Инженерно-геодезические работы

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГЕОСИСТЕМ И ТЕХНОЛОГИЙ » (ФГБОУ ВО «СГУГиТ») Институт геодезии и менеджмента Кафедра инженерной геодезии и маркшейдерского дела КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по дисциплине «АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ» Новосибирск 2020 СОДЕРЖАНИЕ 1. ВВЕДЕНИЕ. 3 2. АВТОМАТИЗАЦИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ 5 2.1. Особенности современных геодезических технологий 5 2.2. Автоматизация полевых измерений 6 2.3. Автоматизированные средства измерений 10 2.4. Технология обработки геодезических измерений 16 3. ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ 21 3.1. Электронные тахеометры 21 3.2. Глобальные навигационные спутниковые системы 28 3.3. Приборы вертикального проектирования 36 4. ОРГАНИЗАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА 53 4.1. Особенности геодезического мониторинга высотных зданий и сооружений 53 4.2. Особенности геодезического мониторинга большепролетных зданий и сооружений 56 5. МЕТОДЫ И СПОСОБЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ИЗМЕРЕНИЙ ВЫСОТНЫХ И ПЛАНОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ В ПРОЦЕССЕ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА 61 5.1. Методы измерения высотных смещений 61 5.2. Высокоточное геометрическое нивелирование коротким визирным лучом 61 5.3. Расчет точности вертикальных смещений, определяемых тригонометрическим нивелированием 64 5.4. Способы измерения плановых смещений 66 5.5. Способ бокового нивелирования 66 5.6. Способы линейно-угловых измерений 69 5.7. Способы определения кренов 71 5.8. Способ наклонного проектирования 72 6. СОСТАВ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ВЫСОТНЫХ И БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ 78 6.1. Порядок проектирования, разработки и создания автоматизированных 6.2. 6.3. 6.4. 6.5. систем контроля (АСК) деформаций в процессе эксплуатации 78 Автоматизированные системы геодезического мониторинга высотных зданий и сооружений 80 Видеоизмерительная система измерения колебаний и плановых смещений верха сооружения 86 Стационарная автоматизированная система контроля деформаций на основе обратных отвесов 88 Автоматизированная система контроля деформаций большепролетных сооружений на основе моторизованных электронных тахеометров 93 1. ВВЕДЕНИЕ Инженерно-геодезические работы выполняются в соответствии с требованиями проектирования отдельных видов сооружений и вынесения их проекта в натуру. Так, при проектировании гидротехнических сооружений важнейшее значение имеет детальность и точность изображения рельефа местности. Поэтому при топографической съемке таких территорий принимают сечение рельефа горизонталями через 0,5—1 м независимо от масштаба плана. При съемке городов и населенных пунктов важную роль играют капитальные сооружения, которые являются опорными при разработке генеральных планов. Поэтому независимо от метода съемки координаты этих сооружений определяются аналитически. Так как инженерно-геодезические измерения обеспечивают геометрию возводимого сооружения, они должны быть редуцированы на поверхность относимости, совпадающую со средним уровнем строительной площадки или с наиболее ответственной плоскостью сооружения (а не па поверхность референц-эллипсоида). В инженерно-геодезических работах соблюдается принцип «от общего к частному». Однако требования к точности измерений здесь возрастают в обратном направлении по сравнению с общегеодезическими. Так как для сооружения наиболее важно сохранить взаимную технологическую связь элементов, а общее положение сооружения и его ориентировка могут быть определены с меньшей точностью, то детальная разбивка осей («частное») должна быть выполнена значительно точнее, чем вынос в натуру главных осей сооружения («общее») от пунктов геодезической основы. Геодезические разбивочные сети обычно стремятся строитьв виде правильных фигур с точной установкой (редуцированием) пунктов в проектное положение, применяя частную систему координат, в которой ось абсцисс была бы совмещена с главной осью сооружения. При этом в зависимости от типа сооружения требования к продольным и поперечным сдвигам в геодезических сетях могут быть различны. Например, в прямолинейных туннелях продольный сдвиг пунктов мало влияет на величину сбойки встречных выработок, и все расчеты точности наземного и подземного геодезического обоснований ведут по допустимому значению поперечного сдвига сетей. В мостовых сооружениях, наоборот, главное внимание уделяют обеспечению длины пролетов, т. е. продольному сдвигу пунктов. При построении инженерно-геодезических сетей весьма важную роль играет точность взаимного положения пунктов, от которых производится вынос проекта сооружения в натуру, и анализ влияния при разбивках ошибок исходных данных. При выполнении инженерно-геодезических работ расчет их точности производят с учетом действия ошибок по заданным направлениям. При уравнивании сетей могут возникнуть задачи определения с наибольшей надежностью только тех элементов сети, которые определяют точность разбивочных работ и др. Инженерно-геодезические работы для каждого вида измерений и типа сооружения имеют свои особенности, что требует от исполнителя глубокого знания теории построения, уравнивания и оценки точности геодезических построений, известного опыта в проведении изыскательских и разбивочных работ. 2. АВТОМАТИЗАЦИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ 2.1. Особенности современных геодезических технологий Современные технологии геодезических работ сформировались и развиваются на базе автоматизации всех процессов геодезического производства: полевых измерений и топографических съемок, математической обработки результатов измерений и составления планов и карт, создания баз данных геоинформационных систем (ГИС) и получения прикладной геодезической информации. Современный уровень автоматизации геодезических работ характеризуется широким распространением электронных тахеометров и спутниковых приемников, цифровых аэросъемочных комплексов, полевых портативных компьютеров, многофункциональных пакетов программного обеспечения. Разрабатываются новые типы электронных геодезических приборов. Так, появление лазерных безотражательных дальномеров обусловило разработку, серийные выпуски и применение в съемочных работах геодезических лазерных сканирующих систем, а при производстве высокоточных прикладных измерений — универсальных измерительных систем MON MOS. Процессы автоматизации геодезических работ стали непрерывными. Результаты измерений электронными приборами автоматически регистрируются, их файлы передаются на ПК, обрабатываются с использованием соответствующих программных комплексов и экспортируются в информационные системы, например, в ГИС, по ним формируются цифровые модели объектов, электронные топографические планы и карты. Переход с бумажных планов и карт на электронные полностью заменил традиционные в геодезии камеральные работы на автоматизированные технологии векторизации и цифрования топографических данных. На основе электронных планов формируются слои кадастровой, градостроительной и другой информации. Разработан мощный арсенал программных средств, который постоянно расширяется и модернизируется. Он обеспечивает автоматизацию всех видов камеральных работ. Многие приборостроительные компании в настоящее время выпускают геодезические системы,, включающие электронные геодезические приборы и универсальные пакеты программ, позволяющие оперативно проводить практически на любом объекте все виды геодезических работ в одной системе. Такие системы характеризуются унификацией автоматизированных средств измерений, обработки и формирования информационных баз данных. Однако основным импульсом к достижению современного состояния геодезических автоматизированных технологий стало повсеместное применение в нашей стране электронных тахеометров и геодезических спутниковых приемников, которым и посвящено данное пособие. Среди них наибольшее распространение в геодезических работах получила продукция Уральского оптико-механического завода (ФГУП ПО «УОМЗ»), компаний Trimble, Sokkia, Leica, Thales, Nikon, Pentax и других. Высокая точность, надежность, простота эксплуатации электронных геодезических средств способствуют дальнейшему быстрому развитию современных геодезических технологий. Практически все виды геодезических работ проводятся сейчас электронными приборами. С их появлением работа геодезиста перешла на уровень информационного обеспечения пространственными данными инженерной деятельности разных направлений: кадастра и оценки объектов недвижимости, изысканий, проектирования, строительства, эксплуатации застроенных территорий и других. При этом геодезические спутниковые приемники вытеснили традиционные методы (триангуляции, трилатерации, полигонометрии) построения, опорных геодезических, маркшейдерских и межевых сетей. Электронные тахеометры заменили собой традиционные средства линейных измерений, а также оптические теодолиты и нивелиры, обогатив при этом методы и технологии ведения полевых работ. 2.2. Автоматизация полевых измерений Для автоматизации геодезических полевых измерений и съемок применяются, в основном, следующие геодезические приборы:  спутниковые геодезические приемники систем ГЛОНАСС и GPS;  электронные тахеометры;  лазерные сканирующие системы;  цифровые аэрофотосъемочные комплексы;  электронные теодолиты;  лазерные дальномеры, в том числе безотражательные;  электронные (цифровые) нивелиры;  приборы поиска и съемки подземных коммуникаций. Спутниковые геодезические приемники предназначены для определения координат точек местности по принятым от навигационных спутников радионавигационным сообщениям. С их появлением полностью автоматизирован комплекс полевых геодезических работ при построении новых и сгущении существующих опорных геодезических сетей (ОГС). Электронные тахеометры применяются для сгущения ОГС, построения сетей съемочного обоснования, тахеометрической съемки, межевания земель, инвентаризации строений, а также в прикладных геодезических работах. Лазерные сканирующие системы автоматизировали процессы съемки больших массивов точек и используются для детального отображения сложных фасадов зданий, памятников архитектуры и археологии, положения строительных конструкций. Цифровые аэрофотосъемочные комплексы применяются для цифровой съемки местности с летательных аппаратов. При этом исключаются фотохимические процессы и использование фотоматериалов. Снимаемая информация регистрируется и через высокоскоростные интерфейсы переносится на автоматизированные рабочие места для последующей обработки и хранения. Возможны одновременные панхроматическая, многоспектральная съемки. На основе снятой информации в автоматизированных системах получают электронные топографические и тематические планы и карты различных территорий и объектов. В электронных теодолитах автоматизированы считывание с ГК и ВК и регистрация результатов угловых измерений. Применяются они взамен оптических теодолитов. В лазерных дальномерах автоматизированы линейные измерения. При этом на больших расстояниях используются системы отражателей, а на малых расстояниях измерения возможны в безотражательном режиме. Электронные (цифровые) нивелиры позволяют применять цифровые технологии при измерении превышений. Они автоматически считывают отсчеты со специальных реек, имеющих RAB-код, регистрируют их в памяти, проводят полевую обработку. Выпускаются высокоточные, точные и технические цифровые нивелиры, инварные, фиберглассовые, деревянные и алюминиевые кодовые рейки. Кроме того, широкое распространение в строительных и монтажных работах получили лазерные нивелиры, обеспечивающие построение видимыми лучами горизонтальных, вертикальных и наклонных плоскостей и направлений. Приборы поиска и съемки подземных коммуникаций позволяют обнаружить электромагнитное поле, которое задается специальным трассопоисковым генератором в трубопроводах, или имеющееся вокруг силовых кабелей. Комплект таких приборов включает генератор, антенну, приемник. Положение подземной трассы определяется достаточно точно и однозначно. На экране приемника отображаются глубина залегания и сила электромагнитного поля, идущего от коммуникации. Благодаря автоматизации геодезические полевые измерения электронными приборами проводятся за секунды и их доли. Так, в тахеометрах Sokkia применены технологии автоматизации линейных измерений RED-tech, системы датчиков угловых измерений и RAB-коды, обеспечивающие практически мгновенную (менее 0,5 с) выдачу результатов на дисплей. Даже с учетом времени на установку прибора, его центрирования, наведения на точку работа на станции выполняется в течение нескольких минут. Управление работой электронных приборов сведено до минимума операций. Они просты в эксплуатации, имеют функциональные и операционные клавиши, жидкокристаллические графические дисплеи, закрепительные и наводящие винты, аналогичные теодолиту. В тахеометрах измерения углов и расстояний осуществляется автоматически, а в геодезических спутниковых приемниках автоматически принимается радионавигационное сообщение. Управление приборами можно проводить дистанционно с внешней беспроводной клавиатуры, что позволяет вести качественные измерения в опасных и стесненных условиях. Геодезические электронные приборы имеют встроенное программное обеспечение, с использованием которого выполняется начальная обработка информации, полученной прибором при автоматическом считывании с лимбов, нивелирных реек, а также с радионавигационных сообщений от спутников. Кроме того, встроенное ПО позволяет быстро решать целый ряд задач непосредственно на станции в режиме реального времени. В результате традиционное назначение геодезических приборов существенно обогатилось новыми функциями и режимами работы. Результаты измерений регистрируются и записываются в рабочие файлы. Геодезические приборы имеют внутреннюю и внешнюю память, объем которой достаточен для проведения большего числа измерений (до 10000 точек и более). Полевой журнал встроен в прибор и стал электронным. Кроме памяти прибора может использоваться память контроллера. Контроллер является дополнительным к прибору электронным полевым журналом и портативным компьютером. Результаты измерений, записанные в файлы прибора или контроллера, передаются на компьютер для дальнейшей обработки. При наличии программного обеспечения автоматизация процессов геодезических измерений и обработки стала, как уже отмечалось, непрерывной. С электронными приборами измерения может проводить один оператор, особенно с применением безотражательных дальномеров и спутниковых геодезических приемников. Появилась возможность проведения точных дистанционных измерений на ранее недоступные и опасные участки объектов, ди- станционно выполнять обмеры строений, съемку пространственного положения конструкций, их деформаций. Непрерывный процесс автоматизации измерений и обработки исключает грубые ошибки, так как в приборах считывание с лимбов или реек проходит без участия оператора, а запись результатов измерений в память и передача файлов на ПК исключает ошибки ручной записи в журналы, набора данных с клавиатуры, вычислений. Кроме того, в электронных приборах автоматически учитывается ряд систематических поправок, повышающих точность самих результатов измерений. В последние годы появились новые электронные геодезические приборы — лазерные сканирующие системы, которые при съемках сложных объектов становятся наиболее перспективными. Они устанавливаются на штатив аналогично тахеометру или на летательных аппаратах аналогично фотокамере. Геодезические сканирующие системы применяют для точной съемки строений, архитектурных памятников, фасадов зданий, пространственного положения строительных конструкций, узлов машин и оборудования. В лазерных сканерах используются безотражательный лазерный дальномер импульсного типа и сканирующая матрица. Измерения проводятся в трехмерном пространстве с высокой скоростью (от 1000 до 10000 измерений в секунду). Импульсы дальномера проходят через систему двух подвижных зеркал, обеспечивающих вертикальное и горизонтальное движение сканирующего луча. Перемещение и вращение зеркал осуществляется традиционными сервомоторами, которые преобразуют в соответствии с поступившим сигналом управления энергию от источников питания в механическую движения зеркал. При этом разворот зеркал и измеренное безотражательным дальномером расстояние на точку сканирования фиксируются, и по ним вычисляются координаты X, Y, Z. Точность определения координат составляет ± 6 мм на расстояниях до 50 м (сканер Leica HDS 3000). У правление работой геодезического сканера осуществляется портативным компьютером. С каждой станции прибора сканирование может проводиться в горизонтальной плоскости на 360°, а в вертикальной — на 270°. В результате съемки определяются пространственные координаты всех отсканированных точек объекта, совокупность которых образует облако точек. Для «сшивки» результатов сканирования с нескольких станций проводят определение геодезическими методами координат станций и опорных мишеней, установленных на объекте и сканированных со всех станций. Это позволяет провести совместную обработку результатов всех станций, получить единое изображение облаков точек в одной геодезической системе координат. Облако точек с координатами содержит не только изображение объекта, но и его пространственные данные: превышения, расстояния между точками, прогибы, наклоны, дефекты конструкций, разрушения элементов архитектуры. По сканированным поверхностям можно построить различные сечения. 