На правах рукопису
Розробка методики аналізу результатів геодезичних вимірювань при спостереженні за опадами і зміщеннями великих інженерних споруд супутниковими методами
Спеціальність: 25.00.32 - Геодезія
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми
Розробка ефективних методів виявлення і прогнозування деформацій інженерних споруд є актуальною, оскільки її успішне рішення та подальший розвиток вносять важливий внесок у забезпечення надійності, довговічності та безпеки експлуатації відповідальних споруд. Вирішення цього завдання створює умови для підвищення ефективності використання капітальних вкладень в будівництво, допомагає раціонально планувати різні регламентні роботи, в тому числі геодезичні спостереження за деформацією споруд, а також приносить певний соціальний ефект.
Будівництво великих технічних структурних споруд типу гребель, мостів і висотних будівель є істотним для розвитку будь-якої нації. Значні деформації інженерних споруд, близьких до критичних, потенційно може викликати загибель великої кількості людей і сильні руйнування. Збереження і довговічність споруд - найважливіша народногосподарська завдання, і вона залежить не тільки від науково-обгрунтованої конструкції цих споруд, але також багато в чому і від повноти дослідження грунтів, на яких зводяться споруди, від урахування впливу на споруди зовнішнього середовища і, особливо, від своєчасної постановки і правильного виконання систематичних спостережень за станом споруд. Отже, безпека цих робіт, особливо у випадках з греблями, вимагає періодичного контролю і всебічного аналізу їх структурного стану, заснованого на великому наборі змінних, які вносять свій внесок у ці деформації. Деформацію даних структур визначають декілька факторів. Найважливіші з них - це результати змінних зусиль і напруг, розвинених в структурі через ефектів місцевих рухів земної кори. Рухи земної кори викликають зміни у відносному місцезнаходження пунктів, розташованих на самій греблі або біля неї. Інші визначальні фактори включають в себе: тип матеріалів будівництва, силу вітру, зміна температур, усадку грунтів і коливання через рух транспорту. Результати спостережень за опадами і зміщеннями інженерних споруд геодезичними методами повинні задовольняти вимогам, що пред'являються щодо їх повноти, своєчасності і точності.
З моменту появи ГЛОНАСС і GPS, а також на основі безперервного процесу вдосконалення технології супутникових вимірів проблеми прогнозування деформацій інженерних споруд стали вирішуватися на якісно новій основі. При використанні супутникових методів точність координатних визначень в поєднанні з оперативністю отримання кінцевих результатів визначаються ступенем необхідної детальності досліджень, а також економічними можливостями організації цього виду робіт. Розвиток високоефективних супутникових методів координатних визначень на основі застосування глобальних навігаційних систем ГЛОНАСС і GPS принциповим чином змінюють технологію і точність визначення геодезичних координат і принципи побудови геодезичних мереж, що є фактичною реалізацією систем координат. За результатами супутникових вимірів одночасно визначаються точні значення координат як у плані, так і по висоті. Тому сучасні супутникові методи координатних визначень на основі застосування глобальних навігаційних систем GPS і ГЛОНАСС створюють умови для створення планової і висотної основи у вигляді єдиної сукупності геодезичних пунктів. Складність вирішення цієї проблеми полягає в тому, що по супутникових вимірів безпосередньо визначається геодезична (еліпсоїдальних) висота, тобто висота точки земної поверхні над відліковим еліпсоїдом. При використанні супутникових методів геодезичні висоти визначаються безпосередньо за результатами вимірювань. Обробка супутникових даних не вимагає редукції на поверхню еліпсоїда.
Впровадження нових методів і засобів геодезичних вимірювань повинно супроводжуватися і новою методикою обробки результатів вимірювань. Тільки комплексне рішення задачі дозволить домогтися максимальної ефективності і відповідатиме сучасним вимогам.
Мета роботи:
Основною метою роботи є розробка методики аналізу результатів спостережень за опадами і зміщеннями великих електроенергетичних об'єктів, розташованих в Мексиці, з застосуванням супутникових методів вимірювань, наукове обгрунтування методики та визначення шляхів їх практичної реалізації.
Наукова новизна роботи:
У результаті виконаного аналізу особливостей побудови локальних геодезичних мереж супутниковими методами, що забезпечують оперативність виконання необхідних вимірювань і необхідний високий рівень точності:
1. Виконано теоретичну та експериментальна перевірка ефективності запропонованих математичних методів оцінки точності супутникових координатних визначень.
2. Встановлено, що в умовах недостатньої геодезичної забезпеченої в деяких районах Мексики найбільшою оперативністю та економічністю для визначення деформацій електроенергетичних об'єктів є метод супутникових вимірів.
3. Розроблено алгоритм визначення середніх квадратичних помилок топоцентрічна координат і встановлена залежність між малими змінами декартових топоцентрічна координат
Практична значимість роботи:
Основні результати виконаних досліджень запропоновані для використання в геодезичній службі Мексики. Встановлена практична зв'язок прямокутних геоцентричних і топоцентрічна координат із зонами деформацій вже зараз може бути використана для переосмислення існуючого перспективного плану виявлення різних видів деформацій у районах електроенергетичних об'єктів на території Мексики.
