RU2467298C1 - System of satellite monitoring of engineering facilities displacements using satellite navigation systems glonass/gps - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: invention relates to the field of automated systems of monitoring of engineering structures displacements, and may be used to perform continuous monitoring of shifts and oscillations in elements of engineering facilities structures with the purpose of early diagnostics of the facility integrity, and also efficient detection of primary criteria (precursors) of facility stability loss. The system comprises a hardware and software complex of sensor and converter equipment, including: two-frequency receivers GLONASS/GPS, inclination sensors, a weather station with temperature sensors, relative humidity, pressure sensors, force and wind speed direction sensors, precipitation sensors, sensors of solar radiation, channelling communication facilities, a general bus of information exchange; a basic station with: GLONASS/GPS receivers and channelling communication facilities; an object centre of monitoring, comprising: an automated workplace of an operator with a computer based on a processor, channelling communication facilities.

EFFECT: higher accuracy and efficiency of monitoring shifts of engineering facilities, expansion of functional capabilities of an object centre of monitoring, making it possible to identify spectral characteristics of structure elements oscillations and to develop an actual model of object behaviour.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области автоматизированных систем мониторинга смещений инженерных сооружений и может быть использовано для ведения непрерывного контроля смещений и колебаний элементов конструкций мостов, плотин, башен и других инженерных сооружений с целью ранней диагностики целостности сооружения, а также оперативного обнаружения первичных признаков (предвестников) потери устойчивости сооружения, главным образом промышленных и социально значимых сооружений, связанных с массовым посещением людей, к которым относятся и спортивные сооружения, здания, промышленные объекты и др.The invention relates to the field of automated systems for monitoring the displacement of engineering structures and can be used for continuous monitoring of displacements and vibrations of structural elements of bridges, dams, towers and other engineering structures with the aim of early diagnosis of the integrity of the structure, as well as the rapid detection of primary signs (precursors) of stability loss facilities, mainly industrial and socially significant facilities, associated with mass visits to people, which include active structures, buildings, industrial facilities, etc.

При создании систем мониторинга решаются следующие основные задачи:When creating monitoring systems, the following main tasks are solved:

- выбор объектов контроля (тип конструкций, число контролируемых однотипных конструкций);- selection of control objects (type of structures, number of monitored structures of the same type);

- выбор наиболее ответственных конструктивных элементов сложных конструкций, определение в них опасных сечений и назначение контрольных точек для установки приборов и измерений;- selection of the most critical structural elements of complex structures, identification of dangerous sections in them and the appointment of control points for the installation of instruments and measurements;

- разработка методов определения контролируемых параметров, выбор серийных или разработка индивидуальных технических средств контроля, изготовление и установка их на объекте;- development of methods for determining controlled parameters, selection of serial or development of individual technical means of control, their manufacture and installation at the facility;

- проведение инструментальных и визуальных наблюдений, определение фактических смещений, напряжений, усилий в контролируемых конструктивных элементах;- conducting instrumental and visual observations, determining actual displacements, stresses, forces in controlled structural elements;

- определение (оценка) технического состояния конструкций по данным сопоставления (анализа) натурных наблюдений с результатами расчетов или с критериальными характеристиками;- determination (assessment) of the technical condition of structures according to a comparison (analysis) of field observations with calculation results or with criteria characteristics;

- определение габаритов размеров сложного инженерного сооружения (размеры в плане и по высоте).- determination of dimensions of a complex engineering structure (dimensions in plan and height).

До настоящего времени на конструкции упомянутых выше объектов устанавливались механические приборы.Until now, mechanical devices have been installed on the structures of the above objects.

Недостатком механических приборов является необходимость проведения измерений в ручном режиме с последовательным обходом точек контроля. Для постоянного слежения за состоянием конструкций, а также непрерывной регистрации и хранения полученной информации требуется применение электромеханических и электронных высокоточных и малогабаритных приборов, позволяющих проводить измерения, обработку, передачу данных в автоматизированном режиме и осуществлять их хранение в режиме накопления, формирования банка информации.The disadvantage of mechanical devices is the need for manual measurements with sequential bypass of the control points. For continuous monitoring of the state of structures, as well as for the continuous recording and storage of information received, the use of electromechanical and electronic high-precision and small-sized devices is required, which allow measurements, processing, data transfer in an automated mode and their storage in the mode of accumulation and formation of an information bank.

Во всем мире технически сложное и масштабное строительство таких сооружений, как дворцы спорта и спортивные сооружения, не обходится без средств непрерывного геодезического мониторинга как на стадии строительства, так и при эксплуатации. Современные сложные сооружения в результате влияния природных и техногенных воздействий различного характера испытывают значительные статические и динамические нагрузки, вызывающие смещение элементов и узлов, перенапряжение и деформацию несущих конструктивных элементов.All over the world, the technically complex and large-scale construction of such facilities as sports palaces and sports facilities is not without means of continuous geodetic monitoring both at the construction stage and during operation. Modern complex structures as a result of the influence of natural and technogenic influences of various nature experience significant static and dynamic loads, causing displacement of elements and nodes, overstrain and deformation of load-bearing structural elements.

Переменные динамические нагрузки вызывают резонансные процессы конструкции инженерного сооружения (ИС). Совпадение наведенных частот от воздействия внешних факторов с собственными резонансными частотами конструкции ИС вызывает резкое (скачкообразное) увеличение амплитуды колебаний, нередко проводящее к разрушению строения.Variable dynamic loads cause resonant processes in the construction of an engineering structure (IS). The coincidence of the induced frequencies from the influence of external factors with the natural resonant frequencies of the IC design causes a sharp (spasmodic) increase in the amplitude of the oscillations, often leading to the destruction of the structure.

Спутниковые методы мониторинга позволяют определять как перемещения конструкций, так и резонансные частоты колебаний конструкций.Satellite monitoring methods allow you to determine both the movement of structures and the resonant frequencies of vibration of structures.

Актуальность мониторинга ИС заключается, с одной стороны, в эффективности инженерно-технических решений, соблюдении технологических и эксплуатационных регламентов, естественном старении сооружения, влиянии человеческого и природных факторов и, как следствие, - в угрозе их обрушения, а с другой - в возможности отслеживания первичных признаков (предвестников) аварии или обрушения.The relevance of IP monitoring consists, on the one hand, in the effectiveness of engineering solutions, compliance with technological and operational regulations, the natural aging of the structure, the influence of human and natural factors and, as a result, the threat of their collapse, and on the other hand, the ability to track primary signs (harbingers) of an accident or collapse.

К наиболее вероятным человеческим факторам следует отнести: ошибки инженерно-технических решений и расчетов, нарушение технологии при создании и эксплуатации ИС, агрегатов, электрических сетей и коммуникаций, а также преднамеренные и непреднамеренные действия, в результате которых может произойти нарушение целостности ИС (разрушение конструкционных элементов, отдельных узлов, агрегатов и сооружения в целом) и др. Несоблюдение условий эксплуатации, связанных с возникновением резонансных колебаний, может привести к весьма значительным разрушениям и серьезным социально-экономическим последствиям.The most likely human factors include: errors in engineering solutions and calculations, violation of technology during the creation and operation of IS, aggregates, electrical networks and communications, as well as deliberate and unintentional actions, as a result of which there may be a violation of the integrity of the IP (destruction of structural elements , individual components, assemblies and structures in general), etc. Non-compliance with operating conditions associated with the occurrence of resonant oscillations can lead to very significant destruction and serious socio-economic consequences.

К основным природным факторам относятся: смена времени года, суточные колебания температуры и солнечная активность (наличие прямого солнечного излучения), изменение силы и направления ветра, количество осадков, сейсмические факторы. Как следствие этого, происходят просадки и смещение фундамента. В наиболее нагруженных элементах конструкции сооружений возникают и развиваются скрытые дефекты (происходит пластическая деформация, смещение, коррозионное растрескивание, зарождаются и развиваются трещины и т.д.). Указанные причины могут привести к нарушению конструктивных характеристик и аварии сооружения. Аварийный отказ сооружения в этом случае имеет износовый характер.The main natural factors include: change of season, daily fluctuations in temperature and solar activity (the presence of direct solar radiation), change in the strength and direction of the wind, amount of precipitation, seismic factors. As a result of this, subsidence and displacement of the foundation occur. In the most loaded structural elements of structures, latent defects arise and develop (plastic deformation, displacement, corrosion cracking occur, cracks nucleate and develop, etc.). These reasons can lead to a violation of the structural characteristics and accident of the structure. The emergency failure of the structure in this case has a wear character.