2.3. Автоматизированные средства измерений Традиционные методы геодезических измерений и графического отображения полученной информации на бумажных носителях остались в прошлом. Современное геодезическое обеспечение инженерно-строительных изысканий, проектирования и строительства различных объектов, а также инвентаризации, кадастра и оценки объектов недвижимости базируется на использовании принципиально новых геодезических приборов и технологий, геодезических информационных систем пространственных баз данных. Все полевые измерения и съёмки выполняются сейчас электронными приборами с автоматической регистрацией результатов, автоматизированы и все последующие процессы геодезического производства. Замена традиционных средств измерений на электронные привела к появлению новых методов и технологий геодезических работ. Так, применение спутниковых радионавигационных систем и геодезических приемников принципиально изменило методику построения опорных геодезических сетей, а также создания на их основе опорных межевых, маркшейдерских и разбивочных построений. При этом отпала необходимость обеспечивать видимость между пунктами построения, строить высокие сигналы, проводить громоздкие измерения. Резко сократились сроки выполнения геодезических работ, снизилось влияние многих погрешностей, в том: числе зависящих от исполнителя. Спутниковые методы позицирования в комплексе с тахеометрами и другими электронными приборами получили широкое распространение и в геодезическом обеспечении инженерно-строительных изысканий и проектирования. А применение электронных тахеометров, цифровых и лазерных нивелиров, безотражательных дальномеров на строительной площадке меняет технологию геодезического обеспечения строительства на всех его этапах. При этом изменилась методика разбивочных работ, построения плоскостей и линий, передачи осей и отметок на монтажные горизонты, определения пространственного положения конструкций, проведения исполнительных съемок. Современные технологии геодезических работ сформировались и развиваются на базе автоматизации всех; процессов геодезического производ- ства: полевых измерений и топографических съемок, математической обработки результатов измерений и составления планов и карт, создания баз данных геоинформационных систем (ГИС) и получения прикладной геодезической информации. Современный уровень автоматизации геодезических работ характеризуется широким распространением электронных тахеометров и спутниковых приемников, цифровых аэросъемочных комплексов, полевых портативных компьютеров, многофункциональных пакетов программного обеспечения. Разрабатываются новые типы электронных геодезических приборов. Так, появление лазерных безотражательных дальномеров обусловило разработку, серийные выпуски и применение в съемочных работах: геодезических лазерных сканирующих систем, а при производстве высокоточных прикладных измерений - универсальных измерительных систем: MON MOS. Процессы автоматизации геодезических работ стали: непрерывными. Результаты измерений электронными приборами автоматически регистрируются, их файлы передаются на ГТК, обрабатываются с использованием соответствующих программных комплексов и экспортируются в информационные системы, например, в ГИС, по ним формируются цифровые модели объектов, электронные топографические планы и карты. Переход с бумажных планов и карт на электронные полностью заменил традиционные в геодезии камеральные работы на автоматизированные технологии векторизации и цифрования топографических данных. На основе электронных планов формируются слои кадастровой, градостроительной и другой информации. Разработан: мощный арсенал программных средств, который постоянно расширяется и модернизируется. Он обеспечивает автоматизацию всех видов камеральных работ. Многие приборостроительные компании в настоящее время выпускают геодезические системы, включающие электронные геодезические приборы и универсальные пакеты программ, позволяющие оперативно проводить практически на любом объекте все виды геодезических работ в одной системе. Такие системы характеризуются унификацией автоматизированных средств измерений, обработки и формирования информационных баз данных. Однако основным импульсом к достижению современного состояния геодезических автоматизированных технологий стало повсеместное применение в нашей стране электронных тахеометров, геодезических спутниковых приемников, лазерных сканирующих систем. Среди них наибольшее распространение в геодезических работах получила продукция Уральского оптикомеханического завода (ФГУП ПО «УОМЗ»), компаний Trimble, Sokkia, Leica, Thales, Nikon, Pentax и других. Высокая точность, надежность, простота эксплуатации электронных геодезических средств способствуют дальнейшему быстрому развитию современных геодезических технологий. Практически все виды геодезических работ проводятся сейчас электронными приборами. С их появлением работа геодезиста перешла на уровень информационного обеспечения пространственными данными инженерной деятельности разных направлений: кадастра и оценки объектов недвижимости, изысканий, проектирования, строительства, эксплуатации застроенных территорий и других. При этом геодезические спутниковые приемники вытеснили традиционные методы (триангуляции, трилатерации, полигонометрии) построения опорных геодезических, маркшейдерских и межевых сетей. Электронные тахеометры заменили собой традиционные средства линейных измерений, а также оптические теодолиты и нивелиры, обогатив при этом методы и технологии ведения полевых работ. Для автоматизации геодезических полевых измерений и съемок применяются, в основном, следующие геодезические приборы: - спутниковые геодезические приемники систем ГЛОНАСС /GPS; - электронные тахеометры; - лазерные сканирующие системы; - цифровые аэрофотосъемочные комплексы; - электронные теодолиты; - лазерные дальномеры, в том числе безотражательные; - электронные (цифровые) нивелиры; - приборы поиска и съемки подземных коммуникаций. Спутниковые геодезические приемники предназначены для определения координат точек местности по принятым от навигационных спутников радионавигационным сообщениям. С их появлением полностью автоматизирован комплекс полевых геодезических работ при построении новых и сгущении существующих опорных геодезических сетей (ОГС). Электронные тахеометры применяются для сгущения ОГС, построения сетей съемочного обоснования, тахеометрической съемки, межевания земель, инвентаризации строений, а также в прикладных геодезических работах. Лазерные сканирующие системы автоматизировали процессы съемки больших массивов точек и используются для детального отображения сложных фасадов зданий, памятников архитектуры и археологии, положения строительных конструкций. Цифровые аэрофотосъемочные комплексы применяются для цифровой съемки местности с летательных аппаратов. При этом исключаются фо- тохимические процессы и использование фотоматериалов. Снимаемая информация регистрируется и через высокоскоростные интерфейсы переносится на автоматизированные рабочие места для последующей обработки и хранения. Возможны одновременные панхроматическая, многоспектральная съемки. На основе снятой информации в автоматизированных системах получают электронные топографические и тематические планы и карты различных территорий и объектов. В электронных теодолитах автоматизированы считывание с ГК и ВК и регистрация результатов угловых измерений. Применяются они взамен оптических теодолитов. В лазерных дальномерах автоматизированы линейные измерения. При этом на больших расстояниях используются системы отражателей, а на малых расстояниях измерения возможны в безотражательном режиме. Электронные (цифровые) нивелиры позволяют применять цифровые технологии при измерении превышений. Они автоматически считывают отсчеты со специальных реек, имеющих RAB-код, регистрируют их в памяти, проводят полевую обработку. Выпускаются высокоточные, точные и технические цифровые нивелиры, инварные, фиберглассовые, деревянные и алюминиевые кодовые рейки. Кроме того, широкое распространение в строительных и монтажных работах получили лазерные нивелиры, обеспечивающие построение видимыми лучами горизонтальных, вертикальных и наклонных плоскостей и направлений. Приборы поиска и съемки подземных коммуникаций позволяют обнаружить электромагнитное поле, которое задается специальным трассопоисковым генератором в трубопроводах, или имеющееся вокруг силовых кабелей. Комплект таких приборов включает генератор, антенну, приемник. Положение подземной трассы определяется достаточно точно и однозначно. На экране приемника отображаются глубина залегания и сила электромагнитного поля, идущего от коммуникации. Благодаря автоматизации геодезические полевые измерения электронными приборами проводятся за секунды и их доли. Так, в тахеометрах Sokkia применены технологии автоматизации линейных измерений RED-tech, системы датчиков угловых измерений и RAB-коды, обеспечивающие практически мгновенную (менее 0,5 с) выдачу результатов на дисплей. Даже с учетом времени на установку прибора, его центрирования, наведения на точку работа на станции выполняется в течение нескольких минут. Управление работой электронных приборов сведено до минимума операций. Они просты в эксплуатации, имеют функциональные и операционные клавиши, жидкокристаллические графические дисплеи, закрепитель- ные и наводящие винты, аналогичные теодолиту. В тахеометрах измерения углов и расстояний осуществляется автоматически, а в геодезических спутниковых приемниках автоматически принимается радионавигационное сообщение. Управление приборами можно проводить дистанционно с внешней беспроводной клавиатуры, что позволяет вести качественные измерения в опасных и стесненных условиях. Геодезические электронные приборы имеют встроенное программное обеспечение, с использованием которого выполняется начальная обработка информации, полученной прибором при автоматическом считывании с лимбов, нивелирных реек, а также с радионавигационных сообщений от спутников. Кроме того, встроенное ПО позволяет быстро решать целый ряд задач непосредственно на станции в режиме реального времени. В результате традиционное назначение геодезических приборов существенно обогатилось новыми функциями и режимами работы. Результаты измерений регистрируются и записываются в рабочие файлы. Геодезические приборы имеют внутреннюю и внешнюю память, объем которой достаточен для проведения большего числа измерений (до 10000 точек и более). Полевой журнал встроен в прибор и стал электронным. Кроме памяти прибора может использоваться память контроллера. Контроллер является дополнительным к прибору электронным полевым журналом и портативным компьютером. Результаты измерений, записанные в файлы прибора или контроллера, передаются на компьютер для дальнейшей обработки. При наличии программного обеспечения автоматизация процессов геодезических измерений и обработки стала, как уже отмечалось, непрерывной. С электронными приборами измерения может проводить один оператор, особенно с применением безотражательных дальномеров и спутниковых геодезических приемников. Появилась возможность проведения точных дистанционных измерений на ранее недоступные и опасные участки объектов, дистанционно выполнять обмеры строений, съемку пространственного положения конструкций, их деформаций. Непрерывный процесс автоматизации измерений и обработки исключает грубые ошибки, так как в приборах считывание с лимбов или реек проходит без участия оператора, а запись результатов измерений в память и передача файлов на ПК исключает ошибки ручной записи в журналы, набора данных с клавиатуры, вычислений. Кроме того, в электронных приборах автоматически учитывается ряд систематических поправок, повышающих точность самих результатов измерений. В последние годы появились новые электронные геодезические приборы - лазерные сканирующие системы, которые при съемках сложных объектов становятся наиболее перспективными. Они устанавливаются на штатив аналогично тахеометру или на летательных аппаратах аналогично фотокамере. Геодезические сканирующие системы применяют для точной съемки строений, архитектурных памятников, фасадов зданий, пространственного положения строительных конструкций, узлов машин и оборудования. В лазерных сканерах используются безотражательный лазерный дальномер импульсного типа и сканирующая матрица. Измерения проводятся в трехмерном пространстве с высокой скоростью (от 1000 до 10000 измерений в секунду). Импульсы дальномера проходят через систему двух подвижных зеркал, обеспечивающих вертикальное и горизонтальное движение сканирующего луча. Перемещение и вращение зеркал осуществляется традиционными сервомоторами, которые преобразуют в соответствии с поступившим сигналом управления энергию от источников питания в механическую движения зеркал. При этом разворот зеркал и измеренное безотражательным дальномером расстояние на точку сканирования фиксируются, и по ним вычисляются координаты X, У, Z. Точность определения координат составляет ± 6 мм на расстояниях до 50 м (сканер Leica HDS 3000). Управление работой геодезического сканера осуществляется портативным компьютером. С каждой станции прибора сканирование может проводиться в горизонтальной плоскости на 360", а в вертикальной — на 270°. В результате съемки определяются пространственные координаты всех отсканированных точек объекта, совокупность которых образует облако точек. Для «сшивки» результатов сканирования с нескольких станций проводят определение геодезическими методами координат станций и опорных мишеней, установленных на объекте и сканированных со всех станций. Это позволяет провести совместную обработку результатов всех станций, получить единое изображение облаков точек в одной геодезической системе координат. Облако точек с координатами содержит не только изображение объекта, но и его пространственные данные: превышения, расстояния между точками, прогибы, наклоны, дефекты конструкций, разрушения элементов архитектуры. По сканированным поверхностям можно построить различные сечения. 