Розроблені в дисертації принципи застосування топоцентрічна прямокутних координат з використанням сучасних супутникових технологій орієнтовані на реалізацію в роботах з вивчення і виявлення деформаційних процесів великих інженерних споруд в умовах Мексики, а також для створення високоефективної системи геодезичного забезпечення.
Запропонований метод оцінки точності результатів геодезичних вимірювань для прогнозування деформацій може служити основою для організації геодезичного моніторингу на території Мексики, головна мета якого - виявлення до і після повеней в зоні водосховищ змін рівнів води.
На конкретному об'єкті (гребля «Саналона», Мексика) було проведено цикл вимірювань за деформацією тіла греблі, на основі яких з використанням запропонованої методики зроблені висновки щодо стійкості досліджуваного об'єкта.
Публікації:
За результатами виконаних досліджень за темою дисертації автором опубліковано чотири статті, а також (у співавторстві) тези доповіді на міжнародній конференції.
Структура та обсяг дисертації:
Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів з підрозділами, висновків та списку літератури. Загальний обсяг роботи - 120 стор Дисертація містить 14 таблиць і 18 малюнків. Список літератури складає 52 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
ВСТУП
Обгрунтовано актуальність розв'язуваної задачі, сформульовані мета і завдання дослідження, обгрунтована наукова новизна і практична значущість роботи.
РОЗДІЛ 1. ДЕФОРМАЦІЇ ВЕЛИКИХ ІНЖЕНЕРНИХ СПОРУД ТА ПРИЧИНИ ЇХ ВИНИКНЕННЯ Я
Дається загальна класифікація геодезичних задач та огляд традиційних методів їх вирішення при вивченні деформацій великих інженерних споруд. Особлива увага приділяється аналізу сучасних концепцій природи деформацій і причин їх виникнення.
При вивченні різного роду деформацій, що виникають в земній корі, а також у підставах великих інженерних спорудах і на інших об'єктах, з'являється необхідність виконання досить частих (а іноді і безперервних в часі) вимірів. Традиційні геодезичні методи в організації моніторингових вимірів на об'єктах великих розмірів вимагають великих витрат коштів і часу. Доцільність використання GPS-вимірів при вивченні деформацій на різних об'єктах, у першу чергу, пов'язана з високою економічною ефективністю супутникових методів вимірювань в поєднанні з високою точністю вимірювань.
В даний час супутникові методи вимірювань знаходять все більш і більш широке застосування для вивчення та моніторингу деформацій великих інженерних споруд. При цьому необхідно враховувати, що нормальна висота пунктів визначаться менш точно, крім того, точність визначення змін координат пунктів залежить від широти досліджуваного об'єкта. Крім того, недостатня кількість спостережуваних супутників, викликаних екрануванням сигналу місцевими предметами, обмежують можливість використання супутникових методів.
РОЗДІЛ 2. СУПУТНИКОВІ МЕТОДИ високоточних геодезичних вимірювань
Дано основні характеристики існуючих в даний час космічних навігаційних систем, включаючи докладний опис супутникових систем GPS і ГЛОНАСС, а також знаходиться в розробці системи GALILEO. Наводиться опис основних методів вимірювань і визначення положення пунктів супутниковими методами.
В якості опорних пунктів з відомими координатами використовуються навігаційні супутники, а в якості пристрою для вимірювання координат - антена з електронним обчислювальним блоком, так званий приймач - ця частина називається «Сектор споживача». При цьому обчислюються відстані від об'єкта на поверхні Землі або в повітрі до видимих супутників.
Для вирішення більшості геодезичних завдань основна роль відводиться відносним режимам (диференціальним), так як вони істотно відрізняються за точністю визначення збільшень координат. Точність методів СРНС (супутникова радіонавігаційна система) залежить від відстані між приймачем і опорною станцією, від кількості супутників на орбіті, від розташування супутників щодо приймачів, від типу і точностних можливостей приймача і від типу місцевості, а також від часу спостережень. СРНС забезпечує виняткові можливості для створення геодезичних мереж різного призначення, що представляється більш економічним і швидким. СРНС працює практично в будь-яких погодних умовах і не вимагає взаємної видимості між приймачами. Використання СРНС є відносно дешевою технологією, і її використання не вимагає висококваліфікованих фахівців у польових умовах. Основний недолік застосування СРНС полягає в тому, що в період її роботи на небі повинно знаходитися, щонайменше, чотири супутники і повинно забезпечуватися відсутність перешкод, створюваних, наприклад, висотними перешкодами і щедрою лісовою рослинністю території.
Фазові методи вимірювань є основними при вирішенні різноманітних геодезичних задач за допомогою супутникових систем, які передбачають забезпечення високої точності вимірювань.
Основна увага в даній главі приділено підходам до рішень, орієнтованим на мінімізацію впливу основних джерел помилок супутникових вимірів.
При вивченні проблеми, що стосується обліку впливу іоносфери на результати супутникових вимірів, беззастережного переваги заслуговують двочастотні методи, основні особливості яких досить детально викладені в опублікованих роботах.