В целом изложенные выше факторы естественного и иного характера могут привести к чрезвычайным ситуациям и техногенным катастрофам, для выявления признаков которых с целью последующего оперативного их устранения и предназначено предлагаемое изобретение.In general, the above factors of a natural and other nature can lead to emergency situations and technological disasters, to identify the signs of which, with the aim of their subsequent prompt elimination, the present invention is intended.

Из уровня техники известны способ и устройство для относительного спутникового позиционирования движущихся платформ (см. патент США на изобретение US 6961018, опубл. 01.11.2005). Изобретение направлено на определение относительного положения движущихся платформ с использованием спутниковых навигационных технологий и оборудования, установленного на платформах. Оно основано на принципах космической навигации - дифференциальных системах и использует дифференциальную ГНСС в режимах, приводящих к минимуму передачи данных и расчетных нагрузок на вспомогательные процессоры. Изобретение обеспечивает точное позиционирование и относительную навигацию.The prior art method and device for relative satellite positioning of moving platforms (see US patent for the invention US 6961018, publ. 01.11.2005). The invention is aimed at determining the relative position of moving platforms using satellite navigation technologies and equipment installed on the platforms. It is based on the principles of space navigation - differential systems and uses differential GNSS in modes that minimize data transfer and design loads on auxiliary processors. The invention provides accurate positioning and relative navigation.

Из уровня техники известны способ и устройство для наземной съемки участков с одной или более неустойчивой зоной (см. патент США на изобретение US 7199872, опубл. 03.04.2007). Изобретение относится к области наземной съемки (мониторинга) участка с одной или более неустойчивыми зонами и хотя бы одной контрольной точкой, размещенной за пределами зон нестабильности, где контроль смещений осуществляется по относительным показаниям датчиков, размещенных в различных точках участка.The prior art method and device for ground-based surveying of areas with one or more unstable zones (see US patent for invention US 7199872, publ. 03.04.2007). The invention relates to the field of ground-based survey (monitoring) of a site with one or more unstable zones and at least one control point located outside the zones of instability, where the displacement is controlled by the relative readings of sensors located at different points of the site.

Из уровня техники известна измерительная сейсмическая система с использованием GPS-приемников (см. патент США на изобретение US 7117094, опубл. 15.07.2004). Система мониторинга трехмерных сейсмических данных, включающая множество цифровых датчиков, центра управления и обработки данных, базовая GPS-станция с антенной, расположенная в максимально открытой в верхней полуплоскости полусферой, и роверными GPS-приемниками, использующими сигналы базовой станции для определения своего местоположения с высокой точностью.The prior art measuring seismic system using GPS receivers (see US patent for invention US 7117094, publ. 15.07.2004). A system for monitoring three-dimensional seismic data, including many digital sensors, a control and data processing center, a GPS base station with an antenna located in the hemisphere as open as possible in the upper half-plane, and rover GPS receivers that use the base station signals to determine their location with high accuracy .

Из уровня техники известны метод и система GPS и WAAS фазовых измерений для относительного позиционирования (см. патент США на изобретение US 6469663, опубл. 24.10.2000). Метод точного определения относительного положения между двумя точками с помощью информации о фазах несущих из приемников, способных производить кодовые и фазовые измерения сигналов, передаваемых со спутников GPS, а также сигналов, передаваемых с WAAS, EGNOS, MSAS или других щирокозонных дифференциальных систем спутников (далее именуемые просто как «спутники WAAS»). Эти сигналы обрабатываются в приемных системах для определения относительной позиции, для съемки или иных приложений. Обработка сигналов ведется аналогично той, которая используется в существующих GPS-фазовых приемниках. Метод отличается более быстрым и надежным разрешением неоднозначности фазовых измерений, защитой от пропуска фазовых циклов и потери части спутников, а также возможностью расширения рабочего диапазона, позволяя увеличить базу между приемниками путем включения ионосферной модели, представленной WAAS.The prior art method and system of GPS and WAAS phase measurements for relative positioning (see US patent for the invention US 6469663, publ. 24.10.2000). A method for accurately determining the relative position between two points using information on the phases of the carriers from receivers capable of making code and phase measurements of signals transmitted from GPS satellites, as well as signals transmitted from WAAS, EGNOS, MSAS or other wide-band differential satellite systems (hereinafter referred to as just like WAAS satellites). These signals are processed in receiving systems to determine the relative position, for shooting or other applications. Signal processing is carried out similarly to that used in existing GPS phase receivers. The method is characterized by a faster and more reliable resolution of the ambiguity of phase measurements, protection from missing phase cycles and the loss of some satellites, as well as the possibility of expanding the operating range, allowing you to increase the base between receivers by including the ionospheric model presented by WAAS.

Известные из уровня техники технические решения обладают следующим недостатком:Known from the prior art technical solutions have the following disadvantage:

- недостаточная точность мониторинга смещений сооружений.- insufficient accuracy of monitoring the displacement of structures.

Система спутникового мониторинга смещений инженерных сооружений с использованием систем ГЛОНАСС/GPS предназначена для определения пространственных смещений с целью заблаговременного предупреждения о тенденциях изменений геометрических параметров сооружения в сторону критической ситуации.The satellite-based displacement monitoring system for engineering structures using the GLONASS / GPS systems is designed to determine spatial displacements in order to warn in advance about trends in the geometric parameters of the structure towards a critical situation.

Техническим результатом заявленного изобретения является:The technical result of the claimed invention is:

- повышение точности и эффективности мониторинга смещений сооружений;- improving the accuracy and efficiency of monitoring the displacement of structures;

- расширение функциональных возможностей объектового центра мониторинга, осуществляющего:- expanding the functionality of the facility monitoring center, carrying out:

1. Определение спектральных характеристик колебаний элементов конструкции;1. Determination of the spectral characteristics of vibrations of structural elements;

2. Создание реальной модели поведения объекта;2. Creating a real model of object behavior;

Технический результат достигается применением глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) ГЛОНАСС/GPS, повышающей эффективность мониторинга смещений зданий и сооружений за счет непрерывности и точности измерений, их более высокой автоматизации.The technical result is achieved by using the global navigation satellite system (GNSS) GLONASS / GPS, which increases the efficiency of monitoring the displacement of buildings and structures due to the continuity and accuracy of measurements, their higher automation.

Использование систем ГЛОНАСС/GPS позволяет обеспечить автоматизированную диагностику состояния объекта, включая сбор, обработку информации по всем контролируемым параметрам в едином объектовом центре в режиме реального времени, и оперативное предоставление достоверных данных мониторинга аварийным и инженерным службам.Using GLONASS / GPS systems allows for automated diagnostics of the state of the facility, including the collection, processing of information on all controlled parameters in a single facility center in real time, and the timely provision of reliable monitoring data to emergency and engineering services.

Для расширения функциональных возможностей объектового центра мониторинга используется программное обеспечение, обеспечивающее:To expand the functionality of the facility monitoring center software is used that provides:

- обработку и интерпретацию данных, выявление аномалий, получение интегральных оценок и моделей нештатных ситуаций в отношении инженерного сооружения (объекта) с использованием 3D-моделирования, космических и аэроснимков;- processing and interpreting data, identifying anomalies, obtaining integrated estimates and contingency models for the engineering structure (facility) using 3D modeling, space and aerial photographs;

- ведение информационных баз данных для обеспечения поддержки принятия и реализации управленческих решений по защите объектов (накопление и архивацию данных);- maintaining information databases to provide support for the adoption and implementation of management decisions on the protection of facilities (data storage and archiving);

- подготовку и использование моделей развития ситуаций по состоянию полученных оперативных данных;- preparation and use of situation development models based on the state of operational data;

- прогнозирование угроз объектам, динамики изменения состояния их защищенности под влиянием техногенных и природных факторов;- forecasting threats to objects, the dynamics of changes in the state of their protection under the influence of technogenic and natural factors;

- подготовку вариантов для принятия управленческих решений руководству (должностным лицам) эксплуатирующей организации в случае возникновения угрозы и факта критической (чрезвычайной) ситуации на объекте, а также оперативное информационное взаимодействия с ГУ МЧС России, Центром космических услуг (ЦКУ).- preparation of options for making management decisions to the management (officials) of the operating organization in the event of a threat and the fact of a critical (emergency) situation at the facility, as well as operational information interaction with the Main Directorate of the Ministry of Emergencies of Russia, the Space Services Center (CSC).

Для комплексного решения задач в объектовом центре мониторинга ИС предусматривается создание баз данных (БД) объектового центра мониторинга, включающих:For a comprehensive solution of tasks in the IP monitoring center, it is planned to create databases (DB) of the monitoring object center, including:

- программные модули модели развития ситуаций вблизи объекта: пожар, наводнение, разлив аварийных химически опасных веществ (АХОВ);- software modules for the development of situations near the facility: fire, flood, spill of emergency chemically hazardous substances (AHOV);

- программный модуль прилегающих участков дорог с их параметрами (характеристиками);- software module of adjacent sections of roads with their parameters (characteristics);

- программный модуль основных характеристик здания, сооружения (оборудование, технологические системы);- software module of the main characteristics of the building, structure (equipment, technological systems);

- программный модуль банка данных космо- и/или аэроснимков.- the software module of the databank of space and / or aerial photographs.