2.4. Технология обработки геодезических измерений Для обработки результатов геодезических измерений, полученных электронными приборами, применяются в настоящее время два режима:  режим реального времени геодезических определений, обработка измерений выполняется сразу на пункте стояния геодезического прибора;  режим постобработки, которая выполняется на ПК после завершения всех измерений в геодезическом построении. Обработка результатов измерений в режиме реального времени выполняется чаще всего на полевом портативном компьютере (контроллере) с использованием его ПО и с привлечением дополнительных данных. Основной целью такой обработки является быстрое получение координат или иных данных на пункте установки прибора. Поэтому могут применяться упрощенные алгоритмы, в обработку включают лишь часть построений, связанных с данным пунктом, уменьшается количество избыточных измерений, неполно учитываются внешние условия и некоторые другие параметры построения и процесса измерений. Постобработка выполняется после передачи результатов измерений с прибора и контроллера на компьютер и осуществляется по полной программе строгих алгоритмов математической обработки и имеющихся программных пакетов. Результаты, полученные в режиме реального времени, также могут быть подвергнуты строгой постобработке. Полная математическая обработка результатов геодезических измерений, полученных электронными приборами, включает в себя:  начальную (первичную) обработку непосредственно измеренных величин, выполняется автоматически на основе встроенного ПО прибора или контроллера;  передачу данных с прибора или контроллера на компьютер с использованием специального ПО передачи данных, учитывающего их формат;  предварительную обработку полученных результатов в геодезическом построении с оценкой качества полевых измерений;  уравнивание геодезических построений на объекте с оценкой точности полученных координат или иных данных;  обработку геодезических измерений, опирающихся на уравненные построения: границ землепользований, снятых пикетов; массивов; точек строений;  передачу обработанных пространственных данных в информационные системы (ГИС, ЗИС), а также для нанесения их на электронные планы и карты;  формирование отчетов по выполненным геодезическим работам на объекте. Вид первичной обработки непосредственно измеренных величин зависит от применяемого прибора, его программного обеспечения, методов и режимов измерений. Так, в тахеометрах по измеренным угловым данным и расстояниям в соответствующих режимах могут вычисляться и записываться в память прибора горизонтальные проложения, превышения или координаты точки. Предусмотрены режимы измерений и вычислений для решения ряда прикладных геодезических задач. Так, тахеометры SET030R3 оснащены ПО SDR EXPERT, включающим более сорока прикладных и сервисных программ. А в режиме обратной засечки предусмотрены даже уравнивания. Поэтому уровень данных, полученных после первичной обработки, может быть разным. Однако все они получены по непосредственным измерениям и дополнительным исходным данным и относятся к конкретной станции прибора. В файлах измерений накапливаются такие данные по всем станциям построения. Для идентификации станций в память прибора вносятся их номера (название) и номера и коды снятых точек. Передача данных с электронного геодезического прибора на компьютер осуществляется через интерфейсный порт прибора и специальный кабель. На компьютере устанавливается программа передачи данных, соответствующая по формату данных конкретному прибору. Перед запуском программы в ее окнах устанавливаются параметры передачи: формат данных, скорость передачи, четность и другие. На приборе устанавливается режим интерфейса и те же параметры передачи. Программа запускается. Аналогично выполняется передача исходных данных с ПК в геодезический прибор. При этом формируется в памяти прибора файл исходных данных. Дальнейшая обработка выполняется в автоматическом режиме в соответствии с имеющимся программным пакетом. Однако перед окончательной математической обработкой необходимо проанализировать полученные данные, их качество, точность. Принять решение, если потребуется, направленное на повышение точности построения: отбраковать отдельные измерения, снизить их вес при уравнивании или провести перенаблюдение, дополнительные измерения. Поэтому сначала проводится предварительная обработка, а затем уравнивание. Цель предварительной обработки геодезических построений: введение необходимых поправок в измеренные данные, контроль качества измерений по невязкам фигур, подготовка информации для уравнивания. Измеренные расстояния и угловые направления приводятся к центрам знаков, редуцируются на поверхность относимости (принятый эллипсоид), а затем — на плос- кость в проекции Гаусса — Крюгера. Перед обработкой необходимо установить, в какой системе координат будет выполняться обработка геодезического построения. При обработке в системах СК-95 или СК-42 редукции на поверхность относимости и в плоскость проекции будут выполняться. При обработке в местной системе координат эти редукции не проводятся, если геодезическое построение расположено в пределах действия местной системы, а сама система координат введена на плоскости. Приведение результатов измерений к центрам знаков обязательны, если применялась внецентренная установка прибора или внецентренное расположение на пунктах построения отражателя и визирной цели. При этом вычисляются и вводятся поправки за центрировку прибора и редукцию визирной цели (отражателя). Приводятся к центрам пунктов измерения, опирающиеся на стенные знаки. При обработке результатов спутниковых измерений перевычисляются из одной системы в другую координаты пунктов, поэтому поправки в измеренные величины за редукцию на поверхность относимости и в плоскость проекции не вводятся. Уравнивание геодезического построения выполняется по методу наименьших квадратов (МНК). В программных пакетах реализован чаще всего алгоритм параметрического способа уравнивания. Цель уравнивания: получить наилучшие при условии МНК оценки значений измеренных величин и их функций (координат определяемых пунктов построения) с оценкой их точности. Для уравнивания вводятся координаты исходных пунктов, которые при уравнивании должны оставаться неизменными, используются предварительно обработанные массивы измеренных данных, точностные характеристики. Алгоритм уравнивания включает в себя следующие действия. 1. Вычисление приближенных координат определяемых пунктов. Для этого используются координаты исходных пунктов и геометрические связи с определяемыми пунктами (ходы, засечки). Приближенные координаты можно также ввести готовые перед уравниванием. 2. Вычисляются веса измеренных данных по формулам: Pβ = 1; PS = 2 𝑚𝛽 𝑚𝑆2 , (1) где mβ, mS — средние квадратические погрешности (СКП) измерения горизонтальных углов β и расстояний S соответственно. Значения mβ и mS оцениваются по невязкам фигур на стадии предварительной обработки. Если в геодезическом построении число невязок для надежной оценки точности недостаточно, то значения mβ и mS назначаются по точности применяемых приборов. 3. Составляются параметрические уравнения поправок AδX + L = V (2) где A — матрица уравнений поправок; δX — вектор поправок к приближенным значениям координат; L — вектор свободных членов; V — вектор поправок к измеренным элементам. Матрица А имеет размерность n×k, где n — число измеренных элементов, k — число определяемых координат. 4. Решение системы (2) выполняется под условиями МНК по алгоритму δX = -(АТ РА)-1× АТ PL = -R-1 АТ PL , (3) Т -1 где А — транспонированная матрица A; R — обратная матрица нормальных уравнений; Р — веса измеренных данных. Координаты определяемых пунктов вычисляются по формуле X = X0+δX, (4) гдеX0 — приближенные значения координат. 5. Оценка точности проводится путем вычисления mX — СКП координат определяемых пунктов: 𝑚𝑋𝑖 = μ√𝑄𝑖𝑖 , (5) где μ — СКП единицы веса; 𝑄𝑖𝑖 — обратный вес координаты Xi, определяется по элементам матрицы R-1. При этом μ=√ 2 ∑𝑛 1 𝑃𝑖 𝑉𝑖 𝑛−𝑘 , (6) где Vi — поправки к измеренным данным, вычисленные по соотношениям (2); (n — k) — число избыточных измерений в сети. В программных пакетах обработки геодезических сетей реализован чаще всего метод итераций, позволяющий N раз уточнять приближенные координаты пунктов на основании выражений (3), (4). Итерации заканчивают, если после последнего уравнивания не происходит уменьшения поправок V и значенияμ. Все вычисления по предварительной обработке и уравниванию построения автоматизированы. Для выявления и локализации недопустимых погрешностей в обрабатываемых массивах используются специальные алгоритмы, снижающие риск получения грубых результатов. Следует отметить, что при малом числе избыточных измерений в геодезическом построении оценка точности координат по формулам (6) и (5) будет носить формальный характер. После уравнивания опорного геодезического построения на объекте проводится математическая обработка опирающихся на него построений второго уровня и материалов съемок. В геодезических работах по межеванию и инвентаризации земель вычисляются координаты границ земельных участков по результатам измерений, проводится их контроль, вычисляются площади участков по координатам и геодезические данные: дирекционные углы, расстояния линий границ. Создаются и печатаются документы: план границ земельного участка, государственный акт на участок, таблицы, кадастровые формы и другие данные. По материалам обработки результатов тахеометрической съемки, а также растровых файлов картматериалов создается и редактируется цифровая модель местности (ЦММ) и рельефа (ЦМР). На их основе формируется топографический план с использованием электронных библиотек точечных, линейных и площадных условных знаков. При этом материалы межевания, инвентаризации объектов, съемки подземных коммуникаций и других специальных работ распределяются по слоям информационной нагрузки планов, объединенных в иерархическую структуру, включая графические и текстовые данные. По ЦММ и условным знакам полностью строится план в электронном виде, а также разрезы, продольные и поперечные профили. В современных программных пакетах учитываются топологические отношения данных, обеспечивающие их связь, корректность контуров, линейно-узловые представления информации. Полнофункциональные графические редакторы полностью формируют топографический план в соответствии с нормативными требованиями, а также чертежи его отдельных слоев, профилей, поперечников. Материалы выдаются на печать в виде готовых стандартных топографических планов и чертежей. Для автоматизации обработки результатов геодезических измерений и создания электронных планов и карт применяются многофункциональные программные пакеты: CREDO, Trimble Geomatics Office, Spectrum Survey, ПРИМА, MapInfo, Ингео и другие. На их основе выполняется сопровождение камеральных геодезических работ в автоматическом режиме. 3. ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ИНЖЕНЕРНОГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ 3.1. Электронные тахеометры Тахеометры - предназначены для тахеометрической съемки с целью получения плана с изображением ситуации и рельефа. Электронные тахеометры - это совершенные приборы для выполнения широкого круга геодезических работ: позволяют определять расстояния, высоту недоступного объекта, осуществлять измерения относительно базовой линии, определять координаты, выполнять обратную засечку, а также ещё множество различных видов геодезических работ. На сегодняшний день это пожалуй наиболее интеллектуальные приборы, оснащенные большой внутренней памятью, позволяющей надежно хранить данные съемки. На некоторых моделях электронных тахеометров возможна загрузка координат из персонального компьютера для последующего выноса в натуру. Наличие экранов и буквенно-цифровых клавиатур электронных тахеометров облегчает управление прибором. Все электронные тахеометры разных фирм идентичны, отличаются лишь некоторыми нюансами. Дальнейшее развитие электронных тахеометров предполагает их дальнейшую миниатюризацию. Меньший расход материалов и применение дешевых композитных составляющих уменьшит стоимости приборов. Реальная картина развития геодезического производства не исключает, что на смену традиционным геодезическим бригадам придут тахеометры, управляемые всего лишь одним квалифицированным исполнителем. В ряде стран эти системы уже внедряются в производство, подтверждая тенденцию к компьютеризации и роботизации электронных тахеометров. Несмотря на компактный размер электронного тахеометра, в некоторых моделях нашлось место и для микродвигателей. Это дало возможность выполнять съемку только одному специалисту. Исполнитель устанавливает на точках съемки отражатель, а тахеометр автоматически отслеживает передвижение призмы отражателя, производит измерения и записывает их результаты во внутреннюю память. Управление тахеометром, осуществляется исполнителем по радиоканалу. При этом прибор автоматически наводится точно на центр призмы. Высокая точность наведения на отражатель и возможность выполнения всех видов измерений одним специалистом - это значительный шаг в эволюции электронных тахеометров. С появлением технологии GPS традиционные оптические приборы стали все реже использоваться в работах, по создание и сгущению обоснования, реконструкции геодезических сетей, разбивке и съемке протяженных линейных объектов. Однако, при съемке небольших локальных участков, инженерных изысканиях в строительстве выгодно пока использовать электронные тахеометры. Таким образом, электронные тахеометры представляют собой автоматизированную систему сбора и передачи геодезической информации, которая может быть использована при инвентаризации земель и создания геоинформационных систем. Современные электронные тахеометры имеют широкую область применения: от высокоточных измерений в сетях сгущения и инженерно-геодезических построениях до кадастровых, топографических и простейших измерений в строительстве. За счет полностью автоматизированного процесса записи данных наблюдений и встроенного программного обеспечения в современных электронных тахеометрах, производительность работ повышается как минимум на 100%. В современных условиях важно, чтобы исполнитель работал не с прибором, а с компьютерной электронной системой. Применение электронных тахеометров для сбора аналитической информации об инженерных сооружениях и объектах недвижимости позволяет полностью автоматизировать процессы сбора, передачи и обработки информации в дальнейшем на ПЭВМ с применением современных программных средств. Одним из наземных методов сбора информации является сбор данных с применением электронных тахеометров. Точность измерения углов различными типами электронных тахеометров лежит в пределах от 0.5" до 10", что дает возможность использовать их как для создания высокоточных опорных геодезических сетей, так и для решения различных инженерных, кадастровых задач, проведения теодолитных и тахеометрических съемок любых масштабов. Причем взятие отсчетов по угломерным кругам производится автоматически с помощью специальных электронных датчиков, что исключает ошибку исполнителя при взятии отсчета и положительно сказывается на точности и скорости измерений. Во всех современных электронных тахеометрах используется электронный датчик наклона прибора (компенсатор), который автоматически вносит поправки в измерения при отклонении оси вращения прибора от вертикали, причем некоторые тахеометры имеют двухосевые компенсаторы, вносящие поправки, как в вертикальные, так и в горизонтальные углы. Определенные при исследовании основные инструментальные погрешности запоминаются во внутренней памяти прибора и учитываются при измерениях. С появлением этой возможности отпала необходимость механического устранения инструментальных погрешностей, что значительно увеличило срок службы инструмента и его надежность. Внутренние программы обеспечивают не только полную настройку прибора, проведение измерений, сохранение ре- зультатов в памяти, но и их математическую обработку: от расчета площадей до уравнивания ходов. В процессе полевых работ производится оценка точности измерений, а продуманные алгоритмы программ помогают получить быстрый и качественный результат. Современный тахеометр обладает удобной клавиатурой, состоящей из небольших, преимущественно резиновых, клавиш и большим жидкокристаллическим экраном, способным нести большой объем информации. Управление прибором и выполнение измерений осуществляется с помощью внутренних программ, путем выбора необходимых пунктов меню. Система наведения зрительной трубы на цель не претерпела серьезных изменений. Следует лишь отметить, что во многих точных тахеометрах стали использоваться двухскоростные наводящие винты, обеспечивающие быстрое и качественное наведение. Отдельно следует упомянуть о тахеометрах нового типа, способных измерять расстояния до объектов без использования традиционных призменных отражателей. В качестве отражателя в данном случае используется поверхность наблюдаемой цели. Точность измерения расстояний (до 1000 м) несколько ниже, чем с использованием призмы, и пока составляет порядка 120 см. В настоящее время на рынке России представлено множество фирм выпускающих различную продукцию электронных тахеометров: Sokkia, Уральский оптико-механический завод, Leica, Spectra Precision, Topcon, Nicon, Karl Zeiss, Trimble, Pentax Лидером по производству электронных тахеометров является фирма LEICA. Продукция этой фирмы ориентирована на самый широкий круг пользователей: от простых электронных тахеометров, предназначенных для работы на строительных площадках, и до высокоточных профессиональных станций предназначенных для слежением за деформациями инженерных сооружений (рисунок 1). Рисунок 1 – Общий вид тахеометра Leica TPS-1200 Отличительными особенностями электронных тахеометров SOKKIA являются: привлекательный и функциональный дизайн, компактные и энергоемкие источники питания имеют все необходимые качества, которые так ценятся в современном строительном деле и являются незаменимыми помощниками в полевых условиях или на строительной площадке круглый год и на протяжении многих лет (рисунок 2). Рисунок 2 – Общий вид тахеометра Sokkia SRX-1 Электронные тахеометры фирмы TOPCON – это высокое качество сборки, точность измерений, функциональные возможности, удобство использования, долговечность и надежность. Продукция имеет русифицированный интерфейс, а также допускают использование кодов описания точек на русском языке. Фирма выпускает безотражательные приборы, а так же электронные тахеометры с сервомоторами. Прибор Topcon GTS 3005 является северным вариантом, его