Викладені передумови приймалися до уваги як при проведенні відповідних вимірювань, так і при організації виробничого моніторингу в районі дамби «Саналона», Мексика. До особливостей організації супутникових спостережень слід віднести такі фактори, як оптимальна тривалість сеансу спостережень, вибір приймачів з відповідними технічними характеристиками, інтервал часу, протягом якого проводять виміри з оптимальними значеннями геометричного фактора.
РОЗДІЛ 3. ОСНОВНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ спостереження за осіданням І деформації великих ІНЖЕНЕРНИХ СПОРУД
У главі даються основні рекомендації за спостереженнями за опадами і деформаціями великих споруд, періодичності і точності вимірювань. При впровадженні супутникових технологій в топографо-геодезичне виробництво різко змінилися організаційні та технологічні принципи проведення польових і камеральних робіт, що дає підставу говорити про революційні зміни в області геодезичних вимірювань. В даний час супутникові методи вимірювань знаходять все більш і більш широке застосування для вивчення та моніторингу деформацій великих інженерних споруд. При цьому необхідно враховувати, що нормальна висота пунктів визначаться менш точно, крім того, точність визначення змін координат пунктів залежить від широти об'єкта.
На досвіді робіт показано, що при сприятливому розташуванні супутників і при виключенні багатопроменевого розповсюдження сигналу можливо досягнення високої точності аж до декількох міліметрів. Розглядається алгоритм застосування топоцентрічна прямокутних координат для вивчення деформацій гідротехнічних споруд. Опади і горизонтальні зміщення спостережуваних точок на спорудженні визначають як різницю їх координат, отриманих у різні моменти часу в єдиній системі координат. При аналізі зміщень пунктів у плані і по висоті доцільно використовувати топоцентрічна прямокутну систему координат.
У криволінійній системі координат положення точки P характеризується широтою
Співвідношення між геоцентричними декартовими координатами і еліпсоїдальних криволінійними координатами мають вигляд:
де N - радіус кривизни нормального перетину еліпсоїда в площині першого вертикалі, що дорівнює
Де
Н - геодезична висота.
Введемо позначення:
геодезична висота обчислюється за формулою
Для того щоб обчислити геодезичну висоту
де
Довгота
Для переходу від геоцентричних координат до топоцентрічна координатами необхідно вибрати один пункт за вихідний. При вирішенні геодезичних завдань між точками в просторі використовують систему топоцентрічна декартових координат, початок координат знаходиться у вихідній точці
Зв'язок між декартовими топоцентрічна і декартовими геоцентричними координатами встановлюється таким чином:
Щоб знайти зворотні залежності, вирішимо ці рівняння щодо
При використанні супутникової навігаційної системи GPS координати земних об'єктів виходять в системі координат WGS-84. При виконанні геодезичних робіт зазвичай використовуються місцеві системи координат. При обробці результатів супутникових вимірювань при спостереженнях за деформаціями інженерних споруд виникає необхідність відокремити опади спостережуваних об'єктів від горизонтальних зміщень, тому система координат WGS-84 не повністю відповідає поставленим завданням. У зв'язку з цим в роботі розглянуто процес визначення середніх квадратичних помилок визначення топоцентрічна координат.
З цією метою встановимо залежність між малими змінами декартових топоцентрічна координат
Диференціюючи спочатку рівність
Змінними величинами є координати пунктів у геоцентричної системі координат
Розробка методики аналізу результатів геодезичних вимірювань при спостереженні за опадами і зміщеннями великих інженерних споруд супутниковими методами
Спеціальність: 25.00.32 - Геодезія
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми
Розробка ефективних методів виявлення і прогнозування деформацій інженерних споруд є актуальною, оскільки її успішне рішення та подальший розвиток вносять важливий внесок у забезпечення надійності, довговічності та безпеки експлуатації відповідальних споруд. Вирішення цього завдання створює умови для підвищення ефективності використання капітальних вкладень в будівництво, допомагає раціонально планувати різні регламентні роботи, в тому числі геодезичні спостереження за деформацією споруд, а також приносить певний соціальний ефект.
Будівництво великих технічних структурних споруд типу гребель, мостів і висотних будівель є істотним для розвитку будь-якої нації. Значні деформації інженерних споруд, близьких до критичних, потенційно може викликати загибель великої кількості людей і сильні руйнування. Збереження і довговічність споруд - найважливіша народногосподарська завдання, і вона залежить не тільки від науково-обгрунтованої конструкції цих споруд, але також багато в чому і від повноти дослідження грунтів, на яких зводяться споруди, від урахування впливу на споруди зовнішнього середовища і, особливо, від своєчасної постановки і правильного виконання систематичних спостережень за станом споруд. Отже, безпека цих робіт, особливо у випадках з греблями, вимагає періодичного контролю і всебічного аналізу їх структурного стану, заснованого на великому наборі змінних, які вносять свій внесок у ці деформації. Деформацію даних структур визначають декілька факторів. Найважливіші з них - це результати змінних зусиль і напруг, розвинених в структурі через ефектів місцевих рухів земної кори. Рухи земної кори викликають зміни у відносному місцезнаходження пунктів, розташованих на самій греблі або біля неї. Інші визначальні фактори включають в себе: тип матеріалів будівництва, силу вітру, зміна температур, усадку грунтів і коливання через рух транспорту. Результати спостережень за опадами і зміщеннями інженерних споруд геодезичними методами повинні задовольняти вимогам, що пред'являються щодо їх повноти, своєчасності і точності.