Комплекс специального программного обеспечения ОЦМ ИС состоит из ряда модулей:The special software complex of the OTsM IP consists of a number of modules:

- программный модуль ведения параметров прилегающих участков дорог с их параметрами (характеристиками);- a software module for maintaining parameters of adjacent sections of roads with their parameters (characteristics);

- программный модуль ведения основных характеристик инженерного сооружения ВСК (зданий, сооружений, оборудования, включая важные узлы и агрегаты, технологических систем и др.);- a software module for maintaining the basic characteristics of the VSK engineering structure (buildings, structures, equipment, including important components and assemblies, technological systems, etc.);

- программный модуль ведения банка данных космо- и/или аэроснимков;- a software module for maintaining a databank of space and / or aerial photographs;

- программные модули построения модели развития ситуаций вблизи объекта: пожар, наводнение, разлив аварийных химически опасных веществ (АХОВ);- software modules for constructing a model for the development of situations near the facility: fire, flood, spill of emergency chemically hazardous substances (AHOV);

- программа создания 3D-модели объекта и прилегающей территории;- A program for creating a 3D model of an object and surrounding area;

- специальное программное обеспечение «Автоматизированная система поддержки принятия решений должностного лица на основе динамики мониторинговых показателей ДПА» (АСППР);- special software “Automated decision-making support system for an official based on the dynamics of monitoring indicators of the DPA” (ASPR);

- программа ведения паспорта объекта.- The program of maintaining the passport of the object.

Технический результат достигается тем, что система содержит: аппаратно-програмный комплекс датчиковой и преобразующей аппаратуры, включающий: двухчастотные приемники ГЛОНАСС/GPS, датчики наклона, метеостанцию с датчиками температуры, относительной влажности, давления, силы и направления скорости ветра, осадков, солнечной радиации, каналообразующие средства связи и общую шину информационного обмена; базовых станций с приемниками ГЛОНАСС/GPS и каналообразующими средствами связи; объектового центра мониторинга, включающего: автоматизированные рабочие места оператора с ПЭВМ на базе процессора, каналообразующие средства связи; при этом выходы двухчастотных приемников ГЛОНАСС/GPS аппаратно-программного комплекса датчиковой и преобразующей аппаратуры, датчиков наклона, метеостанции соединены с первым, вторым и третьим входами общей шины информационного обмена соответственно, выход общей шины информационного обмена соединен через каналообразующие средства связи аппаратно-програмного комплекса датчиковой и преобразующей аппаратуры по каналам связи с каналообразующими средствами связи объектового центра мониторинга, приемник ГЛОНАСС/GPS базовой станции через каналообразующие средства связи базовой станции соединен по каналам связи с каналообразующими средствами связи объектового центра мониторинга, каналообразующие средства связи объектового центра мониторинга соединены с автоматизированными рабочими местами оператора с ПЭВМ на базе процессора, при этом процессор ПЭВМ автоматизированного рабочего места оператора объектового центра мониторинга выполнен с возможностью:The technical result is achieved by the fact that the system comprises: a hardware-software complex of sensor and conversion equipment, including: GLONASS / GPS dual-frequency receivers, tilt sensors, a weather station with sensors of temperature, relative humidity, pressure, strength and direction of wind speed, precipitation, solar radiation, channel-forming communications and a common bus information exchange; base stations with GLONASS / GPS receivers and channel-forming communications equipment; an object monitoring center, including: automated workstations of the operator with a processor-based PC, channel-forming communication facilities; the outputs of the two-frequency GLONASS / GPS receivers of the hardware-software complex of sensor and conversion equipment, tilt sensors, weather stations are connected to the first, second and third inputs of the common data exchange bus, respectively, the output of the common data exchange bus is connected via channel-forming means of communication of the sensor hardware-software complex and converting equipment via communication channels with channel-forming communication facilities of the monitoring object center, GLONASS / GPS receiver of the base station through channel-forming communication facilities of the base station are connected via communication channels to channel-forming communication facilities of the monitoring object center, channel-forming communication facilities of the monitoring object center are connected to the operator’s workstations with a PC based on the processor, while the PC processor of the automated workstation of the operator of the monitoring object center is configured to:

- сбора, математической обработки и архивирования поступающей информации от базовых станций и датчиковой преобразующей аппаратуры;- collection, mathematical processing and archiving of incoming information from base stations and sensor converting equipment;

- вычисления динамических параметров состояния объекта;- calculation of the dynamic parameters of the state of the object;

- определения спектральных характеристик колебаний элементов конструкции объекта;- determination of the spectral characteristics of the vibrations of the structural elements of the object;

- создания реальной модели поведения объекта;- creating a real model of object behavior;

- прогнозирования состояния объекта в течение его жизненного цикла;- predicting the state of the object during its life cycle;

- ведения автоматизированной базы данных по сооружению, включая первичные измерения и результаты обработки, а также аналитическую информацию по инженерному сооружению;- maintaining an automated database of the structure, including primary measurements and processing results, as well as analytical information on the engineering structure;

- непрерывного контроля состояния элементов конструкций инженерного сооружения оператором объектового центра мониторинга;- continuous monitoring of the state of structural elements of the engineering structure by the operator of the monitoring facility;

- подготовки отчетов в автоматизированном режиме;- preparation of reports in an automated mode;

- вывода на экран оператора сообщения о наличии превышения критических значений параметров;- display on the operator’s screen messages about the presence of excess of critical parameter values;

- передачи сообщений в вышестоящие организации по стандартным протоколам информационного обмена;- transmission of messages to higher organizations according to standard information exchange protocols;

- занесения в базу данных факторов, приводящих к возникновению критических ситуаций.- entry into the database of factors leading to critical situations.

В качестве каналообразующих средств связи используются GSM/GPRS модемы и/или UHF радиомодемы.As channel-forming communication means, GSM / GPRS modems and / or UHF radio modems are used.

В системе спутникового мониторинга ИС с использованием систем ГЛОНАСС/GPS используются современные двухчастотные ГЛОНАСС/GPS-двухчастотные приемники геодезического класса точности, например Leica GMX902 GG.The satellite IP monitoring system using GLONASS / GPS systems uses modern dual-frequency GLONASS / GPS dual-frequency receivers of geodetic accuracy class, for example, Leica GMX902 GG.

Кроме обеспечения конкретного целевого использования программных продуктов Spider и GeoMoS, новизна заявленного технического решения заключается в разработке и применении вышеперечисленного СПО.In addition to ensuring the specific intended use of Spider and GeoMoS software products, the novelty of the claimed technical solution lies in the development and application of the above open source software.

Расширение функций ОЦМ предоставляет комплексное решение, обеспечивая мониторинг состояния ИС не только на коротких интервалах времени, но и на длительных интервалах (в период всего жизненного цикла сооружения), ведение ситуационного плана с нанесенными на него зонами последствий от возможных чрезвычайных ситуаций на объекте, формирование базы данных по состоянию самого объекта мониторинга, состоянию прилегающей территории (на случай ликвидации чрезвычайных ситуаций).Expanding the functions of the JCM provides a comprehensive solution, providing monitoring of the state of the IP not only at short intervals, but also at long intervals (during the entire life cycle of the structure), maintaining a situational plan with the zones of consequences from possible emergencies at the facility, and forming a base data on the state of the monitoring object itself, the state of the adjacent territory (in case of emergency response).

При этом объектовый центр мониторинга (ОЦМ) ИС предназначен для решения оперативных и долгосрочных задач.At the same time, the IP monitoring object center (JMC) is designed to solve operational and long-term tasks.

К оперативным задачам относятся:Operational tasks include:

- сбор, математическая обработка и архивирование поступающей информации от базовых станций и датчиковой преобразующей аппаратуры (ДПА);- collection, mathematical processing and archiving of incoming information from base stations and sensor converting equipment (DPA);

- вычисление динамических параметров состояния объекта;- calculation of the dynamic parameters of the state of the object;

- подготовка отчетов должностным лицам, отвечающим за безопасное состояние объекта.- preparation of reports to officials responsible for the safe condition of the facility.

К долгосрочным задачам относятся:Long-term goals include:

- определение спектральных характеристик колебаний элементов конструкции объекта;- determination of spectral characteristics of vibrations of structural elements of the object;

- создание реальной модели поведения объекта;- creating a real model of the object’s behavior;

- прогнозирование состояния объекта в течение его жизненного цикла.- prediction of the state of the object during its life cycle.