рабочий диапазон температуры до -30ºС , оснащён подогревом дисплея (рисунок 3). Рисунок 3 – Общий вид тахеометра Topcon GTS 3005 Компания Spectra Precision образованна в сентябре 1997 г., из объединения четырех компании: Geotronics AB (Швеция), Spectra Physics Laserplane Inc. (США), Plus 3 Software Inc. (США), Quadriga GmbH (Германия), а с 2005 года Spectra Precision является частью Японской корпорации Trimble, в результате чего некоторые модели выпускаются разными странами производителями. Фирма SPECTRA PRECISION (старое название GEOTRONICS) первая в мире наладила выпуск тахеометров-роботов. Лучшими тахеометрамироботами считаются приборы этой фирмы. Эти системы позволяют пользователю в автоматическом режиме эффективно и без ошибок выполнять самые сложные съёмочные и разбивочные работы с любой требуемой точностью без привлечения помощников. Приборы могут расширяться за счет подключения к ним дополнительных модулей. Так же приборы имеют возможность свободного обмена данными между электронным тахеометром и GPS системами в рамках концепции. Перечисленные возможности делают эти приборы уникальными (рисунок 4). Рисунок 4 – Общий вид тахеометра Spectra Precision Focus-8 Фирма TRIMBLE отвечает своей продукцией всем специфическим требованиям строительного процесса и геодезических. Последние разработки в области оптических приборов, новейшие механические решения и материалы. Можно сказать, что тахеометр Trimble, его точность, прочность, надежность и производительность – являются эталонными величинами на рынке геодезического оборудования (рисунок 5). Рисунок 5 – Общий вид тахеометра Trimble S-8 Фирма SOUTH представляет на мировом рынке тахеометров китайскую геодезическую промышленность. Тахеометры SOUTH являются лучшими по цене тахеометрами на сегодняшний день, при этом качество и надежность не во многом проигрывают куда более дорогим альтернативам. Производит тахеометры SOUTH компания SOUTH SURVEYING & MAPPING INSTRUMENT – ведущий производитель и экспортер геодезического оборудования в Китае с 1989 года (рисунок 6). Рисунок 6 – Общий вид тахеометра SOUTH NTS-360R Инновационные технологий и самые современные технические решения олицетворяет собой электронный тахеометр Nicon. Высококачественные и максимально удобные при работе тахеометры Nicon доступны в различных модификациях, которые отвечают всем современным требованиям строителей и геодезистов. Оптимальный вес, повышенная прочность, высокая скорость и производительность, продуманная эргономика – все это сочетается в каждом тахеометре (рисунок 7). Рисунок 7 – Общий вид тахеометраN icon Nivo1С Электронный тахеометр PENTAX W-825N с большим цветным двухсторонним LCD дисплеем, встроенным Windows CE и полным набором всех функций (рисунок 8). Рисунок 8 - Общий вид тахеометра Pentax W-825N Электронные тахеометры Уральского оптико-механического завода значительно уступают по своим функциональным возможностям зарубежным системам. Тахеометр оснащен двухосевым компенсатором наклона инструмента сдиапазоном работы ± 5’, автоматическим аттенюатором, четырехстрочным жидкокристалическим экраном с подсветкой и 12 клавишной клавиатурой, при помощи которой производится управление всеми режимами измерений, вычислений, записи и передачи данных. Результатаы измерений могут сохраняться на PCMCIA карте памяти и переданы в компьютер. Программный комплекс CREDO может автоматически производить соединение с тахеометром и получать данный без предварительного сохранения файла на диске компьютера (рисунок 9). Рисунок 9 – Общий вид тахеометра 3А5С 3.2. Глобальные навигационные спутниковые системы Интенсивное внедрение СРНС в геодезию обусловлено рядом прогрессивных возможностей. Основные из них следующие. 1. Широкий диапазон точностей - от единиц метров до субсантиметров практически на любых расстояниях. Наблюдение высоких целей ослабляет влияние атмосферы. Выигрыш в точности от этого достигает 1-2 порядка. 2. При построении геодезических сетей отпадает необходимость в прямой видимости между пунктами. Поэтому не нужно строить высокие знакисигналы, выбирая места на возвышенностях. Строительство знаков занимало в геодезии до 80% от стоимости работ. Новые пункты закладывают в местах, удобных для подъезда. 3. Повышение производительности спутниковых технологий, по сравнению с обычными технологиями, в 10-15 раз. 4. Выполнение кинематических измерений, то есть измерений в движении. Особенно ценно применение таких методов в морской геодезии, аэрофотосъемке. При этом отпадает необходимость создавать наземное обоснование, производить привязку опознаков. 5. Обеспечение непрерывных наблюдений, например, для мониторинга деформаций в режиме реального времени. 6. Одновременно могут определяться три координаты. Деление классических геодезических сетей на плановые и высотные привело к тому, что на пунктах триангуляции оказываются грубые высотные отметки, а на реперах отсутствуют плановые координаты. 7. Благодаря высокому уровню автоматизации, обеспечиваются быстрота обработки, уменьшение субъективных ошибок. 8. Почти полная независимость от погоды Принципиальное различие между классическими и спутниковыми методами геодезии состоит в том, что в классической геодезии измерения производятся относительно отвесной линии (или поверхности геоида), то есть в основе измерений лежит физический принцип измерений. В результате, геодезические сети, построенные классическими методами, делятся на плановые и высотные сети. В основе спутниковых методов лежит геометрический принцип измерений, когда измеряются расстояния, являющиеся инвариантными величинами относительно систем координат и не дающие связь с геоидом. Поэтому одна из принципиально важных проблем, связанных со спутниковыми методами, - это преобразования полученных координат в государственную систему координат и высот. По этой причине нельзя говорить о том, что спутниковые методы универсальны. Отметим следующие недостатки методов ГНСС: 1. Проблема преобразования высот и координат в локальную геодезическую систему, а высот - дополнительно в систему нормальных (или ортометрических) высот. 2. Зависимость от препятствий и радиопомех. Спутниковые методы невозможно применять под землей. 3. Точность определения высот в 2-5 раз уступает точности определения плановых координат. 4. Высокая стоимость оборудования, сложное программное обеспечение. Спутниковые радионавигационные системы. Три сегмента системы. GPS. Для геодезических определений координат точек местности и различных объектов применяются СРНС. Геодезические приёмники работают в основном в системе GPS (Global Positioning System), которая создана и находится под управлением и контролем служб США. Система, являясь глобальной, обеспечивает возможность определения точных координат 24 часа в сутки, она постоянно развивается и модернизируется. GPS имеет в текущий момент на орбите 29 спутников, и их количество будет доведено до 48. ГЛОНАСС. В нашей стране создана СРНС ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система), которая находится под управлением и контролем служб РФ. Она создавалась в интересах Министерства обороны, однако в 1999 году ей официально придан статус военного и гражданского назначения. Работы по созданию этой СРНС были начаты в середине 60-х годов, а с 1982 года проводились её испытания. Поскольку после вывода на орбиту новых спутников в 2007 г., их общее число в созвездии составит только десять, то определение координат точки только с помощью ГЛОНАСС не представляется возможным. Использование же совместной технологии GPS/ГЛОНАСС делает определение координат более надежным, вследствие увеличения числа видимых спутников. ГЛОНАСС имеет в текущий момент на орбите 24 спутника. Вместе с тем при разработке ГЛОНАСС использован высокий фундаментальный уровень отечественной науки, благодаря качеству заложенных в ней идей и проектов система обладает потенциалом, превосходящим по ряду параметров GPS. Ряд приборостроительных компаний выпускают геодезические приёмники, работающие в двух системах - GPS и ГЛОНАСС. Опыт их использования показал, что даже в неполной комплектации ГЛОНАСС они превосходят по эксплуатационным показателям односистемные. Наличие даже одного спутника ГЛОНАСС в рабочем созвездии спутников существенно повышает точность в режиме RTK. Восстановление ГЛОНАСС ускорилось в 2007 году, появились новые спутники «Глонасс-М», разрабатываются «Глонасс-К». В последнее время появились разработки отечественного геодезического приёмника ГЛОНАСС/GPS ГЕО-161 Российским институтом радионавигации и времени. Кроме использования в качестве самостоятельной навигационной системы ГЛОНАСС дополняет GPS. Что увеличивает число одновременно наблюдаемых спутников, улучшает геометрические факторы используемых созвездий спутников, а в конечном итоге повышается точность геодезических определений. GALILEO. Европейская навигационная система GALILEO является еще одной ГНСС. GALILEO – это многоцелевая система. В частности, она призвана повысить точность позиционирования по сравнению с современными возможностями GPS/ГЛОНАСС. Одной из ее особенностей будет доступность навигационных решений в высоких широтах, также GALILEO должна стать независимой навигационной основой для стран Европы (на случай возникновения международных конфликтов). Текущий план предполагает вывод в эксплуатацию системы GALILEO к 2012/14 г. – что на тричетыре года позже, чем ранее предполагалось. В систему GALILEO войдет созвездие из 30 спутников (27 основных и 3 резервных), а также сеть наземных станций. Спутники GALILEO будут перемещаться по орбитам, чья высота несколько больше, чем высота орбит спутников GPS, однако принцип определения координат точек местности остается тем же. Появление ещё одной навигационной спутниковой системы расширит возможности технологий спутниковых геодезических определений. СРНС включает в себя три сегмента: - космический с орбитальной группировкой навигационных спутников; - наземный комплекс управления и контроля; - сегмент потребителя. Космический сегмент GPS- часть ГНСС состоящая из созвездия навигационных спутников. Он состоит из 24 основных и нескольких резервных спутников, расположенных на шести орбитах, близких к круговым. В плоскости каждой орбиты спутники равномерно разнесены по долготе через 60 градусов, это позволяет одновременно наблюдать четыре и более спутников с любой точки планеты. Период обращения спутников по орбитам 12 часов, высота над поверхностью Земли около 20000 километров. Полная орбитальная группировка ГЛОНАСС также включает 24 спутника, но в трёх орбитальных плоскостях по 8 спутников в каждой. Период обращения 11 часов 15 минут 44 секунды, высота орбиты над поверхностью Земли 19100 км. Время активной работы спутника на орбите составляет в среднем 3,5 года. Внешний вид навигационного спутника ГЛОНАСС представлен на рисунке 10. Рисунок 10 – Спутник ГЛОНАСС и созвездие спутников Наземный комплекс управления и контроля - часть ГНСС, состоящая из расположенной на земле сети наземных станций, выполняющих непрерывные наблюдения всех спутников созвездия, передающая им обновленную информацию и управляющая их полетом. Этот комплекс в GPS состоит из сети станций слежения, расположенных по всему миру. Имеется главная станция, контрольные станции слежения за спутниками и станции закладки данных на борт спутника. Станции слежения оснащены высокоточной аппаратурой и регистрируют сигналы, поступающие от всех спутников системы, передают результаты на главную станцию, где они обрабатываются. По ним рассчитываются параметры орбит, поправки бортовой шкалы времени, уточняются параметры модели тропосферы и ионосферы. Вычисленные необходимые поправки передаются на борт спутников. Проводится непрерывный мониторинг работы спутников. Благодаря надёжному комплексу контроля и управления обеспечивается постоянная бесперебойная работоспособность системы, периодически обновляется содержание радионавигационных сообщений всех спутников, уточняются их эфемериды и параметры синхронизации. Служба мониторинга включает спутники GPS и ГЛОНАСС. Сегмент потребителей состоит из приёмников, пакетов программного обеспечения, наземных постоянно действующих базовых станций (сетей), сообщества пользователей. Всю аппаратуру, принимающую радионавигационные сигналы спутников, по назначению определяемым величинам и точностным характеристикам можно подразделить на геодезическую, навигационную и туристско-бытовую. Геодезические приёмники могут работать в од- ной системе (например, GPS или ГЛОНАСС), в двух системах: GPS + ГЛОНАСС. А в дальнейшем предполагается использование трёх систем: GPS, ГЛОНАСС, GALILEO. Производятся измерения на одной частоте L1 или на двух частотах L1 и L2, определения выполняются по кодовой или фазовой информации полученного сигнала. Наибольшую точность обеспечивают геодезические двухчастотные приёмники, работающие одновременно по фазе и кодам. Навигационные приёмники наряду с координатами определяют дополнительные навигационные параметры движущегося объекта, их точность ниже геодезических и оценивается величинами от долей до десятков метров. Туристско-бытовые приёмники обеспечивают более низкую точность (Garmin, автомобильный навигатор, телефоны со встроенным GPS приемником, карманные ПК). ГНСС приемники С точки зрения новейших технологий производства топографических съемок предпочтение отдается автоматизированным средствам измерений. На сегодняшний день пользуются широким спутниковая аппаратура, специально разработанная для решения геодезических задач с применением систем ГЛОНАСС. Любой приемник, является высокоточным электронным инструментом. Полный комплекс состоит из полевой (ГНСС-приемник с принадлежностями) и камеральной (сопутствующий программный пакет, зарядное устройство и тому подобное) частей. В полевой комплект одночастотного оборудования обычно входят ГНСС-приемник, специализированная антенна, источники питания (аккумуляторы), портативный контроллер и набор соединительных кабелей. В разных моделях эти части могут быть объединены между собой. Самое современное спутниковое оборудование для навигации может использовать сервисы, предоставляемые системами ГЛОНАСС и Galileo. Современные строительные, изыскательские и геодезические работы выполняются с применением самых современных и передовых технологий сбора и обработки информации, для чего и служит спутниковое оборудование. Геодезическая аппаратура активно применяются на начальных этапах строительства, межевания, привязки контрольных точек разбивки теодолитных и тахеометрических ходов, с помощью данного оборудования полевые геодезические работы выполняются в рекордно сжатые сроки позволяя не только собирать координатные данные, но и одновременно со сбором производить их обработку в реальном времени. В зависимости от сигналов, по которым ГНСС-приемники могут проводить измерения, их условно делят на кодовые (выполняющие измерения только по коду) и фазовые (выполняющие измерения еще и по фазе несущих частот). Точность кодовых приемников при определении автономных (абсолютных) координат очень низкая. Для ее повышения используется дифференциальный режим измерений, что позволяет определять координаты объектов с точностью от 20-30 сантиметров до 5 метров в зависимости от качества прибора и методики полевых наблюдений. Фазовые ГНСС-приемники при относительных измерениях обеспечивают сантиметровую точность определения координат пунктов. Именно такая точность и необходима при решении большей части современных геодезических задач в России. Фазовые приемники также делятся по типу проводимых измерений на одночастотные (работающие только на частоте L1) и двухчастотные (на L1 и L2). Хотя двухчастотные приемники имеют ряд серьезных технологических преимуществ (по точности, длине определяемых векторов, скорости измерений и так далее), не менее широкое распространение в нашей стране получили одночастотные приборы, поскольку они в 2-5 раз дешевле двухчастотных, имеют меньшие размеры, массу, энергопотребление и, как правило, проще в управлении. Традиционно используется спутниковая аппаратура Epoch, Sokkia, Trimble, Leica, Topcon, Изыскание, приведенных на рисунках 11, 12, 13, 14, 15, 16. Рисунок 11 - Спутниковая система EPOCH 10 L1 Рисунок 12 – ГНСС приемник Sokkia GSR2700 ISX, ровер GPS -GLONASS L1/L2 Рисунок 13 – ГНСС- приемник Trimble 5700 Рисунок 14 – ГНСС приемник Leica GPS 1200 Рисунок 15 – ГНСС- приемник Topcon Hiper Новинка отечественных конструкторов - спутниковая двухчастотная навигационная аппаратура «ИЗЫСКАНИЕ». Обеспечивает определение координат точек земной поверхности: в режиме реального времени с использованием корректирующей информации, переданной по радиоканалу стандарта GSM от ГККС; в режиме постобработки измерений с использованием информации, полученной с ГККС или других геодезических приемников. 