З моменту появи ГЛОНАСС і GPS, а також на основі безперервного процесу вдосконалення технології супутникових вимірів проблеми прогнозування деформацій інженерних споруд стали вирішуватися на якісно новій основі. При використанні супутникових методів точність координатних визначень в поєднанні з оперативністю отримання кінцевих результатів визначаються ступенем необхідної детальності досліджень, а також економічними можливостями організації цього виду робіт. Розвиток високоефективних супутникових методів координатних визначень на основі застосування глобальних навігаційних систем ГЛОНАСС і GPS принциповим чином змінюють технологію і точність визначення геодезичних координат і принципи побудови геодезичних мереж, що є фактичною реалізацією систем координат. За результатами супутникових вимірів одночасно визначаються точні значення координат як у плані, так і по висоті. Тому сучасні супутникові методи координатних визначень на основі застосування глобальних навігаційних систем GPS і ГЛОНАСС створюють умови для створення планової і висотної основи у вигляді єдиної сукупності геодезичних пунктів. Складність вирішення цієї проблеми полягає в тому, що по супутникових вимірів безпосередньо визначається геодезична (еліпсоїдальних) висота, тобто висота точки земної поверхні над відліковим еліпсоїдом. При використанні супутникових методів геодезичні висоти визначаються безпосередньо за результатами вимірювань. Обробка супутникових даних не вимагає редукції на поверхню еліпсоїда.
Впровадження нових методів і засобів геодезичних вимірювань повинно супроводжуватися і новою методикою обробки результатів вимірювань. Тільки комплексне рішення задачі дозволить домогтися максимальної ефективності і відповідатиме сучасним вимогам.
Мета роботи:
Основною метою роботи є розробка методики аналізу результатів спостережень за опадами і зміщеннями великих електроенергетичних об'єктів, розташованих в Мексиці, з застосуванням супутникових методів вимірювань, наукове обгрунтування методики та визначення шляхів їх практичної реалізації.
Наукова новизна роботи:
У результаті виконаного аналізу особливостей побудови локальних геодезичних мереж супутниковими методами, що забезпечують оперативність виконання необхідних вимірювань і необхідний високий рівень точності:
1. Виконано теоретичну та експериментальна перевірка ефективності запропонованих математичних методів оцінки точності супутникових координатних визначень.
2. Встановлено, що в умовах недостатньої геодезичної забезпеченої в деяких районах Мексики найбільшою оперативністю та економічністю для визначення деформацій електроенергетичних об'єктів є метод супутникових вимірів.
3. Розроблено алгоритм визначення середніх квадратичних помилок топоцентрічна координат і встановлена залежність між малими змінами декартових топоцентрічна координат
Практична значимість роботи:
Основні результати виконаних досліджень запропоновані для використання в геодезичній службі Мексики. Встановлена практична зв'язок прямокутних геоцентричних і топоцентрічна координат із зонами деформацій вже зараз може бути використана для переосмислення існуючого перспективного плану виявлення різних видів деформацій у районах електроенергетичних об'єктів на території Мексики.
Розроблені в дисертації принципи застосування топоцентрічна прямокутних координат з використанням сучасних супутникових технологій орієнтовані на реалізацію в роботах з вивчення і виявлення деформаційних процесів великих інженерних споруд в умовах Мексики, а також для створення високоефективної системи геодезичного забезпечення.
Запропонований метод оцінки точності результатів геодезичних вимірювань для прогнозування деформацій може служити основою для організації геодезичного моніторингу на території Мексики, головна мета якого - виявлення до і після повеней в зоні водосховищ змін рівнів води.
На конкретному об'єкті (гребля «Саналона», Мексика) було проведено цикл вимірювань за деформацією тіла греблі, на основі яких з використанням запропонованої методики зроблені висновки щодо стійкості досліджуваного об'єкта.
Публікації:
За результатами виконаних досліджень за темою дисертації автором опубліковано чотири статті, а також (у співавторстві) тези доповіді на міжнародній конференції.
Структура та обсяг дисертації:
Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів з підрозділами, висновків та списку літератури. Загальний обсяг роботи - 120 стор Дисертація містить 14 таблиць і 18 малюнків. Список літератури складає 52 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
ВСТУП
Обгрунтовано актуальність розв'язуваної задачі, сформульовані мета і завдання дослідження, обгрунтована наукова новизна і практична значущість роботи.
РОЗДІЛ 1. ДЕФОРМАЦІЇ ВЕЛИКИХ ІНЖЕНЕРНИХ СПОРУД ТА ПРИЧИНИ ЇХ ВИНИКНЕННЯ Я
Дається загальна класифікація геодезичних задач та огляд традиційних методів їх вирішення при вивченні деформацій великих інженерних споруд. Особлива увага приділяється аналізу сучасних концепцій природи деформацій і причин їх виникнення.