ОЦМ выполняет следующие функции:OTSM performs the following functions:

- сбор в режиме реального времени измерительной информации базовых станций и ДПА;- Real-time collection of measurement information of base stations and ADP;

- математическую обработку измерительной информации базовых станций и ДПА с получением динамических параметров состояния объекта (смещений контрольных точек по трем координатам, наклонов несущих конструкций);- mathematical processing of measurement information of base stations and DAP with obtaining dynamic parameters of the state of the object (displacements of control points in three coordinates, the slopes of the supporting structures);

- анализ состояния объекта с выявлением критических состояний элементов конструкций сооружения;- analysis of the state of the object with the identification of critical states of structural elements of the structure;

- ведение автоматизированной базы данных по сооружению, включая первичные измерения и результаты обработки, а также аналитическую информацию по инженерному сооружению;- maintaining an automated database of the structure, including primary measurements and processing results, as well as analytical information on the engineering structure;

- непрерывный контроль состояния элементов конструкций инженерного сооружения оператором ОЦМ;- continuous monitoring of the state of structural elements of the engineering structure by the operator of the JCM;

- подготовку отчетов (ежесуточных, ежемесячных, квартальных, по факту критической ситуации и др.) в автоматизированном режиме;- preparation of reports (daily, monthly, quarterly, on the fact of a critical situation, etc.) in an automated mode;

- вывод на экран оператора сообщения о наличии превышения критических значений параметров, имеющих место в одном или нескольких контролируемых элементах конструкций сооружения, и передачу сообщений в вышестоящие организации по стандартным протоколам информационного обмена;- display on the operator’s screen messages about the presence of excess of critical values of the parameters that occur in one or more of the controlled structural elements of the structure, and the transmission of messages to higher organizations using standard information exchange protocols;

- занесение в базу данных факторов, приводящих к возникновению критических ситуаций.- entry into the database of factors leading to critical situations.

Для решения задач и выполнения функций ОЦМ оснащен необходимыми аппаратно-программными средствами.To solve problems and perform functions, the JCM is equipped with the necessary hardware and software.

АРМ оператора ОЦМ ИС предназначено для математической обработки измерительной информации базовых станций и ДПА, вычисления динамических параметров состояния объекта, формирования сообщений и текущих отчетов должностным лицам, отвечающим за состояние объекта, решения долгосрочных задач (вычисления спектральных характеристик состояния конструкции, разработки реальных моделей текущего и прогнозируемого состояния объекта для сбора и архивирования измерительной информации с базовых станций и ДПА, связи ОЦМ с базовыми станциями и ДПА).The workstation of the operator of the OTsM IS is intended for the mathematical processing of measurement information of base stations and DAP, the calculation of the dynamic parameters of the state of the object, the formation of messages and current reports to officials responsible for the state of the object, the solution of long-term tasks (calculation of the spectral characteristics of the state of the structure, the development of real models of the current and predicted the state of the facility for collecting and archiving measurement information from base stations and DPA, communication of the JCM with base stations and DPA).

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежом, где показана структурная схема системы спутникового мониторинга смещений инженерных сооружений с использованием систем ГЛОНАСС/GPS, где:The features and essence of the claimed invention are explained in the following detailed description, illustrated by the drawing, which shows a structural diagram of a satellite monitoring system for displacement of engineering structures using GLONASS / GPS systems, where:

1 - аппаратно-программный комплекс датчиковой и преобразующей аппаратуры, включающий:1 - hardware-software complex of sensor and converting equipment, including:

2 - двухчастотные приемники ГЛОНАСС/GPS;2 - dual-frequency receivers GLONASS / GPS;

3 - датчики наклона;3 - tilt sensors;

4 - метеостанция с датчиками температуры, относительной влажности, давления, датчиками силы и направления скорости ветра, датчиками осадков, датчиками солнечной радиации;4 - weather station with sensors of temperature, relative humidity, pressure, sensors of force and direction of wind speed, sensors of precipitation, sensors of solar radiation;

5 - каналообразующие средства связи;5 - channel-forming means of communication;

6 - общая шина информационного обмена;6 - common bus information exchange;

7 - базовая станция, включающая:7 - base station, including:

8 - приемник ГЛОНАСС/GPS,8 - GLONASS / GPS receiver,

9 - каналообразующие средства связи,9 - channel-forming means of communication,

10 - объектовый центр мониторинга,10 - object monitoring center,

11 - автоматизированные рабочие места оператора с ПЭВМ на базе процессора;11 - operator’s workstations with a processor-based PC;

12 - каналообразующие средства связи.12 - channel-forming communications.

Принцип работы заявленной системы спутникового мониторинга инженерных сооружений с использованием систем ГЛОНАСС/GPS заключается в следующем: аппаратно-программный комплекс датчиковой и преобразующей аппаратуры устанавливается непосредственно на объекте наблюдения, количество и расположение двухчастотных приемников ГЛОНАСС/GPS, датчиков наклона, метеостанций определяется для каждого объекта исходя из особенностей инженерной конструкции, аппаратно-программный комплект датчико-преобразующей аппаратуры служит для приема спутниковых сигналов ГНСС ГЛОНАСС/GPS, усиления и первичной обработки с целью выделения полезной навигационной информации и преобразования в цифровой вид и передает спутниковую информацию по каналообразующей аппаратуре на АРМ оператора с ПЭВМ на базе процессора объектового центра мониторинга инженерного сооружения для дальнейшего получения координат контролируемых точек мониторинга и определения их пространственных смещений.The principle of operation of the claimed system of satellite monitoring of engineering structures using GLONASS / GPS systems is as follows: the hardware-software complex of sensor and converting equipment is installed directly at the monitoring object, the number and location of two-frequency GLONASS / GPS receivers, tilt sensors, weather stations is determined for each object based on of the features of the engineering design, the hardware-software set of the sensor-converting equipment is used to receive satellites GNSS GLONASS / GPS signals, amplification and primary processing for the purpose of extracting useful navigation information and converting it to digital form and transmits satellite information via channel-forming equipment to the operator’s workstation with a personal computer based on the processor of the object center for monitoring the engineering structure to further obtain the coordinates of controlled monitoring points and determine their spatial displacements.

Базовая станция устанавливается на удалении и неподвижно относительно объекта мониторинга и служит опорной точкой, относительно которой вычисляются смещения наблюдаемого объекта.The base station is installed remotely and motionless relative to the monitoring object and serves as a reference point, relative to which the displacements of the observed object are calculated.

Измерительная информация с приемников ГЛОНАСС/GPS базовых станций в виде фазовых измерений на частотах L1 и L2, приемников ГЛОНАСС/GPS аппаратно-программного комплекса датчиковой и преобразующей аппаратуры в виде фазовых измерений на частотах L1 и L2, датчиков наклона и метеостанции в режиме реального времени через каналообразующие средства связи по каналам связи по протоколу TCP/IP поступает в ОЦМ, где проходит первичная обработка и архивация информации. Практически одновременно осуществляется вычисление текущих параметров состояния объекта (смещений контрольных точек, установленных на объекте мониторинга, наклонов несущих опор), а также отчетов о состоянии объекта. При обнаружении деформаций формируется и немедленно отправляются соответствующие сообщения должностным лицам о нештатной (предкритической) или критической ситуации.Measuring information from GLONASS / GPS receivers of base stations in the form of phase measurements at L1 and L2 frequencies, GLONASS / GPS receivers in the hardware-software complex of sensor and conversion equipment in the form of phase measurements at L1 and L2 frequencies, tilt sensors and weather stations in real time through channel-forming means of communication via TCP / IP communication channels is sent to the JCM, where the primary processing and archiving of information takes place. Almost simultaneously, the current state of the object is calculated (the displacements of the control points installed on the monitoring object, the slopes of the bearing supports), as well as reports on the state of the object. When deformations are detected, appropriate messages are generated and immediately sent to officials about an emergency (precritical) or critical situation.

На основе обработки «сырых» данных, получаемых от АПК БС и АПК ДПА, в АРМ оператора с ПЭВМ на базе процессора с помощью СПО Leica GNSS Spider выполняется уравнивание данных для каждого комплекта базовой станции и ДПА, установленного на объекте мониторинга, и выгрузка их с заданной дискретностью в СУБД Ms SQL Server в формате NMEA, где размещены время получения измерительной информации, геодезические широта, долгота и высота, отнесенные к фазовому центру антенны ДПА, установленной на объекте мониторинга. Указанные координаты определены в геоцентрической системе координат WGS - 84.Based on the processing of the "raw" data received from the BS APK and the APA APC, the operator’s workstation with a processor-based PC using the Leica GNSS Spider software performs data equalization for each set of the base station and the DPA installed at the monitoring object and uploads it from the specified discreteness in the Ms SQL Server DBMS in NMEA format, where the time for obtaining measurement information, geodetic latitude, longitude, and height, relative to the phase center of the DAP antenna installed on the monitoring object, is located. The indicated coordinates are defined in the geocentric coordinate system WGS - 84.