36 каналов приема сигналов ГЛОНАСС стандартной точности. Рисунок 16 – спутниковая двухчастотная навигационная аппаратура «ИЗЫСКАНИЕ». Также отдельно можно приобрести полевые контроллеры, к описанному выше оборудованию, например к двухчастотному ГНСС приемнику Trim- ble 5700 подходит полевой контроллер TRIMBLE TSC2 (рисунок 18). Он выполнен в пластмассовом, а по краям прорезиненном водонепроницаемом корпусе, имеет современную операционную систему Windows Mobile 6.0,процессор: 520 MHz Intel, 128 MB SDRAM, 512 MB внутренней памяти, встроенный динамик и микрофон, сенсорный цветной экран 320x240, Bluetooth, USB, 2 слота CompactFlash. 3.3. ПРИБОРЫ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ Для решения актуальных задач инженерной геодезии находят применение приборы вертикального проектирования (ПВП). С помощьюПВП многие задачи по передаче плановых координат, контролю и наблюдениям за вертикальностью сооружений и установок могут бытьрешены с наибольшей эффективностью. По принципу действия и преимущественной области примененияэти приборы можно разделить на две большие группы — оптические(визуальные) приборы и лазерные. И оптические и лазерные ПВП поспособу приведения визирной оси или светового луча в отвесное положение могут быть уровенными, с одно- или двухкоординатнымстабилизатором — компенсатором наклонов. Все ведущие зарубежные фирмы-производители геодезическихприборов отреагировали на конъюнктуру рынка и предлагают потребителям ПВП различного класса точности (табл.1). Например, фирма«Watts» (Великобритания) выпускает три типа оптических ПВП, несчитая лот-аппаратов. Это, вопервых, надир-зенитный прибор среднейточности с цилиндрическим уровнем, во-вторых, два типа прибороввысокой точности с компенсаторами — надир и зенит. Все оптическиеприборы могут комплектоваться лазерным окуляром и обеспечиваютрешения широкого диапазона задач прикладной геодезии. Представляетинтерес и прибор VS-AI фирмы «Topcon» (Япония). Этот прецизионныйзенит-прибор с компенсатором имеет диапазон фокусировки от переднейповерхности объектива до бесконечности. В России получил распространение зенит-прибор PZL-100 фирмы«CarlZeissJena». Огромные масштабы строительства должны подтолкнуть нашу промышленность к освоению такой продукции, однакосерийный выпуск современных по техническим характеристикам ПВПпока еще не налажен. Тем не менее разработкой таких приборов занимались многие организации: ЦНИИГАиК, МИИГАиК, НИППГ, ЛГИ — визуальныеприборы; в МИИГАиК и на предприятиях ряда ведомств разработаныоригиналь- ные конструкции лазерных ПВП. Некоторые из этих приборов хорошо себя зарекомендовали на отдельных объектах, но за более, чем 20 лет ни один из них не был доведен до серийного производства.Некоторые из принципиальных схем разработанных ПВП всё же при-ведены в настоящем разделе. Отметим, что разработка оптимальной конструкции ПВП требуетбольшого объема теоретических и экспериментальных исследованийв части выбора устройства подвески и демпфирования компенсатора,оптикомеханической схемы для двухстороннего визирования и двух-координатного измерения отклонений от вертикального направления,прецизионной осевой системы и т.п. Колебательная система, включающая элементы подвески (шарнирные устройства), узел компенсатора и демпфирующую среду (воз-дух, жидкость, магнитное или электромагнитное поле), как единая визвестных публикациях не рассматривалась с необходимой полнотой.Это относится также и к нивелирам с компенсатором наклона, к одно- итем более к двухкоординатным ПВП. Простейшими ПВП можно считать устройства для центрированияугломерных приборов над пунктами: нитяной, жесткий и оптическийотвесы. Жесткий отвес представляет собой раздвижную (телескопическую)металлическую трубку с острием на конце, снабженную прикрепленнымк ней сбоку уровнем. Верхний конец отвеса соединяется со становымвинтом штатива. Оптические отвесы изготавливаются либо как самостоятельныеприборы, либо их встраивают в нижнюю часть теодолита: состоят изнебольшой зрительной трубы с внешней фокусировкой, увеличением2-Зх, а в отвесное положение визирная ось устанавливается при помощидвух уровней. В соответствии с назначением отвесов их оптическаясистема рассчитывается таким образом, чтобы перемещением окулярного колена получать резкое изображение центра знака и сетки тольков известном диапазоне расстояний 1-2 м. Оптический отвес (рис. 17 а), встроенный в теодолиты типа Т2,состоит из объектива 13, завальцованного в оправу, расположенную вовнутренней полости вертикальной оси. Призма 3 в оправе 1 установленав колонке теодолита. Винтом 2 можно в некоторых пределах изменятьнаклон призмы. Окулярная часть состоит из корпуса 6. внутри которогоперемещается обойма 5 окулярного колена. Обойма имеет специальныепружинящие лапки, обеспечивающие плотное ее прилегание к корпусу.Внутри обоймы установлена сетка-коллектив 10, на которой нанесены две Рис. 17. Оптические отвесы концентрические окружности. Во время центрирования изображение точки вводится в центр окружностей сетки. Сетка закрепленагайкой 4 с помощью втулки 12. Для фокусирования на предмет обоймудвигают поступательно. Головка винта 11, расположенная в прорезикорпуса, предохраняет обойму от вращательного движения. С помощьюдиоптрийного кольца 9 окуляр 8 устанавливают по глазу наблюдателя.Диоптрийное кольцо соединено с оправой окуляра тремя винтами 7. В настоящее время отечественная промышленность выпускает ввиде самостоятельных приборов оптические двусторонние отвесы ОДОс ломаной трубой (рис. 3.1, б). На подставке 1 в осевой системе установлена зрительная труба 4. Направление центрирования (вверх или вниз)устанавливается рукояткой 3. В рабочее положение прибор приводитсядвумя взаимно перпендикулярными уровнями 2. Основное условие правильной работы оптических отвесов можносформулировать так: визирная ось зрительной трубы оптического от-веса должна совпадать с осью его вращения. Юстировку осуществляюткотировочными винтами сетки (прибор ОДО) или котировочным вин-том прямоугольной призмы и перемещением всего окулярного коленав плоскости боковой крышки колонки теодолита (оптические отвесытеодолитов типа Т2 и 2Т2). Применяя оптический отвес, можно отцентрировать прибор над точкой с точностью до ±0,5 мм. Прецизионный лот-аппарат (ПЛ). разработанный В.Н. Соловьевым. предназначен для высокоточного центрирования над точкой ипредставляет собой зрительную трубу с внутренней фокусировкой сувеличением 14 х, укрепленную соосно с вертикальной осью вращенияприбора. Диапазон визирования 0,5-2,2 м. Ось вращения и визирная ось трубы устанавливаются в отвесноеположение при помощи уровня с ценой деления τ = 10". Для принуди-тельного центрирования прибор снабжен центрировочным шариком. Отсчеты выполняются по винтовому окуляр-микрометру. Подвижныйбиссектор окуляр- микрометра позволяет измерить величину внецентренности верхней точки относительно нижнего центра знака. Вычисление линейного элемента центрированияeи угла θ его ориентирования выполняются по формулам: ЛП ; 2 А   Л А  МОа; В  МО  Л А а; A e  A2  B 2 ; tg  , B e   Л  МОа; МО  (7) (8) где Л и П — отсчеты по барабанчику окуляр-микрометра, соответствующие расположению неподвижной нити вдоль элемента внецентренности: А — проекция е на одно из направлений, выбранноеза начальное; В — проекция е на направление, перпендикулярное к начальному; МО — отсчет по окуляр-микрометру, соответствующий вертикальному положению визирной оси. совпадающему с осью вращения прибора;а — цена деления барабанчика окуляр-микрометра для данной высоты штатива;θ — величина углового элемента центрирования. По результатам исследований средняя квадратическая ошибка центрирования прецизионным лот-аппаратом на расстоянии 1,2 м составляет 0,019 мм. Рис. 18. Микроскоп-центрир (МЦ) Для высокоточного центрирования над близко расположенным центром геодезического знака или. например, оси втулки геознака на технологическом оборудовании относительно монтажной струны, проходящей под втулкой на расстоянии 100-250 мм. разработан специальный прибор — микро- скоп-центрир (МЦ) (рис. 19). Прибор МЦ состоит из подставки 4, полой осевой системы с устройством 5 для принудительного центрирования во втулке 6геознака и цилиндрического уровня 3. Микро-скоп. состоящий из окулярмикрометра 1 и съемного объектива 7, закрепляется в переходном тубусе осевой системы 8. В зависимости от параметров объектива и длины тубуса 2 в соответствующих пределах изменяются увеличение, глубина резкости микроскопа и расстояние до предметной плоскости. Величины внецентренности или отклонения верхней точки над струной С измеряются с помощью окуляр-микрометра при двух положениях верхней части микроскоп-центрира, отличающихся на 180°. Необходимые вычисления выполняются по формулам (3.1), (3.2). Зенит-надирный ПВП ZNL фирмы «Wild» (Швейцария) снабжензрительной трубой 2 (рис. 19), в которой поворотом переключающейпризмы 3 переходят с визирования вниз на визирование вверх, и уровнем1. Рис. 19. Зенит-надирный прибор ZNL (а) и оптический отвес OL (б) Оптический проектирующий прибор ОПП-2 (рис. 20) относитсяк уровенным ПВП и предназначен для проектирования монтажногоствора, фиксированного струной. Зрительная труба 5 наклонно укреплена на кронштейне 6 с конической осью 7 и втулкой 8 (коническаяосевая пара 7,8 с зажимным винтом 2) подставки 9, имеющей три подъемных винта 10. Визирный луч через пентапризмы направляется вверхк подвешенной струне монтажного створа. Продолжение вертикальногоотрезка визирной линии должно совпадать с осью вращения прибораи лежать в контактной плоскости 1. Ось вращения прибора приводитсяв отвесное положение двумя взаимно перпендикулярными цилиндрическими уровнями 3. В конечном итоге при совпадении визирной оситрубы со струной Си соответствующем развороте прибора кон- тактнаяплоскость устанавливается в створе подвешенной струны. Для измерения нестворностей в пределах ±2,5 мм прибор снабжен оптическиммикрометром с плоскопараллельной пластиной 4. Рис. 20. Оптический проектирующий прибор ОПП-2 В ГСПИ В.Н. Соловьевым разработан и изготовлен ПВП, названный ОЦПУ — оптический центрировочный прибор уровенный (рис. 21). На столике, имеющем пустотелую цилиндрическую полукинематическую ось 7, укреплена зрительная труба 1. Перед объективом трубы установлена призма или пентапризма 3 так, что вертикальный отрезок визирной оси совпадает с осью вращения прибора и проходит через центр посадочного шарика 8. Втулка 4 закреплена в подставке 5с подъемными винтами 6. Для ориентирования оси вращения приборав вертикальное положение предусмотрен высокоточный 4" уровень 2 с контактной оптической системой. Для предварительной установки ОЦПУ имеется круглый уровень. Увеличение зрительной трубы 25х. пределы визирования от 0,6 м до ∞. В зависимости от положения пентапризмы визировать можно как вниз (ОЦПУ-надир), так и вверх (ОЦПУзенит). Рис. 21. Оптический центрировочный прибор уровенный ОЦПУ Оптический ПВП, названный ОЦПП — оптический центрировочныйприбор с подвижной трубой (рис. 21), предназначен для вертикальногопроектирования с одного горизонта на другой и состоит из зрительнойтрубы 3 с увеличением 45х, снабженной оптическим микрометром 6 с плоскопараллельной пластиной и двумя цилиндрическими уровнями 2с ценой деления 10". На координатном столике 1 установлена втулка осевой системы трубы 5, которая имеет возможность точного перемещения направляющих микрометренным устройством 4 в пределах 0-20 мм. Предел визирования зрительной трубы прибора от 0,7 м до ∞. Средняя квадратическая ошибка измерения отклонений контролируемых точек от заданной отвесной линии не превышает m  0,05s , где s — расстояние визирования, м; m, в мм. Основоположником теории стабилизации визирного луча по правуможно считать советского ученого проф. В.Н. Чуриловского. С 1937 по1940 г. им были теоретически разработаны несколько стабилизаторов,которые стали основой для дальнейших исследований в этой области. В настоящее время в различных странах разработано и серийно выпускаются несколько десятков типов компенсаторов наклона оптическихприборов — нивелиров, теодолитов, кипрегелей, отличающихся высокойточностью, компактностью и оригинальностью способов компенсации. Рассмотрим кратко некоторые предпосылки для разработки компенсаторов, как основных элементов, определяющих точность ПВП.Известно, что при разработке геодезических приборов с компенсаторами основная задача заключается в оптимальном сочетании чувствительности компенсатора и постоянства его коэффициента во всем диапазонеработы, а при использовании компенсатора в качестве фокусирующегоэлемента еще и во всем диапазоне перефокусировок. Во всех случаяхдолжно обеспечиваться надежное демпфирование и приемлемое времяуспокоения. В настоящее время наиболее широко используются механические и оптико-механические компенсаторы. Первые характеризуютсяравенством f  s , где s — длина рычага маятника (расстояния центратяжести компенсатора до линии подвеса): f — фокусное расстояние объектива: ʋ—угол наклона прибора:  — угол наклона рычага маятника.При f  s и   f / s необходим маятниковый умножитель. Такие компенсаторы подвешиваются на нитях и выполняются в виде подвешенныхсеток, объективов или отдельных оптических компонентов. Оптико-механические компенсаторы характеризуются дополнительно влиянием на самого оптического компенсатора, т.е. f  ks , где k — коэффициент, зависящий от воздействия перемещения самогокомпонента на перемещение светового пучка независимо от характераподвески. Естественно, возможны и гибридные компенсаторы, когда приналичии k имеет место и f  s . Такие компенсаторы создают самые широкие возможности для компенсации. Однако анализ линейности их взаимодействия на световые пучки требует постановки весьма сложныхрасчетов, да и конструктивное оформление и тщательность исполнениядостаточно высокие. Наиболее простые оптические элементы компенсаторов — плоскиезеркала и отражательные призмы. Они используются в виде подвешен-ного на соответствующих шарнирах простого физического маятника,т.е. с механической компенсацией, равной единице, и оптической, равнойдвум единицам f  2 s , а так как   , то s  f / 2 . В высокоточных нивелирах Ni-А3 завода МОМ (Венгрия),Ni-002фирмы «CarlZeissJena», Ni 1 «Opton», НС-2 ЦНИИГАиК использованыв качестве компенсаторов подвешенные в виде физического маятникаплоские зеркала. Демпфирование колебаний — воздушное. В нивелирах Ni-002 и НС-2 компенсаторы являются одновременно фокусирующими элементами, позволяющими сохранять равенство f / s   /  при перефокусировках. В нивелире Ni-АЗ также сохраняетсяэто равенство, хотя фокусирующим устройством служит система издвух зеркал, перемещающаяся относительно неподвижного объектива,сетки и компенсатора. В нивелире Ni1 в качестве фокусирующего элемента используется средний компонент трехкомпонентного объективазрительной трубы, перемещение которого не изменяет эквивалентногофокусного расстояния объектива, но вносит ошибку из-за перефокусировки. Наряду с оптическими компенсаторами с подвешенными зеркала-ми, призмами, линзами находят применение (особенно при использовании лазер- ного луча) жидкостные компенсаторы с широким диапазономдействия и возможностью компенсации в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Большой вклад в теорию жидкостных компенсатороввнесен советскими учеными Н.А. Гусевым. Ю.И. Беспаловым и др. Жидкостные компенсаторы по способу компенсации угла наклонамогут быть построены по принципу «смещающейся сетки», с поворотоми параллельным смещением луча. К жидкостным компенсаторам сосмещающейся сеткой может быть отнесена широко известная разработкаГ.Ю. Стодолкевича (1945). Жидкостные компенсаторы с поворотом ипараллельным смещением визирного луча бывают двух типов: с плоскойи сферической преломляющей поверхностью — линий раздела сред. Наибольшее распространение получили жидкостные компенсаторыс поворотом луча, основанные на использовании преломления световых лучей жидкостным клином. Основное уравнение компенсации приустановке ампулы с жидкостью в сходящемся пучке лучей (рис. 6, а)внутри зрительной трубы должно удовлетворять условию fɛ = sθ(n-1) (9) где f — фокусное расстояние объектива 1;s —расстояние от сетки нитей до компенсатора;ε — угол наклона зрительной трубы; θ — требуемая величина преломляющего угла жидкости клина 2;n — показатель преломления жидкости. Условием работы компенсатора с жидкостными клиньями, расположенными внутри зрительной трубы, будет f  n  1l1  l2  ...  lm  , гдеlm — длина лучей от жидкостных клинов до сетки нитей;m — числоампул с жидкостью. Рис. 22. Жидкостный компенсатор: Если компенсатор располагается в параллельном пучке лучей (рис.3.7, б) перед объективом зрительной трубы, то уравнение компенсации упрощается, так как f=s, коэффициент компенсации k0=1, тогда, учитывая, что θ=ɛ, полу- чаем 1  mn  1 ; отсюда при n=1,5m=2, т.