При вивченні різного роду деформацій, що виникають в земній корі, а також у підставах великих інженерних спорудах і на інших об'єктах, з'являється необхідність виконання досить частих (а іноді і безперервних в часі) вимірів. Традиційні геодезичні методи в організації моніторингових вимірів на об'єктах великих розмірів вимагають великих витрат коштів і часу. Доцільність використання GPS-вимірів при вивченні деформацій на різних об'єктах, у першу чергу, пов'язана з високою економічною ефективністю супутникових методів вимірювань в поєднанні з високою точністю вимірювань.
В даний час супутникові методи вимірювань знаходять все більш і більш широке застосування для вивчення та моніторингу деформацій великих інженерних споруд. При цьому необхідно враховувати, що нормальна висота пунктів визначаться менш точно, крім того, точність визначення змін координат пунктів залежить від широти досліджуваного об'єкта. Крім того, недостатня кількість спостережуваних супутників, викликаних екрануванням сигналу місцевими предметами, обмежують можливість використання супутникових методів.
РОЗДІЛ 2. СУПУТНИКОВІ МЕТОДИ високоточних геодезичних вимірювань
Дано основні характеристики існуючих в даний час космічних навігаційних систем, включаючи докладний опис супутникових систем GPS і ГЛОНАСС, а також знаходиться в розробці системи GALILEO. Наводиться опис основних методів вимірювань і визначення положення пунктів супутниковими методами.
В якості опорних пунктів з відомими координатами використовуються навігаційні супутники, а в якості пристрою для вимірювання координат - антена з електронним обчислювальним блоком, так званий приймач - ця частина називається «Сектор споживача». При цьому обчислюються відстані від об'єкта на поверхні Землі або в повітрі до видимих супутників.
Для вирішення більшості геодезичних завдань основна роль відводиться відносним режимам (диференціальним), так як вони істотно відрізняються за точністю визначення збільшень координат. Точність методів СРНС (супутникова радіонавігаційна система) залежить від відстані між приймачем і опорною станцією, від кількості супутників на орбіті, від розташування супутників щодо приймачів, від типу і точностних можливостей приймача і від типу місцевості, а також від часу спостережень. СРНС забезпечує виняткові можливості для створення геодезичних мереж різного призначення, що представляється більш економічним і швидким. СРНС працює практично в будь-яких погодних умовах і не вимагає взаємної видимості між приймачами. Використання СРНС є відносно дешевою технологією, і її використання не вимагає висококваліфікованих фахівців у польових умовах. Основний недолік застосування СРНС полягає в тому, що в період її роботи на небі повинно знаходитися, щонайменше, чотири супутники і повинно забезпечуватися відсутність перешкод, створюваних, наприклад, висотними перешкодами і щедрою лісовою рослинністю території.
Фазові методи вимірювань є основними при вирішенні різноманітних геодезичних задач за допомогою супутникових систем, які передбачають забезпечення високої точності вимірювань.
Основна увага в даній главі приділено підходам до рішень, орієнтованим на мінімізацію впливу основних джерел помилок супутникових вимірів.
При вивченні проблеми, що стосується обліку впливу іоносфери на результати супутникових вимірів, беззастережного переваги заслуговують двочастотні методи, основні особливості яких досить детально викладені в опублікованих роботах.
Викладені передумови приймалися до уваги як при проведенні відповідних вимірювань, так і при організації виробничого моніторингу в районі дамби «Саналона», Мексика. До особливостей організації супутникових спостережень слід віднести такі фактори, як оптимальна тривалість сеансу спостережень, вибір приймачів з відповідними технічними характеристиками, інтервал часу, протягом якого проводять виміри з оптимальними значеннями геометричного фактора.
РОЗДІЛ 3. ОСНОВНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ спостереження за осіданням І деформації великих ІНЖЕНЕРНИХ СПОРУД
У главі даються основні рекомендації за спостереженнями за опадами і деформаціями великих споруд, періодичності і точності вимірювань. При впровадженні супутникових технологій в топографо-геодезичне виробництво різко змінилися організаційні та технологічні принципи проведення польових і камеральних робіт, що дає підставу говорити про революційні зміни в області геодезичних вимірювань. В даний час супутникові методи вимірювань знаходять все більш і більш широке застосування для вивчення та моніторингу деформацій великих інженерних споруд. При цьому необхідно враховувати, що нормальна висота пунктів визначаться менш точно, крім того, точність визначення змін координат пунктів залежить від широти об'єкта.
На досвіді робіт показано, що при сприятливому розташуванні супутників і при виключенні багатопроменевого розповсюдження сигналу можливо досягнення високої точності аж до декількох міліметрів. Розглядається алгоритм застосування топоцентрічна прямокутних координат для вивчення деформацій гідротехнічних споруд. Опади і горизонтальні зміщення спостережуваних точок на спорудженні визначають як різницю їх координат, отриманих у різні моменти часу в єдиній системі координат. При аналізі зміщень пунктів у плані і по висоті доцільно використовувати топоцентрічна прямокутну систему координат.