Исходными форматом для загрузки в СПО АСППР является формат NMEA, из которого считываются эллипсоидальные координаты - геодезические широта и долгота В, L и геодезическая высота Н, а также время их определения.The initial format for uploading to the ASPR software is the NMEA format, from which the ellipsoidal coordinates are read - the geodetic latitude and longitude B, L and the geodetic height H, as well as the time of their determination.

Для организации процесса мониторинга производится длительный набор измерительной информации на интервале нескольких суток. По результатам измерений на АРМ оператора с ПЭВМ на базе процессора получают фиксированное уравненное решение относительно координат ДПА и данных с базовых станций с максимальной точностью. В этот период выполняется отбраковка измерений, имеющих критические весовые характеристики из-за геометрического фактора расположения КА ГНСС, а также измерений, полученных при неблагоприятных природных (сейсмическая активность) метеорологических (ветровые нагрузки) условиях и условиях высоких эксплуатационных нагрузок.To organize the monitoring process, a long set of measurement information is made over an interval of several days. According to the results of measurements on the operator’s workstation with a processor-based PC, a fixed, balanced solution is obtained with respect to the coordinates of the RPA and data from base stations with maximum accuracy. During this period, measurements are taken that have critical weight characteristics due to the geometrical factor of the GNSS spacecraft location, as well as measurements obtained under adverse natural (seismic activity) meteorological (wind loads) conditions and high operational load conditions.

Полученные таким образом координаты для каждого датчика ДПА (координаты, отнесенные к фазовому центру антенны ДПА, установленной на объекте мониторинга) фиксируются как константы для выполнения последующего анализа частотно-амплитудных характеристик объекта.The coordinates thus obtained for each DPA sensor (coordinates referred to the phase center of the DPA antenna installed on the monitoring object) are fixed as constants for subsequent analysis of the frequency-amplitude characteristics of the object.

В процессе навигационного мониторинга координаты фазового центра антенны ДПА определяются с дискретностью установленного режима мониторинга, который может составлять от 1 до 20 Гц.In the process of navigation monitoring, the coordinates of the phase center of the DPA antenna are determined with the discreteness of the established monitoring mode, which can be from 1 to 20 Hz.

Расчет смещений элементов конструкций инженерного сооружения и анализа амплитудных характеристик такого смещения выполняется в линейных величинах и для наглядности отображается в прямоугольной декартовой системе координат. Преобразования эллипсоидальных координат В, L и геодезической высоты Н в топоцентрические координаты X^T, Y^T, Z^T выполняются по известным формулам координатных преобразований последовательным перевычислением из системы эллипсоидальных координат В, L, Н в геоцентрическую систему и далее - в топоцентрическую систему координат.The calculation of the displacements of structural elements of the engineering structure and the analysis of the amplitude characteristics of such a displacement is performed in linear quantities and is displayed in a rectangular Cartesian coordinate system for clarity. The transformations of the ellipsoidal coordinates B, L and the geodesic height H to the topocentric coordinates X ^T , Y ^T , Z ^T are carried out according to the known coordinate transformation formulas by successive recalculation from the ellipsoidal coordinate system B, L, H to the geocentric system and then to the topocentric coordinate system.

Геоцентрические эллипсоидальные координаты «широта», «долгота» и «высота» - В, L и Н - связаны с геоцентрическими декартовыми координатами X^Г, Y^Г, Z^Г формулами:The geocentric ellipsoidal coordinates "latitude", "longitude" and "height" - B, L and H - are associated with the geocentric Cartesian coordinates X ^G , Y ^G , Z ^G formulas:

где N и М - радиусы кривизны сечения первого вертикала и меридианного эллипсаwhere N and M are the radii of curvature of the cross section of the first vertical and the meridian ellipse

где а и е - большая полуось и эксцентриситет общеземного эллипсоида.where a and e are the semimajor axis and the eccentricity of the Earth-wide ellipsoid.

Исходя из того, что файлы формата NMEA формируются относительно каждой базовой станции, для каждого синхронного измерения геоцентрические координаты ДПА уравнивают получением их средневесового значения на основе оценок, помещенных в NMEA, относительно каждой базовой станции по формулам:Based on the fact that NMEA format files are generated relative to each base station, for each synchronous measurement, the DPA geocentric coordinates are equalized by obtaining their weight average value based on estimates placed in NMEA relative to each base station using the formulas:

где Р1 и Р2 - веса, устанавливаемые в зависимости от удаления ДПА от базовых станций, а также средних квадратических ошибок (помещены в файлах формата NMEA), полученных по внутренней сходимости результатов измерений координат ДПА от каждой из двух базовых станций (программа должна обеспечивать расширение числа используемых базовых станций).where Р1 and Р2 are the weights established depending on the distance from the base stations and the mean square errors (placed in NMEA files) obtained from the internal convergence of the results of measurements of the coordinates between the base station and each of the two base stations (the program should provide an extension of the number used base stations).

Для общего случая формулы (1.3) будут иметь вид:For the general case, formulas (1.3) will have the form:

где n - число базовых станций.where n is the number of base stations.

Для формирования картины амплитудных характеристик объекта и на основе определяемых по формулам (1.4) координат вычисляются для каждого установленного режимом мониторинга измерения приращения (изменения) координат относительно ранее установленных их «базовых» значений по формулам:To form a picture of the amplitude characteristics of the object and on the basis of the coordinates determined by formulas (1.4), for each established by the monitoring mode measurements of the increment (change) of coordinates relative to the previously set their “base” values using the formulas:

где n=1, 2, … i порядковый номер текущих значений координат.where n = 1, 2, ... i is the serial number of the current coordinate values.

В свою очередь приращения (изменения) топоцентрических координатIn turn, increments (changes) of topocentric coordinates

(XYZ)^T связаны с изменениями геоцентрических координат (XYZ)^Г зависимостью:(XYZ) ^T are associated with changes in geocentric coordinates (XYZ) ^{Г by the} dependence:

Матрица поворота А имеет элементыThe rotation matrix A has elements

Таким образом, с помощью формул (1.6) получаем в линейной форме в топоцентрической системе текущие отклонения координат ДПА от их заранее установленных «базовых» значений в режиме реального времени с установленной дискретностью.Thus, using formulas (1.6), we obtain in linear form in a topocentric system the current deviations of the DAP coordinates from their pre-set “base” values in real time with a set discreteness.

Общий вектор отклонения амплитудных параметров мониторинга определяется по формуле:The total deviation vector of the amplitude monitoring parameters is determined by the formula:

Далее все полученные амплитудные характеристики, выявленные датчиками в режиме с установленной дискретностью интервала мониторинга, заносятся в отдельные файлы, создаваемые непрерывно в процессе мониторинга для каждого датчика.Further, all the obtained amplitude characteristics detected by the sensors in the mode with the set discreteness of the monitoring interval are recorded in separate files created continuously during the monitoring process for each sensor.

Если в период мониторинга на суточном интервале не было установлено отклонений от нормального функционирования системы, файл суточного мониторинга обновляется.If during the monitoring period on the daily interval no deviations from the normal functioning of the system were found, the daily monitoring file is updated.

При установлении события отклонения от нормального функционирования системы созданные за сутки файлы амплитудных характеристик архивируются в архивной папке «События».When an event of deviation from the normal functioning of the system is established, the files of amplitude characteristics created per day are archived in the “Events” archive folder.

Параллельно с формированием таблицы суточного файла данных, получаемых с установленной дискретностью режима мониторинга, формируется файл для суточного интервала мониторинга, разбитого на отрезки времени, равные одному часу по следующей методике:In parallel with the formation of a table of the daily data file obtained with the set discreteness of the monitoring mode, a file is generated for the daily monitoring interval, divided into time intervals equal to one hour according to the following method:

Все полученные на часовом интервале данные ΔX, ΔY, ΔZ усредняются для каждого спутникового датчика со своими весовыми коэффициентами по формулам:All data obtained at the hourly interval ΔX, ΔY, ΔZ are averaged for each satellite sensor with its weight coefficients according to the formulas:

где Р - весовые коэффициенты, полученные в знаменателе формулы (1.4).where P is the weight coefficients obtained in the denominator of formula (1.4).

Усредненные значения ΔXч, ΔYч, ΔZч отображаются на трех «суточных» графиках мониторинга - по координатным осям, принятым для каждого датчика топоцентрических систем координат.The averaged values ΔXh, ΔYh, ΔZh are displayed on three "daily" monitoring graphs - along the coordinate axes adopted for each sensor of topocentric coordinate systems.

