружений. Федеральный закон от 30 декабря 2009 г. № 384-ФЭ. - 22 с.

53. Резник Б.Е. Непрерывные геодезические измерения деформаций строительных конструкций эксплуатируемых сооружений. // Геопрофи, 2008, №4, с. 4-10.

54. Райнер Ягер, Симона Кэлбер, Андреас Хосциславский, Мануэл Освальд, Петер Шпон. Математические модели и техническая реализация GOCA онлайн-системы - геодезического мониторинга и оповещения о деформациях природных и техногенных объектов, основанная на точных спутниковых (GNSS) и наземных геодезических наблюдениях (LPS/LS). Германия, Университет прикладных наук г. Карлсруэ (HSKA), 2010. - 12 с.

55. Салищев В.А. Космическая радионавигация. Учебное пособие по специальности МИИГАиК «космическая геодезия». М. 1995, - 148 с.

56. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. - М.: Эко-Трендз, 2000. -260 с.

57. Татевян С.К. Использование спутниковых позиционных измерений для геодинамических исследований. // Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка, 2004 - специальный выпуск — с. 106-110.

58. Фирма-производитель высокоточного геодезического оборудования и программного обеспечения Leica Geosystems (Швейцария) [электронный ресурс]: http://www.leica-geosystems.com.

59. Фирма-производитель высокоточного геодезического оборудования и программного обеспечения Trimble (США) [электронный ресурс]: http://www.trimble.com.

60. Харкевич. A.A. Спектры и анализ. М.: Радиотехника, 2009 г., 240 с.

61. Хаин В.Е., Ломидзе М.Г. Геотектоника с основами геодинамики: учебник. М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1995 - 480 с.

62. Шануров Г.А., Мельников С.Р. Геотроника. Наземные и спутниковые радиоэлектронные средства и методы выполнения геодезических работ -М.:УПП «Репрография» МИИГАиК, 2001.- 136 с.

63. Ященко В.Р., Ямбаев Х.К. Геодезический мониторинг движений земной коры (по материалам Кавказского региона) - М.: Издательство МИИГАиК, 2007. -208 с.

64. Bernese GPS software. Version 5.0. Edited by U. Hugentobler, R. Dach, P. Fridez, M. Meindl. Astronomical institute university of Bern. September 2005.-464 p.

65. Geiger A. COGEAR. MODULE 2: Geodetic measurements and kinematic modeling. Del. No.: 2b. Geodesy and Geodynamics Lab, ETH Zürich, July 10, 2012 - 12 p. [электронный ресурс] http://www.cces.ethz.ch/projects/hazri/COGEAR.

66. Guochang Xu. GPS. Theory, Algorithms and Applications. Springer, Berlin, 2007. 340 p.

67. Jäger R. GNSS/LPS/LS based Online Control and Alarm System (GOCA) -Mathematical models and technical realization of a scalable system for natural and geotechnical deformation monitoring and analysis. // Proceedings Hydropower of Dams 2009, Lyon, France. Abstracts mit Fullpaper CD. AquaMedia Ltd, Wallingon, UK. S. 136.

68. Jeffkey A. Behr, Kenneth W. Hudnut, Nancy E. King. Monitoring Structural Deformation at Pacoima Dam, California Using Continuous GPS. // Inst. Of Navigation, ION GPS-98, Int. Tech. Meeting, Nashville, TN, September 14-17,

1998.

69. Michael A. Duffy, Cecilia Whitaker. Deformation Monitoring Scheme using Static GPS and Continuous Operating Reference Stations (CORS) in California. // Inst. Of Navigation, ION GPS-99, Int. Tech. Meeting, Nashville, TN, September 14-17,

1999.

70. Vidal Ashkenazi, Richard Bingley, Alan Dodson and Nigel Penna, Trevor Baker. GPS Monitoring of Vertical Land Movements in the UK. // Inst. Of Navigation, ION GPS-98, Int. Tech. Meeting, Nashville, TN, September 14-17, 1998.

71. Yasushi Watanabe, Masahiro Genda, Tatsuji Fujise and Katsuo Yui. The Landslide Monitoring System by GPS. // Inst. Of Navigation, ION GPS-02, Int. Tech. Meeting, Portland, OR, September 24-27, 2002.