У криволінійній системі координат положення точки P характеризується широтою
Співвідношення між геоцентричними декартовими координатами і еліпсоїдальних криволінійними координатами мають вигляд:
де N - радіус кривизни нормального перетину еліпсоїда в площині першого вертикалі, що дорівнює
Де
Н - геодезична висота.
Введемо позначення:
геодезична висота обчислюється за формулою
Для того щоб обчислити геодезичну висоту
де
Довгота
Для переходу від геоцентричних координат до топоцентрічна координатами необхідно вибрати один пункт за вихідний. При вирішенні геодезичних завдань між точками в просторі використовують систему топоцентрічна декартових координат, початок координат знаходиться у вихідній точці
Зв'язок між декартовими топоцентрічна і декартовими геоцентричними координатами встановлюється таким чином:
Щоб знайти зворотні залежності, вирішимо ці рівняння щодо
При використанні супутникової навігаційної системи GPS координати земних об'єктів виходять в системі координат WGS-84. При виконанні геодезичних робіт зазвичай використовуються місцеві системи координат. При обробці результатів супутникових вимірювань при спостереженнях за деформаціями інженерних споруд виникає необхідність відокремити опади спостережуваних об'єктів від горизонтальних зміщень, тому система координат WGS-84 не повністю відповідає поставленим завданням. У зв'язку з цим в роботі розглянуто процес визначення середніх квадратичних помилок визначення топоцентрічна координат.
З цією метою встановимо залежність між малими змінами декартових топоцентрічна координат
Диференціюючи спочатку рівність
Змінними величинами є координати пунктів у геоцентричної системі координат
Для перебування залежності диференціала широти від змін декартових координат диференціюємо формулу Боурінга (6):
У свою чергу
Величину
отже,
Залежність зміни широти пункту від змін декартових геоцентричних координат остаточно представимо у вигляді:
де
Уявімо формулу (16) більш компактно, з цією метою введемо позначення:
З урахуванням (17) формулу (16) представимо у вигляді
Для знаходження зміни довготи диференціюємо формулу
Залежність зміни радіуса кривизна першого вертикала знайдемо з
отже
Підставивши значення
де
Аналогічно диференціюємо рівність (10):
З урахуванням (19) представимо (22) у наступному вигляді:
Введемо позначення і представимо (22) у вигляді:
де
Диференціюючи рівняння (11), отримаємо:
Для визначення величини
отже,
Підставивши значення (19), (20) і (25) в рівняння (24), отримаємо диференціальну формулу
де
Використовуючи раніше отримані вирази (21), (23) і (26), отримаємо такі диференційні формули:
Переходячи до середніх квадратичних помилок, остаточно отримаємо:
Характерною особливістю цих формул є те, що в них використовуються, крім геодезичних координат
ГЛАВА 4. РОЗРОБКА МЕТОДИКИ ВИЗНАЧЕННЯ ОСАД І ДЕФОРМАЦІЙ супутниковими методами І МЕТОДІВ ОБРОБКИ
З метою експериментальної перевірки пропонованої методики аналізу результатів супутникових вимірів за опадами і зміщеннями дамби «Саналона» були проведені роботи по створенню геодезичної мережі супутниковими методами в районі водосховища.
Водосховище знаходиться на західному схилі Сьєрра Мадре Уксідантал (західна гірська ланцюг Мадре) в її нижніх відрогах. У даній місцевості переважають вулканічні гірські породи, головним чином інтрузивні базальти. Гребля Саналона (із грунтових матеріалів) була побудована на річці Тамазула в 32 км на захід від міста Кульякан штату Сіналоа (Мексика). Вона являє собою земляний вал, з лівого боку знаходиться дамба і на правому краю водозлив у вигляді віяла з вільним гребенем. Злив греблі Саналона зроблений в основному з граніту, який у своїй верхній частині має ділянку з яскраво вираженою альтерацією, яка доходить до глибин близько 20,0 м.
Як вже зазначалося раніше, при вирішенні даної проблеми встановлено доцільність застосування мережного методу побудов. За таким принципом реалізована, зокрема, локальна мережа в зоні досліджуваного об'єкта. Для ілюстрації на рис. 1 наведена схема розташування опорних і робочих пунктів.
SHAPE \ * MERGEFORMAT
Рис. 1. Схема розміщення геодезичних пунктів для спостережень за опадами і зміщеннями дамби «Саналона» Мексика |
Робочі пункти CASETA, B, A і TEMPLETE знаходяться на гребені греблі, а опорні - поза зони деформації в стабільних і міцних породах.
На греблі «Саналона» за вихідні пункти прийняті точки: CACTUS, LOMA і CULEBRA, розташовані в нижньому б'єфі за межами зони деформацій.
Основна вимога, що пред'являється до опорних пунктах і до технології їх закріплення на місцевості, зводиться до забезпечення максимальної стабільності їхнього розташування в плин часу.