Затем все полученные на суточном интервале данные ΔХ, ΔY, ΔZ, их графики и средневесовой вектор смещения, рассчитанный по формулам:Then all the data ΔX, ΔY, ΔZ obtained on the daily interval, their graphs and the average weighted displacement vector calculated by the formulas:

где P_(i=1…24) - весовые коэффициенты, полученные в знаменателе формулы (1.9),where P _{(i = 1 ... 24)} are the weights obtained in the denominator of formula (1.9),

по завершении очередных суток автоматически помещаются в файл «Отчет за сутки» по дате наблюдений. Файлы «суточных» отчетов, накопленные за период мониторинга, хранятся в папке «Архив» в директориях «Норма» - при нормальном режиме состояния и в директории «События» - при наличии отклонений от параметров нормального функционирования системы.at the end of the next day, they are automatically placed in the “Report for the day” file according to the date of observations. Files of daily reports accumulated during the monitoring period are stored in the Archive folder in the Norma directories, under normal state conditions, and in the Events directory, if there are deviations from the parameters of the normal functioning of the system.

Файл «Отчет за сутки» накапливается и формируется в реальном времени. Доступ к этому файлу на этапе его формирования осуществляется через основное меню входом в окно «Режим мониторинга» и далее - «Интервал» - «Сутки». По истечении суток сформированный файл перемещается (копируется) в папку «Отчет за сутки» и в папку «Архив». Далее он открывается вновь в папке «Интервал» - «Сутки» окна «Режим мониторинга» для нового набора информации амплитудных колебаний. В итоге при входе в окно основного меню «Отчет за сутки» открывается информация, накопленная за предшествующие сутки наблюдений.The file "Report for the day" is accumulated and generated in real time. Access to this file at the stage of its formation is carried out through the main menu by entering the “Monitoring mode” window and then “Interval” - “Day”. After a day, the generated file is moved (copied) to the “Report for the day” folder and to the “Archive” folder. Then it opens again in the “Interval” - “Day” folder of the “Monitoring Mode” window for a new set of amplitude fluctuation information. As a result, upon entering the window of the main menu “Report for the day”, the information accumulated for the previous day of observation is opened.

При этом с помощью метеодатчика параллельно ведется мониторинг метеорологических условий навигационных измерений, набор метеорологической информации выполняется на суточном интервале и с установленной дискретностью отображается в файле отчета за сутки на графиках:At the same time, with the help of a weather sensor, the meteorological conditions of navigational measurements are monitored in parallel, a set of meteorological information is performed on a daily interval and is displayed in the daily report file on the graphs with the established discreteness:

- температурного режима;- temperature conditions;

- ветровых нагрузок;- wind loads;

- количества выпавших осадков;- amount of precipitation;

- уровня влажности;- humidity level;

- атмосферного давления.- atmospheric pressure.

Для указанных величин определяются их среднесуточные значения, затем они заносятся в таблицу.For these values, their average daily values are determined, then they are entered in the table.

При получении на установленном интервале наблюдений амплитудных характеристик, выходящих за рамки допустимых величин в соответствии с заранее установленным критерием нормального режима, но принятых для нормального закона распределения, и при условии непревышения допуска критерия, установленного для режима безопасных отклонений, система продолжает отслеживать указанный режим. На экране монитора АРМ оператора ОЦМ в состоянии любой конфигурации выводится окно с сообщением «Режим безопасных отклонений». Выход в такой режим не влечет за собой принятия кардинальных решений. Система автоматически архивирует информацию режима реального времени и по интернет-каналу пересылает ее в муниципальный навигационно-информационный центр (НИЦ) и соответствующие ГУ МЧС России.Upon receipt of amplitude characteristics at a specified observation interval that are outside the range of permissible values in accordance with a predetermined criterion of the normal mode, but accepted for the normal distribution law, and provided that the tolerance of the criterion established for the safe deviation mode does not exceed, the system continues to monitor this mode. A window with the message “Safe deviation mode” is displayed on the monitor screen of the operator’s AWS in the state of any configuration. Entering such a regime does not entail the adoption of cardinal decisions. The system automatically archives real-time information and sends it via the Internet channel to the municipal navigation and information center (SIC) and the corresponding GU EMERCOM of Russia.

При получении отклонений, превышающих величины, установленные для критерия режима безопасных отклонений, на экран монитора АРМ оператора ОЦМ выводится окно с сообщением «Режим повышенного внимания» и сопровождается звуковым сигналом. Отклонения, превышающие величины, установленные для критерия нормального режима и режима безопасных отклонений, могут возникать, как это было отмечено выше, в случаях повышенной сейсмоактивности (до шести баллов), сильных ветровых нагрузок (более 25 метров в секунду), смещений и подвижек фундамента объекта из-за действий грунтовых вод, резонансных явлений при интенсивной эксплуатации сооружения. При этом система автоматически архивирует информацию режима реального времени и по интернет-каналу пересылает ее в муниципальный НИЦ, где в оперативном режиме выполняется анализ нештатной ситуации.Upon receipt of deviations exceeding the values established for the criterion of the safe deviation mode, a window with the message "Attention mode" is displayed on the monitor screen of the operator's workstation of the OTsM and is accompanied by a sound signal. Deviations exceeding the values established for the criterion of normal mode and safe deviation mode can occur, as noted above, in cases of increased seismic activity (up to six points), strong wind loads (more than 25 meters per second), displacements and movements of the foundation of the object due to the action of groundwater, resonance phenomena during intensive operation of the structure. At the same time, the system automatically archives real-time information and sends it via the Internet channel to the municipal research center, where an emergency analysis is performed online.

В случае такого рода события СПО АСППР выводит на экран инструкцию, определяющую действия дежурного оператора АРМ ОЦМ. В ней указывается:In the event of such a type of event, the software control system of automated data processing and control systems displays on-screen instructions defining the actions of the duty operator of the AWS OTSM. It indicates:

- доклад по телефону о наличии ситуации лицам, принимающим управленческие решения;- a report by phone on the existence of a situation to persons making managerial decisions;

- доклад по телефону о наличии ситуации в НИЦ;- report by phone about the situation in the SIC;

- контроль доведения отчетных данных и данных мониторинга режима реального времени в НИЦ по интернет-каналу;- control of reporting data and real-time monitoring data to the SIC via the Internet channel;

- занесение в рабочий журнал времени начала «события» числа датчиков, фиксирующих отклонение, метеопараметров, условий эксплуатации.- entry in the working log of the time of the beginning of the “event” of the number of sensors that record the deviation, meteorological parameters, and operating conditions.

В случае, когда система фиксирует отклонения, превышающие величины, установленные для критерия режима повышенного внимания, на экран монитора АРМ оператора выводится окно с сообщением «Аварийный режим» и сопровождается специальным звуковым сигналом. Автоматически информация об аварийном режиме доводится по всем возможным каналам связи до лиц, принимающих управленческие решения. Анализ ситуации выполняется, как и при режиме повышенного внимания. Кроме того, для должностных лиц доводится команда о необходимости эвакуации людей из здания.In the case when the system detects deviations exceeding the values established for the criterion for the mode of increased attention, a window with the message "Emergency mode" is displayed on the operator's workstation monitor screen and is accompanied by a special sound signal. Automatically information about the emergency mode is communicated through all possible communication channels to those who make management decisions. An analysis of the situation is carried out, as in the mode of increased attention. In addition, a team is informed for officials about the need to evacuate people from the building.

В случае выбора кнопки основного меню, обозначенной как «Архив», осуществляется доступ к архивным данным мониторинга. В случае выбора кнопки основного меню, обозначенной как «3D-модель», на панели монитора развертывается окно с изображением трехмерной модели объекта мониторинга и мест установки на нем спутниковых датчиков. Средствами отображений на модели объекта показываются векторы смещений элементов конструкций, где установлены спутниковые датчики.If you select the button of the main menu, designated as “Archive”, the archived monitoring data is accessed. If you select the main menu button, designated as a “3D model”, a window with a three-dimensional model of the monitoring object and the installation sites for satellite sensors on it will expand on the monitor panel. By means of displays on the model of an object, the displacement vectors of structural elements where satellite sensors are installed are shown.

В случае выбора кнопки основного меню, обозначенной как «Отчет», на панели монитора развертывается окно с отображением информации, полученной за период мониторинга, сообщением о состоянии функционирования системы, сообщением о нештатных ситуациях.If you select the main menu button, designated as "Report", a window is displayed on the monitor panel with the information received during the monitoring period, a message on the status of the system, and an emergency message.

В случае выбора кнопки основного меню, обозначенной как «Инструкция», оператор может просматривать всю информацию по объектам, хранящуюся в базе данных.If you select the main menu button, designated as “Instruction”, the operator can view all the information on objects stored in the database.