е.компенсатор должен состоять из двух ампул с жидкостью. При расчете габаритных размеров жидкостного компенсаторанеобходимо учитывать действие сил смачивания у стенок ампул, из-меняющих плоскую форму преломляющей поверхности и вызывающих отклонение пучка световых лучей. Для определения внутреннегорадиуса ампул жидкостных компенсаторов предложены формулы: r  r1  a 2  a 1  sin  ;  a   1     r1  u ln 4atg     ln l , 2  2 2  2   (10) где а — капиллярная постоянная жидкости: θ — краевой угол смачивания жидкости;l—допустимое поднятие жидкости в пределах световогопучка (критерий Релея 0,25λ, где λ — длина волны света); u — радиуссветового пучка. Объем жидкости в ампуле компенсатора зависит от ее вязкости γ.С учетом оптимального значения параметра γ глубина жидкости h вампуле может быть определена по формуле: h  ,  (11) где ʋ— кинематическая вязкость жидкости (для компенсаторов нивелиров и ПВП допустимо изменение параметра γв пределах (1,2-11) с-1,при температуре +20°С целесообразно принять γ=4,0). Разработаны также компенсаторы, использующие сфероидическую поверхность раздела сред, образованную действием капиллярных сил.Теория компенсатора с круглым уровнем (рис. 23), в котором отрицательная жидкостная линза образована газовым пузырьком в жидкости,была разработана М. Дродовским. Доказано, что    R n  1 . r (12) Ю.И. Беспаловым разработан компенсатор с положительнойжидкостной линзой, образованной двумя несмещающимися линзами.Компенсатор устанавливается в сходящемся пучке лучей внутри зри-тельной трубы. Ампула (рис. 23 б) имеет дно сферической формы l,цилиндрические стенки 2 и закрыта плоскопараллельной пластинкой 3.Ампула наполнена жидкостью 4 с показателем преломленияn1. Внутриэтой жидкости на дне ампулы находится положительная линза 5, образованная капиллярными силами. Жидкость положительной линзыимеет показатель преломления n2. Если жидкости подо- браны так, чтоn2>n1,то компенсатор стабилизирует лучи, направленные сверху вниз;при n1>n2 — стабилизирует лучи, направленные снизу вверх. При наклоне компенсатора на угол ɛ (см. рис. 23) середина жидкостной линзы сместится с оси ампулы на величину   R , где R — радиус кривизны поверхности ампулы. Центральный луч s, направленныйвдоль оси ампулы, преломится на границе раздела двух жидкостей ивыйдет из компенсатора по направлению s". Угловое отклонение этоголуча     / f1   / f 2  , где fl и f2 — фокусные расстояния соответственноотрицательной и положительной линз. Объем жидкости, заключенной в положительной линзе, может бытьприближенно определен по формуле:    (13)  a sin  , 2   где а — капиллярная постоянная на границе раздела двух жидкостей;2l—диаметр положительной линзы; θ — краевой угол границы разделадвух жидкостей на контакте с поверхностью дна ампулы.   la l 2 sin Рис.23 Ампулы жидкостных компенсаторов Как видно из вышеизложенного, расчет, изготовление, подбор жидкостей, конструкция компенсатора с жидкостными линзами сложны итрудоемки. Поэтому для оптических ПВП они еще не нашли широкогоприменения. Ошибки жидкостных компенсаторов типа оптическогоклина или жидкостной линзы зависят в основном от термического изменения показателя преломления жидкости. Изменение показателя преломления характеризуется термическим коэффициентом рефракции n1 , который равен разности показателей преломления жидкости при изменении температуры на 1°С. Термический ко- эффициент преломления — величина постоянная для данной жидкости, его величина может иметь значения от 0,2 до 1,0% на 1°С. В компенсаторе с жидкостным клином, расположенным в параллельном пучке лучей перед объективом зрительной трубы нивелира, термическое изменение показателя преломления жидкости вызывает ошибку установки визирного луча, определяемую по формуле: m  2n1t , (14) где ɛ — угол наклона прибора. Термические границы работы компенсатора соответственно можно определить как t  m , 2t (15) Из расчетов по формуле (8) видно, что реальные жидкости обеспечивают термический диапазон работы компенсатора в пределах ±6 СС. Для расширения диапазона действия таких компенсаторов рекомендуется в ампулы наливать смеси жидкостей с различными температурами кипения. При этом для достижения постоянства общего показателя преломления n низкокипящий компонент смеси жидкостей должен иметь n1 меньший, чем показатель преломления n2 высококипящего компонента, т.е. n2>n1. Термическая стабилизация коэффициента умножения жидкостноголинзового компенсатора может быть достигнута сочетанием в одном устройстве ампул с газовым пузырьком и ампул, содержащих две не-смешивающиеся жидкости со сферической поверхностью раздела. Большинство известных ПВП, образно говоря, нивелирного происхождения — за базу берется нивелир, к которому приставляется пентапризма, позволяющая наблюдать либо вверх, либо вниз, образуя соответственно схему ПВП «зенит» или «надир». Или же наоборот, иногда требуется убрать выходную пентапризму (например, у нивелираNi-007), чтобы на базе нивелира со зрительной трубой «перископического» типа создать ПВП. Рассмотрим это на нескольких примерах. При этом примем вовнимание конструктивные особенности не только серийно выпускаемых нивелиров, но и выпускавшихся ранее или разработанных в виде действующих макетов и опытных образцов. В нивелире 5190 фирмы «Philotechnic» (Италия) подвешена сетка нитей l (рис. 8). Длина каждой из трех нитей 2 (третья нить на рисунке не показана) равна фокусному расстоянию объектива fоб. Поэтому при наклоне трубы на угол ɛ сетка нитей автоматически смещается на ɛ и дает вертикальную визирную ось, преобразуемую пентагональной системой 3 в горизонтальную. Очевидно, убрав пентагональную систему, получим схему ПВП с компенсатором механического типа. В нивелирах типов 5172-5175 той же фирмы (рис. 24) компенсатором служит объектив 1, подвешенный на трех параллельных нитях 2. длиной l. Убрав призму 3, получим схему ПВП-зенит, а заменив ее светоделительной кубпризмой, можно обеспечить одновременное визирование горизонтальным и вертикальным лучами. Схема отечественного нивелира H-10KJI с подвешенной призмойБР1800 1 (рис. 24 в) также может быть положена в основу ПВП типа«зенит». Для этого следует убрать входную пентапризму 3 и установитьобъектив в положении 2' на таком же расстоянии от сетки нитей или обеспечить одновременное визирование горизонтальным и вертикальнымлучами, дополнив верхнюю отражательную грань пентапризмы оптическим клином до плоскопараллельной пластины при симметричнойустановке второго объектива в положение 2'. В прибор также входят сетка нитей 5, окуляр 6 и малая пентапризма 4. Достоинство такой схемы ПВП в том, что фокусирующим элементом является компенсатор, имеющий возможность перемещаться на направляющих.Данное обстоятельство существенно уменьшает ошибки за перефокусировку. Рис. 24 Схемы однокоординатных оптических ПВП на базе нивелиров Оптический центрировочный прибор PZL, разработанный фирмой«Carl Zeiss Jena» относится к приборам с самоустанавливающейся линией визирования с призменным компенсатором маятникового типа. Колебания в диапа- зоне углов наклона ±10' останавливаются демпфером воздушного типа. Зрительная труба имеет увеличение31,5х, диапазон визирования от 2,2 м до ∞. Оптический прибор вертикального проектирования FGL 100 (рис. 25) является современным аналогом широко известного PZL-100, который выпускался в прошлом фирмой «CarlZeissJena».FGL 100 передаёт плановое положение точки стояния прибора в зенит. В настоящее время FGL100является лучшим прибором в своем классе и не имеет аналогов. Он позволяет передать плановое положение точки на 100 м с точностью ±1 мм. Прибор имеет надежный компенсатор с воздушным демпфером. Области применения: контроль вертикальности и вынос строительно-монтажных осей при строительстве высотных сооружений и зданий, дымовых труб, надшахтных башенных копров, буровых вышек, башенных охладителей(градирен), радио и телебашен; решение специальных геодезических задач в горном деле и геодезическом мониторинге сооружений. Рис. 25 Оптическийприбор вертикальногопроектирования FGL 100 (PZL) По данным предприятия точность работы компенсатора характеризуется средней квадратической ошибкой 0,15". Однако по результатам исследований прибора, дополнительно оборудованного посадочным шариком для принудительного центрирования и оптическим микрометром, выявлена недокомпенсация, равная примерно 0,4" на каждые 1,7'наклона прибора в коллимационной плоскости. При этом оптический центр объектива смещается на 0,15 мм на 1,7' наклона прибора. Точность вертикального проектирования в линейной мере характеризуется следующими данными: Расстояние, м Средняя квадратическая ошибка, мм 6,7 0,045 16,3 0,062 22,6 0,070 Производительность труда увеличивается на 20% по сравнению с уровенными ПВП. В ПВП FGL 100 и ряде других приборов для юстировки главного условия — линия визирования должна быть вертикальной в пределах диапазона работы компенсатора — полезно перед объективом иметь котировочную систему в виде устройства из двух оптических клиньев. Заслуживают внимания схемы ПВП с линзовым, зеркальным ижидкостным компенсаторами перед объективом. В МИИГАиК былразработан и успешно использовался при геодезическом обеспечениистроительства и монтажа оборудования уникальных инженерных сооружений ПВП, названный ОЦП «Зенит-Надир» (оптический центрировочный прибор), на базе зрительной трубы нивелира НСМ-2 (рис. 26),предложенный А.В. Мещеряковым. В качестве компенсатора примененаотрицательная линза, подвешенная через рычаг на металлических нитях перед объективом зрительной трубы; контргруз уравновешиваетлинзу. Система подвески имеет k=6, так что наклон трубы ɛ вызываетнаклон системы компенсатора на угол (5ɛ+ɛ)=6ɛ. Установленная надполой осевой системой пентапризма может занимать два отличающихсяна 90° положения для переключения на вертикальное проектирование«вверх» — ПВП «Зенит» или «вниз» — ПВП «Надир». Достоинствомэтого ПВП является его малый размер по вертикали. Недостатки связаныс ухудшением качества изображения при наклоне трубы вследствиеизменения положения центра линзы-компенсатора, т.е. нарушаетсяцентрировка оптических элементов зрительной трубы. Общий вид при-бора ОЦП «Зенит-Надир» приведен на рис. 10, а. Зрительная труба 1и пентапризма 2 установлены на кронштейне, для уравновешиваниязрительной трубы относительно оси вращения предусмотрен противовес. На цапфе осевой системы смонтирован столик, перемещающийсяпо направляющим 4. Величина перемещения отсчитывается по шкалеиндикатора 3 часового типа ИЧ-10 с ценой деления 0,01 мм. Для предварительной установки предусмотрен цилиндрический уровень с τ=20".Вертикальное проектирование вверх или вниз зависит от положения пентапризмы. Рис. 26 ОЦП «Зенит-Надир»: а — общий вид; б — принципиальная схема (1 — индикатор часового типа;2 — пентапризма; 3 — зрительная труба; 4 — основание; 5 — подставка; 6 — втулка;7 — ось; 8 — сферическая поверхность) По результатам исследований средняя квадратическая ошибкавертикального проектирования на расстояниях 3; 44 и 80 м составиласоответственно 0,014; 0,35 и 0,62 мм. Разработчики, особенно в связи с возможностью широкого применения лазеров, все чаще обращаются к жидкостным компенсаторам наклона. Разработанная проф. Н.А. Гусевым и развитая доц. Ю.И. Беспаловым конструкция нивелира НЖК-1 (НЖК-2) может служить основой и для ПВП (рис. 3.12, а) при установке перед жидкостным компенсатором из двух ампул 2, 3 оборачивающей оптической системы 4 (на рис. 1 — объектив). При строго вертикальной визирной оси зрительной трубы слой жидкости подобен плоскопараллельной пластине. При наклоне прибора жидкость образует два оптических клина, компенсирующих наклон. В качестве заполняющей жидкости Ю.И. Беспалов рекомендует смесь дибутилфталата с диметилфталатом с показателем преломления n=1,5. Им же разработаны специальные ампулы с более высокой термостойкостью, меньшей чувствительностью к вибрациям. Наиболее распространены на практике нивелиры с компенсаторами, установленными между сеткой нитей и фокусирующим элементом. Известно свыше 50 образцов таких нивелиров. Это объясняется тем, что компенсаторы работают в узком пучке лучей и для компенсации наклонов используется оптическая деталь малых размеров. Последнее, в свою очередь, уменьшает габаритные размеры компенсатора, улучшает качество демпфирования и т.п. 4. ОРГАНИЗАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА 4.1. Особенности геодезического мониторинга высотных зданий и сооружений Итоговой нормируемой деформационной характеристикой высотного здания является отклонение его верха от вертикали (крен). Основное влияние на эту величину оказывают неравномерные осадки фундаментов. Однако изза особенностей конструкции высотных зданий и их «гибкости» («гибкость» здания- коэффициент отношения высоты надземной части к ширине фундамента и для высотных зданий обычно имеет значение от одного до восьми) деформации фундаментов не полностью определяют итоговую деформацию верха высотного здания. При геодезическом мониторинге высотных зданий и сооружений определяют следующие виды деформаций: Для основания и фундаментов:  абсолютная осадка Si;  средняя осадка Sср;  неравномерная осадка ΔS;  относительная неравномерная осадка ΔS/l - разность вертикальных перемещений точек фундамента, отнесенных к расстоянию между ними;  крен фундамента I - отношение разности осадок крайних точек фундамента к ширине (или длине) фундамента;  относительный прогиб (выгиб) i/L, т.е. отношение стрелы прогиба (выгиба) к длине L однозначно изгибаемого участка фундамента;  горизонтальные смещения (сдвиг). Для надземной части здания:  отклонение от вертикали здания и отдельных строительных конструкций (осей колонн, стен лифтовых шахт и других элементов);  сжатие или усадка колонн и бетонных конструкций;  раскрытие трещин (при их появлении), динамика их развития. В связи с тем что надземная и подземная части здания могут подвергаться воздействию разных природных и техногенных факторов, наблюдения за деформациями должны проводиться отдельно для каждой составной части системы «фундамент-надземная часть». При выборе методов проведения мониторинга высотных зданий и сооружений в период строительства учитывают следующие факторы: колебание температуры, односторонний солнечный нагрев, ветровую нагрузку (внешние факторы), вибрацию, неравномерность нагрузки от функционирования передвижных подъемных устройств (техногенные факторы), стесненные условия для наблюдений внутри (сравнительно малые габариты фундамента) и вокруг строительного объекта. Для измерений следует выбирать время суток, в котором минимизированы влияния вышеуказанных внешних факторов воздействия. При расчете точности определения деформаций высотных зданий и сооружений должны выдерживаться следующие нормы точности:  средняя квадратическая погрешность определения осадки высотного здания или сооружения не должна превышать +1,0 мм (ГОСТ 24846-81, СНиП 3.01.03-84);  средняя квадратическая относительная погрешность определения кренов высотных зданий и сооружений не должна превышать при высоте зданий (МГСН 4.19-05):  до 150 м (включительно) - 1/500;  свыше 150 м - 1/1000. Типовая схема геодезического мониторинга высотного здания на всех стадиях его создания приведена на рис. 27. В отличие от общей типовой схемы геодезического мониторинга объекта для высотных сооружений дополнительно предусматривают контрольные станции (точки) для измерения отклонений от вертикали. Рисунок 27. Типовая схема мониторинга высотного объекта а - на стадии возведения фундамента; б - на стадии возведения здания; в - в построенном здании; 1 - исходная высотная основа; 2 - привязочный ход; 3 - деформационная сеть; 4 - деформационная сеть на монтажном горизонте; 5 - глубинный репер; 6 - осадочная марка в полу; 7 - осадочная марка на колонне При мониторинге оснований и фундаментов высотных зданий и сооружений применяют геометрическое нивелирование коротким визирным лу- чом. Осадочные марки на высотных сооружениях устанавливают в нижней части несущих конструкций на фундаментной плите или на отметке 0,00 м в строительной системе высот по всему периметру здания (сооружения) и внутри, в том числе на углах, на стыках строительных блоков, по обе стороны осадочного или температурного шва, в местах примыкания продольных и поперечных капитальных стен, на поперечных стенах в местах пересечения их с продольной осью, на несущих колоннах. Осадочные марки по периметру располагают через 15 м по продольным и поперечным осям. В среднем на 100 м2фундаментной плиты закладывают одну марку. 