У загальному комплексі експериментальних досліджень, що відносяться до принципів побудови локальних супутникових геодезичних мереж, належну увагу було приділено також обгрунтуванню вибору тривалості сеансу спостережень, яка дозволяє проводити супутникові визначення на необхідному рівні точності.
У результаті аналізу опублікованих робіт, було вирішено під час виконання робіт на греблі проводити сеанси спостережень протягом однієї години. Вимірювання на всіх пунктах проводилися двочастотний геодезичними приймачами: 4 приймача «Z-200» фірми ASTECH.
За умови дотримання всіх технічних вимог, похибка взаємних положень двох суміжних пунктів цими типами приймачів не повинна перевищувати 3-5 мм відповідно.
У таблиці 1 наведені просторові прямокутні координати X, Y, Z і геодезичні еліпсоїдальних координати
Середні квадратичні помилки просторових прямокутних координат X, Y, Z робочих пунктів з зрівнювання дані в табл. 2
У таблиці 3 наведені топоцентрічна декартові координати робочих пунктів та їх оцінка точності, виконана за формулами (28), розробленим автором дисертаційної роботи.
Таблиця 1
| Робочі пункти | X, м Широта [С] | Y, м Довгота [З] | Z, м Висота, м |
| CAS E T A | -1708627,31678 | -5535015,69923 | 2660596,89474 |
| 24 ° 48'55, 95470 " | 107 ° 09'18, 5558 " | 129,87617 | |
| A | -1707987,94741 | -5535267,22002 | 2660478,79319 |
| 24 ° 48'51, 7647 " | 107 ° 08'54, 1609 " | 127,31152 | |
| B | -1708047,09865 | -5535251,72771 | 2660473,04779 |
| 24 ° 48'51, 5592 " | 107 ° 08'56, 3362 " | 127,29411 | |
| TEMP | -1707602,55450 | -5535310,99717 | 2660636,99941 |
| 24 ° 48'57, 4106 " | 107 ° 08'40, 5885 " | 128,54945 |
| Робочі пункти | |||
| CASETA | 3,6 | 8,1 | 3,3 |
| A | 3,4 | 7,4 | 3,4 |
| B | 2,9 | 6,8 | 3,7 |
| TEMPLETE | 3,3 | 8,3 | 4,2 |
| Робочі пункти | ||||||
| CAS E T A | 677,40160 | 4,3 | -515,66011 | 4,1 | 48,80393 | 7,2 |
| A | 548,46324 | 4,4 | 169,44743 | 4,7 | 46,27031 | 6,5 |
| B | 542,14086 | 3,5 | 108,35801 | 3,9 | 46,25478 | 5,4 |
| TEMP | 722,20086 | 4,1 | 550,61294 | 5,3 | 47,46935 | 7,1 |
Основна мета проведених у цій області експериментів полягала в практичному підтвердженні ефективності дії викладених вище передумов, вишукуванні надійних критеріїв оцінки застосування топоцентрічна декартових координат і конкретизації практичної реалізації рекомендованих методів.
У таблиці 4 наведені топоцентрічна декартові координати, отримані за результатами спостережень в період з січня 2005 р. по липень 2006 р.
У табл. 5, 6, 7 і 8 наведено ухилення координат робочих пунктів від початкового моменту в кожному циклі вимірів.
Таблиця 4
| Робочі пункти | Дата спостережень | Топоцентрічна декартові координати робочих пунктів | ||
| CAST | 24-25.01.2005 18-19.07.2005 11-12.01.2006 02-03.07.2006 | 677,40160 , 40722 , 41047 , 40474 | -515,66011 , 65871 , 66721 , 66301 | 48,80393 , 79822 , 79617 , 79432 |
| A | 24-25.01.2005 18-19.07.2005 11-12.01.2006 02-03.07.2006 | 548,46324 , 46075 , 47016 , 46383 | 169,44743 , 45062 , 44621 , 45164 | 46,27031 , 26715 , 26426 , 26241 |
| B | 24-25.01.2005 18-19.07.2005 11-12.01.2006 02-03.07.2006 | 542,14086 , 13518 , 13987 , 13629 | 108,35801 , 35019 , 35211 , 35651 | 46,25478 , 24935 , 25116 , 24675 |
| TEMP | 24-25.01.2005 18-19.07.2005 11-12.01.2006 02-03.07.2006 | 722,20086 , 20913 , 20399 , 20649 | 550,61294 , 61961 , 61651 , 62053 | 47,46935 , 46615 , 46487 , 46252 |
| Робочий пункт CAST | ||||
| № Циклів | Інтервал часу (Добу) | мм | мм | мм |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 176 | +5 | +1 | -6 |
| 2 | 354 | +8 | +7 | -8 |
| 3 | 527 | +3 | +3 | -10 |
| Робочий пункт A | ||||
| № Циклів | Інтервал часу (Добу) | (В мм) | (В мм) | (В мм) |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 176 | -3 | +4 | -3 |
| 2 | 354 | -2 | -1 | -6 |
| 3 | 527 | +1 | +5 | -8 |
| Робочий пункт B | ||||
| № циклів | Інтервал часу (добу) | |||
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 176 | -6 | -8 | -6 |
| 2 | 354 | -1 | -6 | -4 |
| 3 | 527 | -5 | -2 | -8 |
| Робочий пункт TEMP | ||||
| № циклів | Інтервал часу (Добу) | (В мм) | (В мм) | (В мм) |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 176 | +8 | +7 | -3 |
| 2 | 354 | +3 | +3 | -4 |
| 3 | 527 | +5 | +7 | -7 |
1. Середні квадратичні похибки визначення зміщень і осад робочих пунктів склали відповідно по осях
2. Виміряні зміщення і опади робочих пунктів знаходяться у межах до 10 мм по всіх осях, що менше граничної похибки вимірювань цих зміщень і осад всіх спостережуваних пунктів.