Экспериментальным путем выявлено, что по графикам изменения трех векторов в интервале 55 месяцев выявлены тренд и периодика координат во времени. Периодическая часть имеет в основном сезонный характер с годовым и полугодовым периодами. Тренд же может быть отнесен к движению блоков земной коры. Он на интервале 55 месяцев вычисляется достаточно надежно со ср. кв. ошибкой одной координаты в текущий момент времени менее 1 мм.It was experimentally found that, according to the graphs of three vectors in the interval of 55 months, a trend and a period of coordinates in time were revealed. The periodic part is mainly seasonal in nature with annual and semi-annual periods. The trend can be attributed to the movement of blocks of the earth's crust. It is calculated on the interval of 55 months quite reliably with cf. sq. the error of one coordinate at the current time is less than 1 mm.

Результаты экспериментов подтверждают достижение технического результата в виде повышения точности и эффективности мониторинга смещений инженерных сооружений.The experimental results confirm the achievement of a technical result in the form of improving the accuracy and efficiency of monitoring the displacement of engineering structures.

При этом в качестве спутниковых приемников используются геодезические приемники, а именно 2-частотные ГЛОНАСС/GPS-двухчастотные Leica GMX902 GG.At the same time, geodetic receivers are used as satellite receivers, namely 2-frequency GLONASS / GPS-dual-frequency Leica GMX902 GG.

Спутниковый ГНСС-приемник, например типа Leica GMX902 GG, подключается к источнику электропитания и может работать в непрерывном режиме. С помощью интерфейсного кабеля, входящего в комплект, приемник GMX902 подключается к устройству связи каналообразующей аппаратуры или непосредственно к компьютеру, в памяти которого и записывается принимаемая измерительная информация для дальнейшей обработки, число каналов для приема сигналов ГНСС у каждого приемника - 72.A GNSS satellite receiver, such as the Leica GMX902 GG, is connected to a power source and can operate continuously. Using the interface cable included in the kit, the GMX902 receiver is connected to a communication device of channel-forming equipment or directly to a computer, in the memory of which the received measurement information for further processing is recorded, the number of channels for receiving GNSS signals at each receiver is 72.

В качестве датчика наклона может использоваться высокоточный датчик наклона, например Leica Nivel 210, работающий на принципах оптоэлектроники, измеряющий величину угла наклона по двум осям и температуру в месте установки.As a tilt sensor, a high-precision tilt sensor can be used, for example, the Leica Nivel 210, operating on the principles of optoelectronics, measuring the value of the tilt angle along two axes and the temperature at the installation site.

В качестве каналообразующих средств связи можно использовать GSM/GPRS модемы, UHF радиомодемы.As channel-forming communications, you can use GSM / GPRS modems, UHF radio modems.

В качестве каналообразующих средств связи может использоваться конвертер, например МОХА N-Port IA 5220, который будет передавать измерительную информацию на объектовый центр мониторинга (ОЦМ).A converter, for example, MOXA N-Port IA 5220, which will transmit measurement information to an object monitoring center (OCM), can be used as channel-forming communication means.

Каналы связи должны обеспечивать сбор измерительной информации от базовых станций и ДПА в непрерывном (телеметрическом) режиме. Данная информация принимается в объектовом центре мониторинга (ОЦМ), архивируется и используется для анализа как в режиме реального времени, так и в режиме постобработки.Communication channels should provide the collection of measurement information from base stations and DPA in a continuous (telemetric) mode. This information is received at the object monitoring center (OCM), archived and used for analysis both in real time and in post-processing mode.

Для организации связи межу элементами системы могут использоваться различные типы коммуникаций:To organize communication between system elements, various types of communications can be used:

- проводные (оптоволокно, витая пара);- wired (fiber optic, twisted pair);

- беспроводные (Wi-Fi, GSM/GPRS, UHF радиомодемы).- wireless (Wi-Fi, GSM / GPRS, UHF radio modems).

Конструктивно базовая станция представляет собой приемник, например Leica GMX902 GG в пыле- и влагозащищенном корпусе, который с помощью кабеля соединяется со спутниковой антенной Leica AX1203+. Предусмотрены следующие режимы измерений: статика, кинематика, кинематика в реальном масштабе времени (RTK) и дифференциальный кодовый режим (DGPS).Structurally, the base station is a receiver, for example, the Leica GMX902 GG in a dustproof and waterproof housing, which is connected via cable to the Leica AX1203 + satellite antenna. The following measurement modes are available: statics, kinematics, real-time kinematics (RTK), and differential code mode (DGPS).

Во встроенном программном обеспечении реализуется GNSS- и RTK-технология SmartTrack+, которая обеспечивает надежный захват спутниковых сигналов ГЛОНАСС и GPS за считанные секунды даже в городских условиях, при ограниченной видимости на спутники. Технология измерений в режиме реального масштаба времени позволяет обрабатывать одновременно GPS и ГЛОНАСС данные для получения результатов в режиме RTK с сантиметровой точностью, частотой 20 Гц, на расстоянии от базовой станции 30 км и более. Инициализация выполняется за несколько секунд.The embedded software implements the GNSS and RTK technology SmartTrack +, which provides reliable capture of GLONASS and GPS satellite signals in seconds even in urban conditions, with limited visibility to satellites. The real-time measurement technology allows you to simultaneously process GPS and GLONASS data to obtain results in RTK mode with centimeter accuracy, a frequency of 20 Hz, at a distance from the base station of 30 km or more. Initialization takes a few seconds.

При этом метеостанция выполняется в виде крестообразной рамы, на которой установлены метеорологические датчики (комбинированный датчик температуры, относительной влажности, давления; комбинированный датчик силы и направления скорости ветра; датчик осадков; датчик солнечной радиации). Станция укреплена на мачте и оснащена антенной для передачи информации. Мачта устанавливается на специальной крестообразной станине, которая легко собирается и разбирается в полевых условиях. Для обеспечения дополнительной устойчивости мачту закрепляют четырьмя растяжками. Кабели прокладываются в герметичных каналах, изготовленных из алюминиевых сплавов, обеспечивающих изоляцию от внешней среды, а также защиту от диких зверей и грызунов.In this case, the weather station is made in the form of a cross-shaped frame on which meteorological sensors are installed (combined sensor of temperature, relative humidity, pressure; combined sensor of force and direction of wind speed; precipitation sensor; solar radiation sensor). The station is mounted on a mast and equipped with an antenna for transmitting information. The mast is mounted on a special cross-shaped bed, which is easily assembled and disassembled in the field. To provide additional stability, the mast is fixed with four extensions. Cables are laid in hermetic channels made of aluminum alloys, providing isolation from the external environment, as well as protection from wild animals and rodents.

Использование каналов систем беспроводной связи позволяет эксплуатировать станцию без оперативного доступа человека к станции (в автоматическом режиме).Using the channels of wireless communication systems allows you to operate the station without human access to the station (in automatic mode).

В автономных автоматических метеорологических станциях использованы метеорологические датчики, обеспечивающие нормальную работу в широком температурном режиме (от минус 50°C до плюс 60°C). Метеорологические датчики располагаются внутри всепогодных прочных корпусов.Autonomous automatic meteorological stations used meteorological sensors to ensure normal operation in a wide temperature range (from minus 50 ° C to plus 60 ° C). Meteorological sensors are located inside weatherproof robust enclosures.

Комбинированный датчик температуры, относительной влажности, давления размещен в прочной жалюзийной будке с кольцевыми жалюзи. Жалюзийная будка защищает метеорологический датчик от атмосферных воздействий осадков, гололеда, ветра и солнечной радиации.The combined sensor of temperature, relative humidity, pressure is placed in a strong louvre booth with annular blinds. The louvre booth protects the meteorological sensor from the atmospheric effects of precipitation, ice, wind and solar radiation.

Датчик осадков работает как с подогревом (от минус 50°C до плюс 60°C), так и без подогрева (от 0°C до плюс 60°C).Precipitation sensor works both with heating (from minus 50 ° C to plus 60 ° C), and without heating (from 0 ° C to plus 60 ° C).