2.9. Конкретное расположение осадочных марок в нижней части здания или сооружения, а также конструкции марок приводят в техническом задании на мониторинг и в ППГР, согласованном с проектной организацией. Высотная основа на монтажных горизонтах может входить в состав деформационной сети и использоваться для контроля отклонения построенной части от вертикали и контроля сжатия или усадки колонн (стен) и бетонных конструкций по мере возведения строительных конструкций здания. Передача высоты с внутренней высотной основы исходного горизонта на монтажный может передаваться методом геометрического нивелирования с применением двух нивелиров и стальной (компарированной) рулетки (20, 50, 100 м) с соответствующим натяжением. Измерения превышений между исходным и монтажным горизонтами производят двумя нивелирами с одновременным взятием отсчетов по рулетке. Контроль передачи высоты может производиться лазерными рулетками (ручными лазерными дальномерами). При контроле отклонений от вертикали наземной части здания применяют способы определения крена по результатам нивелирования на исходном и монтажном горизонтах с помощью оптических квадрантов, наклонного проектирования, координат. На контрольных монтажных горизонтах (в зависимости от метода измерения отклонений от вертикали) размещают:  закладные пластины для измерений оптическим квадрантом;  специальные марки для наклонного проектирования;  триппельпризменные или пластиковые отражатели. Металлические закладные пластины с фрезерованными поверхностями размером 200 × 200 мм для измерения наклонов наблюдаемых конструкций устанавливают вдоль продольных и поперечных осей высотного здания. Отклонения от вертикали измеряют оптическим квадрантом КО-10. Для измерения кренов надземной части сооружения методом наклонного проектирования или методом координат в процессе его возведения вдоль выбранных поперечных и продольных осей с внешней стороны здания в верхней и нижней частях закрепляют триппельпризменные пластиковые отражатели или специальные рейки или марки (рис. 28). На местности в створе марок фиксируют постоянные точки стояния теодолита или электронного тахеометра. Ориентирная метка, позволяющая использовать рейку при координатном способе наблюдения кренов Рисунок 28. Специальная рейка для наклонного проектирования теодолитом или электронным тахеометром. Постоянные точки стояния инструмента располагают на расстоянии не менее высоты здания и закрепляют специальными костылями, забитыми в землю, или дюбелями, забитыми в бетон или асфальт. При координатном способе координаты деформационных марок определяют из прямых угловых или линейно-угловых засечек с использованием тахеометра. При применении наклонного проектирования используют астрономический теодолит ДКМ-3А, выпускаемый швейцарской фирмой «Kern Appay», или другой аналогичный по точности прибор. Использование астрономических теодолитов или электронных тахеометров с окулярной насадкой позволяет сократить расстояние между точкой стояния прибора и зданием. Независимо от метода все измерения отклонений от вертикали строительных конструкций высотного здания производят только в безветренную, желательно пасмурную погоду. При измерениях фиксируют направление и скорость ветра. 4.2. Особенности геодезического мониторинга большепролетных зданий и сооружений К уникальным большепролетным зданиям и сооружениям относятся здания и сооружения с конструкциями покрытия без промежуточных опор пролета свыше 36м ( 60/100 м) - сплошные и стержневидные оболочки, купо- ла, вантовые, тонколистовые(мембранные) и тентовые покрытия, стержневые пространственные конструкции (структуры), перекрестные системы, а также традиционные конструкции больших пролетов: фермы, рамы, арки и т.п. Основными контролируемыми элементами большепролетных зданий и сооружений являются: главные несущие конструкции плоскостных систем (колонны, балки, арки, рамы, фермы и. т.д.),опорный контур и несущие конструкции пространственного покрытия. При мониторинге большепролетных уникальных зданий и сооружений определяют следующие виды деформаций: а) фундамент - несущие колонны:  абсолютная осадка S;  средняя осадка Sср;  неравномерная осадка ΔS;  относительная неравномерная осадка ΔS/L, отнесенная к расстоянию между ними;  горизонтальные смещения (сдвиги); б) опорный контур (ОК) пространственных конструкций:  абсолютные и относительные планово-высотные деформации вхарактерных точках ОК;  изменение геометрических характеристик контура в плане  (диаметр, длины главных осей, длины сторон и т.д.);  прогибы несущих элементов ОК; в) несущие конструкции пролетной части пространственного покрытия (оболочка):  изменение прогиба в характерных точках, в том числе расположенных по основным осям. При постановке геодезического мониторинга большепролетных зданий и сооружений и выборе методов измерений учитывают возможность проявления деформаций от следующих факторов:  неравномерные осадки основания и фундаментов;  постоянные нагрузки (собственный вес конструкций и кровли, технологические нагрузки, воздействия, связанные с этапами монтажа конструкции, и т.п.);  изменение суточной и сезонной температуры воздуха;  ветровая нагрузка;  вес снега;  односторонний солнечный нагрев. Снеговая и ветровая нагрузки являются одним из наиболее опасных факторов, способных вызвать разрушение сооружения. Поэтому одновременно с проведением геодезического мониторинга должен проводиться и метеорологический мониторинг, включающий в первую очередь измерения силы и направления ветра, толщины и плотности снегового покрова на покрытии. В первый год эксплуатации геодезические измерения следует проводить четырьмя циклами, привязанными к сезонам года:  в апреле - после освобождения покрытия от снега;  в июле - для определения влияния положительных температурных воздействий;  в октябре - при минимальных суточных перепадах температуры воздуха;  в феврале - при максимальном снеговом покрове. Предельные перемещения наблюдаемых конструкций большепролетных сооружений представлены в таблице 1. Для вычисления деформационных характеристик геодезические измерения нужно выполнять со среднеквадратическими погрешностями:  измерение осадок фундаментов и несущих колонн - 1 мм;  измерение планово-высотных деформаций металлоконструкций -5 мм;  измерение прогибов пролетной конструкции (оболочки) - 10 мм. Для уникальных зданий и сооружений предельные перемещения определяются генпроектировщиком на основании специальных расчетов. Таблица 1 Тип конструкции Балки, рамы, арки Структурные плиты Вспарушенные покрытия (оболочки, купола, своды и т.п.):  пролетная конструкция  опорная конструкция Висячие покрытия (вантовые Относительные предельные перемещения вертикальные горизонтальные L/300 L/500 - L/500 - - H/300 Примечания L - пролет L - макс пролет L - макс, пролет H - высота здания конструкции, висячие оболочки, мембраны и т.п.):  пролетная конструкция  опорная конструкция L/100 - - H/150 L - макс, пролет H - высота здания Типовая схема геодезического мониторинга большепролетного сооружения представлена на рис. 29. Она включает в себя закладку вне зоны деформаций сооружения куста глубинных реперов и создание высотной деформационной сети внутри сооружения. Рисунок 29. Типовая схема геодезического мониторинга большепролетного сооружения 1 - исходная высотная основа; 2 - привязочный нивелирный ход; 3 -марка высотной деформационной сети на колоннах; 4 - планово-высотная деформационная марка на опорном контуре и покрытии В отличие от типовой схемы геодезического мониторинга объекта для большепролетных сооружений дополнительно предусматривают наблюдения за несущими конструкциями. Для этого внутри сооружения на трибунах или в основании несущих колонн создают опорную планово-высотную сеть, относительно которой выполняют наблюдения за смещениями деформационных марок, закрепленных на несущих конструкциях покрытия. В приложении 7 приведен пример геодезического мониторинга спортивного сооружения с мембранным покрытием и футбольного стадиона с вантовой системой подвески навеса над трибунами. Исключительно важным элементом геодезического мониторинга в процессе строительства является инструментальный контроль за деформациями несущих конструкций при раскружаливании. Процесс раскружаливания связан со снятием элементов покрытия с временных опор и включением их в работу. Измеряемые в это время деформационные характеристики важны для определения фактической несущей способности конструкций путем сравнения их с расчетными величинами. В ходе эксплуатации сооружения основное внимание должно быть уделено наблюдению за деформациями покрытия в зимний период. В это время наиболее серьезный внешний фактор воздействия на сооружение - снеговая нагрузка. Сравнение фактических деформаций покрытия с расчетными позволяет оценить достоверность расчетной модели сооружения и определить его предельное напряженно-деформированное состояние. Конкретное расположение осадочных деформационных марок в контролируемых точках и их конструкцию приводят в техническом задании на мониторинг, составляемом при участии проектной организации. Число и размещение деформационных марок, необходимых для мониторинга, зависит от размера пролета и конструктивных особенностей большепролетной конструкции. При разработке требований по числу и размещению деформационных марок, необходимых для мониторинга, следует иметь в виду, что прогибы пролетной конструкции и горизонтальные перемещения опорного контура пространственных систем являются интегральными(обобщенными) характеристиками, определяющими не только деформированное, но и напряженное состояние сооружения. Поэтому число и размещение деформационных марок определяются требованием получения по результатам натурных наблюдений достаточно полной картины напряженнодеформированного состояния основных элементов покрытия.. Так как каждое уникальное большепролетное сооружение индивидуально, то и требования к числу и размещению деформационных марок, необходимых для мониторинга, разрабатываются для конкретного объекта с учетом его напряженно-деформированного состояния по результатам расчета. 5. МЕТОДЫ И СПОСОБЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ИЗМЕРЕНИЙ ВЫСОТНЫХ И ПЛАНОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ В ПРОЦЕССЕ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА 5.1. Методы измерения высотных смещений Основными методами высотного геодезического мониторинга деформаций инженерных сооружений являются геометрическое и тригонометрическое нивелирование. Наиболее широко распространен метод геометрического нивелирования с применением коротких визирных лучей (S = 3-25м). Высокая точность и быстрота измерений превышений на станции, большой выбор компактных, точных нивелиров, возможность выполнять наблюдения в стесненных условиях строительства делают этот метод практически универсальным. Метод тригонометрического нивелирования позволяет определять осадки точек, расположенных на разных высотах и недоступных при производстве работ геометрическим нивелированием. Необходимой точности можно добиться, используя высокоточные теодолиты и электронные тахеометры, при измерении короткими визирными лучами, не превышающими 100 м, а также выбирая условия наблюдений, позволяющие уменьшить влияние вертикальной рефракции. 5.2. Высокоточное геометрическое нивелирование коротким визирным лучом Высокоточное геометрическое нивелирование коротким визирным лучом выполняют нивелирами с контактным уровнем или с самоустанавливающейся линией визирования. Используют оптические Н-05, Ni004, Ni002 нивелиры и другие типы нивелиров, аналогичные по точности, прошедшие сертификацию на соответствие требованиям «Инструкция по нивелированию I, II, IIIи IV классов» ГКИНП (ГНТА)-03-010-03. При высокоточном геометрическом нивелировании коротким визирным лучом используют штриховые и кодовые инварные рейки длиной 1,5-1,75 м (ГКИНП (ГНТА)-03-010-03). Геометрическое нивелирование во всех циклах выполняют по одной и той же схеме измерений. Нивелирование выполняют из середины, места установки нивелира маркируют. В каждом цикле измерений соблюдают следующие требования:  применяют одни и те же инструменты и рейки;  рейки нумеруют и устанавливают на одни и те же марки или реперы. При расчете погрешностей измерений геометрическим нивелированием коротким лучом учитывают рекомендации ГОСТ 24846-81, по которым допустимая погрешность измерения вертикального перемещения не должна превышать:  1 мм - для здании и сооружений, уникальных и длительное время находящихся в эксплуатации, возводимых на скальных и полускальных грунтах;  2 мм - для зданий и сооружений, возводимых на песчаных, глинистых и других сжимаемых грунтах. Перед началом цикла измерений и в конце его обязательно проверяют главное условие нивелира (угол i).Величина угла i в нивелире не должна превышать 5,0". Угол i проверяют на специальном стационарном стенде, оборудованном в помещении. Программа измерений на кусте глубинных реперов следующая: берут отсчеты последовательно на каждый из реперов I, II, III. Заканчивают прием измерений повторным отсчетом на начальный репер I, который делают для контроля устойчивости инструмента в процессе измерений и в обработку не включают. Затем процесс измерений повторяют при другом горизонте инструмента. Привязочный нивелирный ход от куста реперов до ближайшей марки осадочной сети прокладывают при двух горизонтах инструмента с использованием стандартных реек с инварной полосой. Нивелирование по осадочным маркам фундаментов(перекрытий) зданий с использованием инварных реек и поосадочным шкаловым маркам, закрепленным на вертикальных поверхностях несущих конструкций, проводится при двух горизонтах инструмента. При нивелировании по осадочным шкаловым маркам отсчет по возможности берут по одному и тому же штриху, для чего марки устанавливают на один горизонт с погрешностью 2,5мм. Установку визирной оси зрительной трубы нивелира на заданный горизонт удобно производить с помощью прецизионной нивелирной подставки. Последовательность работ на нечетной станции в ходе одного направления (для оптических нивелиров с самоустанавливающейся линией визирования) следующая:  штатив нивелира центрируют над маркированной точкой, соответствующей равенству визирных лучей;  приводят нивелир в рабочее положение с помощью установочного уровня, при этом зрительная труба направлена на заднюю рейку;  с помощью прецизионной нивелирной подставки визирную ось нивелира выводят на рабочий горизонт;  устанавливают барабан на отсчет 50;  вращением барабана точно наводят биссектор на ближайший штрих шкалы задней рейки и делают отсчет З -(по рейке и барабану);  наводят зрительную трубу на шкалу передней рейки, производят отсчет П;  с помощью подъемных винтов нивелира изменяют высоту нивелира на 1-3 мм, приводят уровень в нуль-пункт;  делают отсчет П по шкале передней рейки;  наводят зрительную трубу на шкалу задней рейки и производят отсчет З;  в процессе наблюдений отсчеты по барабану микрометра берут до 0,1 деления, а превышения вычисляются до 0,01 мм. Результаты наблюдений записывают в журнал (приложение 10). При наблюдении на четной станции последовательность работ следующая: П З З П , где П - отсчет на переднюю рейку при приведении пузырька уровня на середину, З - отсчет на заднюю рейку, З -отсчет на заднюю рейку при проведении пузырька на середину, П- отсчет на переднюю рейку. При использовании цифровых нивелиров последовательность работы на станции аналогична работе с оптическим нивелиром. В цифровом нивелире должен быть установлен параметр – измерение методом чередования (ЗППЗ, ПЗЗП). При переходе от прямого хода к обратному вместо четной рейки на одноименном пункте используют нечетную, и наоборот. Для исключения ошибок за ноль рейки рекомендуется измерения выполнять одной рейкой. При работе на станции должны выполняться допуски, указанные в таблице 2. Таблица 2 - Технические характеристики и требования высокоточного геометрического нивелирования коротким лучом Технические требования Уникальные здания, Здания и сооружения, и характеристики здания, длительное вревозводимые на песчамя эксплуатируемые, ных, и других сжимаевозводимые наскальных мых грунтах и полускальных грунтах Максимальная длина 25 25 визирного луча, м Средняя квадратическая 0,07 0,2 погрешность превышения на станции mhcp, мм Допустимое неравен0,3 0,3 ство расстояний от нивелира до реек, м Допустимое расхожде0,14 0,4 ние превышений, полученных при двух горизонтах инструмента, мм Допустимая невязка в 0,14 n 0,4 n полигоне, мм Средняя квадратическая 0,3 1,0 погрешность суммы превышений на 1 км хода, Расчет точности вертикальных смещений, определяемых тригонометрическим нивелированием 5.3. Среднюю квадратическую погрешность превышения, определенного тригонометрическим нивелированием, вычисляют по формуле: mh2  ms ctgz  2    2 105  2  m z S   mk S  2 2 2      m  m  i l 2  2   sin z   2 R sin Z  (16) где ms, mz, mk, mi, ml- средние квадратические погрешности определения соответственно горизонтального расстояния между пунктами S, зенитного расстояния Z, коэффициента k вертикальной рефракции, высоты теодолита i и визирной цели l. В формуле (17) два последних члена не учитывают при условии постоянства от цикла к циклу высоты инструмента и визирной цели. Третий член в формуле (4.11) при S = 200 м и mk= 0,05 близок к нулю и может также не учитываться. Вертикальные смещения наблюдаемых точек вычисляют как разность превышений, определенных в начальном и текущем циклах измерений по формуле: h j  h j  h 0j  S j ctgZ j  S 0 ctgZ 0 (17) Для оценки точности вертикальных смещений используют формулу: m2hi  mS2i ctg 2 Z j  mS20 ctgZ 0  S 2j mZ2i  sin Z j 2 4  S 02 mZ20  2 sin 4 Z 0 (18) При mZj= mZ0= mZ, sinZj = sinZ0= sinZ, ctgZj= ctgZ0= ctgZ и Sj=S0= S формула (18) имеет вид: mh  2 2 S 2 mZ2    2 mS ctg Z  2  sin 4 Z   (19) При заданных S = 50 м, Z = 60°, mZ= 2,0", ms= 2,3 мм средняя квадратическая погрешность определения вертикального смещения составит mδh= 1,9 мм. Величину вертикального смещения марки для контроля необходимо определять с двух пунктов. Полученная в этом случае величина погрешности mh  1,3 мм находится в пределах требуемой точности определе2 ния осадок. Для оценки точности определения высоты точки способом, описанным в пункте 4.1.3.6,а, приняв mβА≈ mβB≈ mβ;mvA≈ mvB≈ mv, имеем: mh(ср)  mh2 2    m  h      b     2  mb m      0,5  sin 2  2    2     ctg  B  ctg  A   B 2  ctg 2  A   B    (20) Так как высота точки определяется дважды, то можно ожидать, что ошибка среднего результата будет в 2 раз меньше. Для оценки точности определения высоты точки , имеем: 2 2 mhNC 2  sin 1 sin 2  2  sin 1 cos 2   mS    mhMN        sin    sin      2 1  2 1  2  S sin 2  2  hMN sin 2 cos 2  m21    2 2   sin  2  1     (21) 2  S sin 2  1  hMN sin 1 cos 1  m22   2   2 sin  2  1    5.4. Способы измерения плановых смещений Плановый геодезический мониторинг предусматривает измерение горизонтальных смещений сооружений, зданий и их конструктивных элементов. Основными способами измерения плановых (горизонтальных) смещений являются линейно-угловые измерения и боковое нивелирование. Линейно-угловые построения применяют при изучении деформаций сооружений и их отдельных элементов (опорный контур, элементы перекрытия, звенья арок и сводов и т.