3. З цього можна зробити висновок, що деформації греблі, що перевершують точність вимірювань, не виявлені.
Порівняння перевищень між пунктами показало, що їх зміни за останні 1,5 роки знаходяться у межах точності вимірів (менше 5 мм).
Характерна особливість застосування топоцентрічна прямокутних координат при вивченні осад і горизонтальних зміщень інженерних споруд полягає в тому, що на відміну від інших систем координат перетворення здійснюється порівняно просто, так як формули дозволяють отримати зміна координат робочих пунктів відносно початкової точки, умовна поверхня відліку висоти проходить через вихідну точку, виключається необхідність редукування результатів вимірювань на референц-еліпсоїд, а потім на площину, точність обчислення координат після переходу від геоцентричних до топоцентрічна прямокутним координатам не знижує точності геоцентричних координат після зрівнювання.
Представлені в главі результати дослідно-виробничих робіт з геодезичної супутникової мережі підтверджують ефективність застосування супутникових вимірювань на основі розробленої в дисертації методики і вказують, що не відбуватися деформацій тіла греблі, що перевершують 10-15 мм, тобто точність передбачуваного методу.
ВИСНОВОК
На основі досліджень, проведених в дисертаційній роботі, представляється можливим зробити узагальнений висновок про те, що представлений матеріал охоплює комплекс питань, що відносяться до розробки методів дослідження деформаційних процесів стосовно до великих інженерних споруд. В основу розробленого методу покладено сучасні можливості визначення осад і зсувів на основі застосування топоцентрічна прямокутних координат із застосуванням глобальних супутникових навігаційних систем. При цьому в процесі реалізації згаданого комплексу вирішені наступні завдання:
1. Розроблено методику обробки результатів супутникових вимірювань з метою виявлення деформацій великих інженерних споруд, використовуючи топоцентрічна систему координат.
2. Точнісні дослідження розробленої методики обробки результатів супутникових вимірювань показали, що середні квадратичні помилки деформаційних характеристик спостережуваних об'єктів залежать тільки від точності визначення збільшень координат і не залежать від точності визначення абсолютних координат і від точності знання аномалій висот у районі виконаних робіт.
3. Запропонований метод супутникових вимірів при моніторингу великих інженерних споруд дозволить істотно скоротити час пошуку ознак деформацій в умовах Мексики.
4. Удосконалено процес проведення на геодезичних мережах польових супутникових вимірів і процедур подальшої обробки результатів вимірювань з тим, щоб на їх основі отримувати надійні значення досліджуваних деформацій.
5. Виявлено математичні залежності зміни точності топоцентрічна декартових координат при аналізі деформацій великих інженерних споруд.
6. Припущень метод вивчення деформацій не виявлено на досліджуваному об'єкті ознак зміщень і осад.
Нові принципи встановлення і подальшого розвитку системи топоцентрічна прямокутних координат при вивченні деформаційних процесів електроенергетичних об'єктів у Мексиці на основі сучасних супутникових технологій зумовлюють необхідність зміни структури геодезичного забезпечення.
Результати експериментальних виробничих робіт, підтверджують високу ефективність застосування GPS-методів при вивчень деформацій великих інженерних споруд.
Публікації за темою дисертації
1. Трехо Сото Мануель. Застосування топоцентрічна прямокутних координат при вивченні деформацій великих інженерних споруд супутниковими методами. Вісник ОНУ, Геодезія та аерофотозйомка, N 5, 2006, с. 53-60.
2. Трехо Сото Мануель. Оцінка точності топоцентрічна прямокутних координат при вивченні деформацій великих інженерних споруд супутниковими методами. Вісник ОНУ, Геодезія та аерофотозйомка, N 6, 2006, с. 75-86.
3. Трехо Сото Мануель. Математичний аналіз супутникових геодезичних мереж при вивченні деформацій інженерних споруд. Геодезія та аерофотозйомка, N 1, 2007, с. 67-75.
4. García López Ramón, Moraila Valenzuela Carlos, López Moreno Manuel, Vázquez Becerra Esteban, Balderrama Corral Rigoberto, Plata Rocha Wenseslao y Trejo Soto Manuel. Solución del Campo de Gravedad Empleando Datos Combinados de las misiones GRACE y CHAMP usando el principio de Conservación de la energía . Reunion Annual de la Union Geofisica Mexicana. (29Oct-3Nov, 2006). http://www.ugm.org.mx.