Одновременные измерения фазовых дальностей до спутников ГЛОНАСС/GPS базовыми станциями и приемниками ГЛОНАСС/GPS позволяют вычислить относительные положения антенн датчиков (относительно базовых станций). Изменения этих положений являются смещениями конструкций. Метеостанцией фиксируются параметры окружающей среды, предоставляя информацию для учета в спутниковых измерениях, и вычисления корреляционных связей между состоянием среды и изменениями параметров состояния конструкций, узлов и агрегатов ИС. Математическая обработка измерительной информации с вычислением динамических параметров состояния сооружения, анализом его состояния, выработка сигналов оповещения о недопустимых отклонениях состояния объекта, формирование отчетов для должностных лиц, отвечающих за состояние объекта, выполняются объектовым центром мониторинга (ОЦМ).Simultaneous measurements of phase distances to GLONASS / GPS satellites by base stations and GLONASS / GPS receivers allow the relative positions of sensor antennas (relative to base stations) to be calculated. Changes to these positions are structural offsets. The weather station fixes the environmental parameters, providing information for accounting in satellite measurements, and calculating the correlation between the state of the environment and changes in the state parameters of structures, nodes and units of IP. Mathematical processing of the measurement information with the calculation of the dynamic parameters of the state of the structure, analysis of its state, the generation of warning signals about unacceptable deviations of the state of the object, the generation of reports for officials responsible for the state of the object are carried out by the monitoring object center (JMC).

Спутниковые двухчастотные приемники базовых станций и АПК ДПА обеспечивают определение мгновенных смещений конструкции объекта с разрешением 1,5 см, а в режиме постобработки - менее 1 см. Накопление измерительной информации и вычисление динамических параметров объекта в автоматизированных базах данных на длительных временных интервалах (часы, сутки, месяцы, годы) позволяет решить несколько задач.Satellite dual-frequency receivers of base stations and APC DPA ensure the determination of instantaneous displacements of the object structure with a resolution of 1.5 cm, and in the post-processing mode - less than 1 cm. The accumulation of measurement information and the calculation of the dynamic parameters of the object in automated databases at long time intervals (hours, days , months, years) allows you to solve several problems.

Первая задача: определение спектральных характеристик колебаний элементов конструкции, узлов и агрегатов объекта.The first task: determination of the spectral characteristics of vibrations of structural elements, components and assemblies of the object.

Вторая задача: создание реальной модели поведения объекта в зависимости от режимов эксплуатации, погодных и климатических условий, других факторов.The second task: creating a real model of the object’s behavior depending on operating conditions, weather and climatic conditions, and other factors.

При этом аппаратно-программный комплекс датчиковой и преобразующей аппаратуры (АПК ДПА) может состоять из:In this case, the hardware-software complex of sensor and converting equipment (APC DPA) may consist of:

- датчиков, например Leica GMX 902 GG;- sensors, e.g. Leica GMX 902 GG;

- датчиков угла наклона, например Leica Nivel 210;- tilt sensors, for example Leica Nivel 210;

- модема-конвертера, например МОХА N-Port IA 5220;- a modem converter, for example MOXA N-Port IA 5220;

- крепления для антенны, например AX 1203+GNSS;- mounts for antenna, for example AX 1203 + GNSS;

- метеостанции;- weather stations;

- антенных, интерфейсных кабелей и кабелей электропитания.- antenna, interface cables and power cables.

Программные средства объектового центра мониторинга ИС (ОЦМ ИС) могут включать комплекс СПО ОЦМ ИС в составе, например:The software of the IP monitoring center (ISM IS) may include a complex of software for the ISM IS consisting of, for example:

- СПО Leica GNSS Spider Positioning;- Open source software Leica GNSS Spider Positioning;

- СПО Leica GeoMos;- open source software Leica GeoMos;

- СПО БД ОЦМ ИС;- SPO DB OTSM IS;

- СПО АСППР.- SPO ASPPR.

Специальное программное обеспечение Leica GNSS Spider Positioning, установленное на АРМ Системы, осуществляет связь со спутниковыми приемниками (как базовыми, так и мониторинговыми), выгружает файлы из внутренней памяти в базу данных автоматически через регулярные интервалы.Special Leica GNSS Spider Positioning software installed on the System AWS communicates with satellite receivers (both basic and monitoring), uploads files from internal memory to the database automatically at regular intervals.

СПО Leica GNSS Spider Positioning реализует технологию спутникового позиционирования в режимах реального времени и с постобработкой. Оно вычисляет координаты точек мониторинга с использованием технологий разрешения неоднозначности фазовых спутниковых измерений в реальном времени по данным, получаемым непрерывно с базовых станций и спутниковых датчиков на точках мониторинга.Open source software Leica GNSS Spider Positioning implements satellite-based positioning technology in real time and with post-processing. It calculates the coordinates of monitoring points using real-time phase-satellite measurement ambiguity resolution technologies from data obtained continuously from base stations and satellite sensors at monitoring points.

Прием измерительной информации и ее обработка от датчиков углов наклона производится СПО Leica GeoMos.The reception of measurement information and its processing from angle sensors is performed by the Leica GeoMos software.

Основными и принципиально важными функциями этого программного обеспечения является получение и сбор данных о происходящих на наблюдаемом объекте деформациях и анализ полученной информации. Помимо этого система в состоянии информировать пользователей о наличии недопустимых отклонений как относительно некоторой заданной величины, так и происходящих за какой-либо промежуток времени, т.е. недопустимо быстрых изменениях положения объекта.The main and fundamentally important functions of this software are obtaining and collecting data on deformations occurring at the observed object and analysis of the information received. In addition, the system is able to inform users about the presence of unacceptable deviations both with respect to a certain given value, and occurring over any period of time, i.e. unacceptably rapid changes in the position of the object.

Данные измерений программное обеспечение получает от набора датчиков. В качестве таких датчиков могут выступать различные геодезические и геотехнические приборы - моторизованные тахеометры, цифровые нивелиры, ГЛОНАСС/GPS-системы, лазерные дальномеры, инклинометры, датчики температуры и давления, уровня жидкости, влажности, экстензометры.The software receives measurement data from a set of sensors. Various geodetic and geotechnical instruments can serve as such sensors - motorized total stations, digital levels, GLONASS / GPS systems, laser range finders, inclinometers, temperature and pressure sensors, liquid level, humidity, extensometers.

Система дает возможность проводить мониторинг с использованием ГЛОНАСС/GPS-оборудования и традиционных измерительных датчиков. Также к системе могут подключаться метеосенсоры, которые ведут расчет и введение поправок в измерения температуры и давления.The system makes it possible to monitor using GLONASS / GPS equipment and traditional measuring sensors. Also, weather sensors can be connected to the system, which calculate and introduce corrections in temperature and pressure measurements.

Claims (1)

Система спутникового мониторинга смещений инженерных сооружений с использованием спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS, состоящая из: аппаратно-программного комплекса датчиковой и преобразующей аппаратуры, включающего: двухчастотные приемники ГЛОНАСС/GPS, датчики наклона, метеостанцию с датчиками температуры, относительной влажности, давления, силы и направления скорости ветра, осадков, солнечной радиации, каналообразующие средства связи и общую шину информационного обмена; базовых станций с приемниками ГЛОНАСС/GPS и каналообразующими средствами связи; объектового центра мониторинга, включающего: автоматизированные рабочие места оператора с ПЭВМ на базе процессора, каналообразующие средства связи; при этом выходы двухчастотных приемников ГЛОНАСС/GPS аппаратно-программного комплекса датчиковой и преобразующей аппаратуры, датчиков наклона, метеостанции соединены с первым, вторым и третьим входами общей шины информационного обмена соответственно, выход общей шины информационного обмена соединен через каналообразующие средства связи аппаратно-программного комплекса датчиковой и преобразующей аппаратуры по каналам связи с входом каналообразующих средств связи объектового центра мониторинга, приемник ГЛОНАСС/GPS базовой станции через каналообразующие средства связи базовой станции соединен по каналам связи с каналообразующими средствами связи объектового центра мониторинга, каналообразующие средства связи объектового центра мониторинга соединены с автоматизированными рабочими местами оператора с ПЭВМ на базе процессора. A satellite monitoring system for displacement of engineering structures using GLONASS / GPS satellite navigation systems, consisting of: a hardware-software complex of sensor and conversion equipment, including: GLONASS / GPS dual-frequency receivers, tilt sensors, weather station with sensors of temperature, relative humidity, pressure, force and directions of wind speed, precipitation, solar radiation, channel-forming communications and a common bus for information exchange; base stations with GLONASS / GPS receivers and channel-forming communications equipment; an object monitoring center, including: automated workstations of the operator with a processor-based PC, channel-forming communication facilities; the outputs of the two-frequency GLONASS / GPS receivers of the hardware-software complex of sensor and converting equipment, tilt sensors, weather stations are connected to the first, second and third inputs of the common data exchange bus, respectively, the output of the common data exchange bus is connected via channel-forming means of communication of the sensor hardware-software complex and converting equipment via communication channels with the input of channel-forming communication facilities of the monitoring object center, GLONASS / GPS receiver of the base station Res channelization communications base station is connected via communication channels with the channelization communications of object monitoring center channelization communications of object monitoring center connected to the workstations with operator PC with a processor.

Images