д.) в тех случаях, когда наблюдаемые точки располагаются на разных высотах, которые, как правило, труднодоступны. Способ бокового нивелирования применяют для контроля поперечных горизонтальных смещений сооружений и конструктивных элементов прямолинейной формы. 5.5. Способ бокового нивелирования Горизонтальные смещения строительных конструкций определяют относительно основного монтажного створа, закрепленного опорными точками А и В (рис. 30). В случае отсутствия прямой видимости для измерений необходимо задать смещенный створ, параллельный основному и расположенный на минимально возможном расстоянии l от него. Рисунок 30. Измерение горизонтальных смещений строительных конструкций колонн способом бокового нивелирования 1 - теодолит; 2 - визирная марка; 3 - рейка; 4 - основной створ; 5 смещенный створ; 6 - наблюдаемые точки Порядок работы следующий: 1) в точке А устанавливают теодолит, задают прямой угол ВАС и в створе АС фиксируют временную точку С на расстоянии 5-10 м; 2) над точкой С устанавливают штатив с трегером и центрируют; 3) из трегера в точке А вынимают теодолит и устанавливают над точкой С; 4) над точкой А устанавливают визирную цель (марку); 5) в створе линии АС, в точке А' устанавливают штатив с трегером по возможности на минимальном расстоянии от точки А, трегер выставляют в вертикальное положение; 6) в трегеры над точками А и А' вставляют вкладыши с перекрестиями для точных линейных измерений и измеряют расстояние между ними компарированной рулеткой. Делают три приема измерений, если определяемые расстояния не отличаются более чем на 0,5 мм; 7) полученное расстояние l аналогичным образом откладывают от точки В; 8) заданный вспомогательный створ А'В' закрепляют постоянными знаками в полу; 9) теодолит устанавливают над точкой А' и ориентируют на точку В'; 10) металлическую рейку, снабженную игольчатой пяткой, последовательно устанавливают в места, предназначенные для измерений, и горизонтируют по цилиндрическому уровню, закрепленному на рейке. При каждой установке рейки по ее шкале берут 3 отсчета (при двух кругах). Основными погрешностями бокового нивелирования являются:  погрешность разбивки смещенного створа mств;  погрешность центрирования теодолита и визирной цели;  погрешность установки рейки перпендикулярно основному монтажному створу АВ;  погрешность отсчета по рейке. Общую погрешность способа вычисляют по формуле: 2 m 2  mств  mц2  m 2рейк  m02 (22) Средняя квадратическая погрешность разбивки параллельного створа складывается из погрешностей построения прямого угла и расстояния l: mств  ml2  m     2  2  l  (23) При ml= 0,5 мм, mβ= 15,0'', l = 500 мм получим mств= 0,51мм. Среднюю квадратическую погрешность установки рейки перпендикулярно к створу вычисляют по формуле: mж  l 2 2 (24) 2 где v - угол отклонения рейки от перпендикулярного положения. При v = 2° и l = 500 мм получим mж= 0,2 мм, 4.2.1.5. Влияние средней квадратической погрешности центрирования и установки визирной цели определяют по формуле: 2 e  d  d  mц  1      2  s s 2 (25) где d - расстояние от теодолита до определяемой точки; s - расстояние между исходными точками (длина створа); е - средняя квадратическая величина линейного элемента центрирования. При е = 1,0 мм, d = 25 м, s = 50 м имеем mц= 0,5 мм. Средняя квадратическая погрешность отсчета по рейке не превышает величины mo = 0,5 мм, а общая погрешность способа m составит ~ 1 мм. Полученная величина не превышает требуемой точности определения горизонтальных смещений по ГОСТ24846-81. 5.6. Способы линейно-угловых измерений К способам линейно-угловых измерений относят:  способ полярных координат;  прямую линейно-угловую засечку;  обратную линейно-угловую засечку. В способе полярных координат положение деформационной марки определяется измерением направления АС (рис. 31) и горизонтального расстояния S c помощью электронного тахеометра. Точность данного способа определяют, используя следующие формулы: m2  m 2 x  mS2 cos 2   S 2 sin 2    2   2 2 2 2 2 2 m  m y  mS sin   S cos   2  (26) Из предрасчета точности определения координат деформационной марки с использованием конкретных данных (α =45°, S = 50 м, mS = 2,0 мм, mα = 2,0") имеем mх= mу= 1,45 мм. Рисунок 31 Схемы линейно-угловых измерений а - полярных координат; б - прямой линейно-угловой засечки; в обратной линейно-угловой засечки □ - исходный пункт; О - определяемый пункт (деформационная марка) Точность определения горизонтального смещения марки по осям координат, определенного из двух приемов при указанных выше данных, будет характеризоваться средними квадратическими погрешностями mδx= mδy= 2,0 мм. Полученная величина не превышает допускаемую погрешность определения горизонтальных смещений (ГОСТ 24346-81). Способ прямой линейно-угловой засечки заключается в определении планового положения деформационной марки из измерений углов β1 и β2 и расстояний S1 и S2. Пример построения прямой линейно-угловой засечки приведен на рисунке 4.3, б. На каждую контролируемую точку измерение выполняют электронным тахеометром минимум с двух пунктов геодезической сети. На рис. 32 показан случай использования прямых и обратных линейно-угловых засечек. Уравнивание деформационной сети выполняют на ЭВМ.Программа уравнивания должна предусматривать оценку точности координат всех пунктов. Рисунок 32 Пример использования линейно-угловых засечек при проведении планового геодезического мониторинга 1 - объект мониторинга; 2 - здания или сооружения, положение которых является стабильным; 3 - стенной исходный плановый знак; 4 - место стояния электронного тахеометра; 5 -деформационные марки на несущих строительных конструкциях, по которым определяют их смещения в плане Обратную линейно-угловую засечку (рис. 4.3, в)используют при привязке к исходной основе пунктов плановой деформационной сети, если над ними беспрепятственно устанавливается прибор, или при определении местоположения произвольной точки стояния прибора, с которой в дальнейшем наблюдаются марки деформационной сети. Обязательным условием является хорошая видимость на исходные пункты и углы при определяемой точке не менее 30°. При использовании тахеометра выбирается необходимая программа измерений и последовательно вводятся координаты исходных точек (минимум двух или трех в зависимости от модели тахеометра). После наведения на исходные точки и обработки результатов измерений встроенной в тахеометр программой на экран выводятся координаты определяемой точки и средние квадратические погрешности определения данных координат. При использовании теодолита на определяемой точке измеряют углы между исходными пунктами и расстояния до этих пунктов. Обработку результатов выполняют в камеральных условиях. Если число исходных пунктов три и более, можно использовать угловую засечку вместо линейноугловой. В этом случае теодолитом(тахеометром) измеряют только углы между исходными пунктами. 5.7. Способы определения кренов Измерение крена высотного сооружения в начальный период строительства состоит в измерении крена его фундамента методом нивелирования закрепленных на нем деформационных марок. Зная расстояние l между осадочными деформационными марками, крен в линейной мере при высоте здания Н вычисляют по формуле: q S l H (26) где ΔS = Si+l - Si- разность превышений между марками в начале ив конце периода наблюдения за креном фундамента. Крен q определяют по двум взаимно перпендикулярным направлениям строительных осей здания. Полную величину крена и его дирекционное направление вычисляют по формулам: Q 2  q x2  q 2y (27) tg Q  q y / q x (28) В последующие этапы строительства в зависимости от загруженности территории дополнительно используют следующие способы определения крена наземной части сооружения:  координат;  наклонного проектирования;  по результатам нивелирования и обработки с использованием вероятнейшей плоскости на контролируемых горизонтах;  с помощью оптического квадранта. 4.2.3.1. В способе координат с двух пунктов полигонометрического хода (внешняя сеть) через определенные промежутки времени прямой линейноугловой засечкой определяют координаты визирной марки, закрепленной на сооружении. По разностям координат между текущим и начальным циклами вычисляют составляющие крена за промежуток времени между циклами: q x  x j  x0    q y  y j  y0   (29) Полную величину крена вычисляют по формуле (4.22), а его направление - по формуле (30). Среднюю квадратическую погрешность определения крена с двух опорных пунктов вычисляют по формуле: m (30) m0  2 S12  S 22  sin  где γ - угол засечки, который должен быть не менее 30°; S1, S2 - см.   Рисунок 33 Способ наклонного проектирования 5.8. Способ наклонного проектирования На двух взаимно перпендикулярных осях сооружения закладывают постоянные пункты I и II (рис. 33). На эти пункты периодически устанавливают теодолит и проектируют видимую верхнюю точку сооружения на некоторую плоскость в основании сооружения. В этой плоскости, перпендикулярной к коллимационной плоскости теодолита, устанавливают горизонтальную рейку, пятка которой однозначно фиксируется в каждом цикле измерений. При измерениях верхнюю точку сооружения проецируют на плоскость рейки (см. рис. 2.2). Для определения полной величины крена производят одновременные наблюдения верхней точки с пунктов I и II и переходят от составляющих q1 и q 2 в центральной проекции к ортогональным величинам q1 и q2. В соответствии с рис. 33: S1  d1   S2  q2  q2 d 2  q1  q1 (31) где d1, d2 - измеренные расстояния до реек; S1, S2 - расстояния от пунктов I и II до наблюдаемой точки. Величина крена Q и его направление с достаточной точностью определяются по правилу параллелограмма по формулам (4.22), (4.23). Если угол засечки менее 90°, то полную величину крена вычисляют по формуле: Q 1 sin  q12  q22  2q1q2 cos  (32) Проектирование верхней точки выполняют по следующей методике. При круге лево визируют верхнюю точку сооружения, берут отсчеты по горизонтальному кругу теодолита и по концам пузырька накладного уровня. Закрепив трубу в горизонтальной плоскости, в вертикальной наводимся на рейку. Сняв отсчеты по накладному уровню, исправляем поправкой Δ отсчет по горизонтальному кругу и снимаем отсчет по рейке PL. Аналогичные действия повторяют при круге право и снимают отсчет PR, Среднее из PLи РR соответствует проекции верхней точки сооружения на нижнюю горизонтальную плоскость. Поправка Δ в направление за наклон основной оси инструмента вычисляется по формуле:  где b  2tgZ (33) b - наклон оси, выраженный в полуделениях; τ"/2 - цена полуделения уровня. Наклон оси b вычисляют по формуле: b 0 Л  П   Л  П 0  2 (34) где (Л+П)0 - сумма отсчетов по левому и правому концам пузырька для случая, когда нуль шкалы находится справа от направления теодолит - визирная цель, 0(Л+П) - когда нуль слева (при другом круге). М Л1  Л 2   П1  П2  2 (35) где Л1 и П1 - отсчеты уровня по левому и правому концам пузырька в первом полуприеме; Л2 и П2 - во втором полуприеме. Эти формулы справедливы для случая, когда нуль шкалы уровня находится на краю ампулы. В случае иной подписи делений на ампуле уровня наклон оси b вычисляют по другим формулам. Среднюю квадратическую погрешность крена в этом случае вычисляют по формуле: mQ mq 2 mq  S mlcp d (36) где mlcp- средняя квадратическая погрешность отсчета по рейке, взятого при двух кругах наведения. Способ определения крена по результатам нивелирования и обработки с использованием вероятнейшей плоскости применяется, когда невозможно определять крены с пунктов наземной сети из-за значительной высоты сооружения (H > 150 м). В этом случае на исходном и i-м монтажном горизонтах закладывают не менее 8 осадочных марок. Определяют координаты всех марок в единой системе с точностью до 0,1 м. Передачу отметок с исходного на контролируемый горизонт выполняют двумя нивелирами и компарированной рулеткой с погрешностью 0,5 мм. Выполняют нивелирование осадочных марок на исходном и i-м горизонтах. В последующих циклах - только нивелирование на i-м монтажном горизонте. По результатам нивелирования осадочных марок, заложенных на исходном горизонте и на контролируемом горизонте, находят абсолютные осадки каждой марки по формуле: Sj= Hj– H0 (37) Решение задачи по определению кренов указанных горизонтов выполняют в следующей последовательности: 1) находят центральные координаты хц и уц с точностью 0,1 м; 2) вычисляют параметры вероятнейшей плоскости а, в и с; 3) по параметрам в и с находят угловую величину полного крена φ и угол α, характеризующий направление полного крена; 4) вычисляют величины частных и полного крена с оценкой точности на каждом из горизонтов; 5) по разностям параметров а, в и с, полученных на i-м и исходном горизонтах, вычисляют изменения средней осадки, частных и полного кренов. . Таблица 3 - Предрасчетные точности основных видов измерений и реконструкции по применению их при геодезическом мониторинге Вид измерений, используеСр. Рекомендации по применемые геодезические приборы кв.погрешность нию (СКП), мм Высокоточное геометричеСоздание опорной и дефорское нивелирование коротмационной высотной сети, ким визирным лучом (S = 6наблюдения за осадками и 25м) кренами фундамента Высокоточные нивелиры:  на 1 км двойного хода 0,3  превышение на станции 0,07 Полярный способ определение координат х,у Линейно-угловые засечки:  прямая засечка  обратная засечка Электронные тахеометры(mβ = 5", mS = 2 мм) 2,0 1,0-1,5 1,5-2,0 Наблюдения за плановыми смещениями Боковое нивелирование Точные теодолиты (mβ =2,0") 1,0-2,0 Наблюдение за горизонтальными поперечными смещениями Наклонное проектирование Наблюдения за кренами Астрономический теодолит с накладным уровнем (mβ =0,7-1,0") или электронный тахеометр аналогичной точности Тригонометрическое нивелирование (S < 100 м) 0,5-1,0 Наблюдения за покрытиями большепролетных сооружений Электронные тахеометры(mZ = 2", mS= 2 мм) превышение на станции 2,0 Полигонометрические ходы Электронные тахеометры(mZ = 2", mS= 2 мм) Создание опорных сетей 1:25 000 6. СОСТАВ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ВЫСОТНЫХ И БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ 6.1. Порядок проектирования, разработки и создания автоматизированных систем контроля (АСК) деформаций в процессе эксплуатации Необходимость создания автоматизированной системы контроля деформации в процессе эксплуатации определяют генеральный проектировщик, заказчик, орган экспертизы проекта и надзорный орган. К проектированию и разработке автоматизированных систем мониторинга строительных конструкций привлекают организации, обладающие научно-техническими кадрами с профильным образованием, необходимой приборноинструментальной базой и метрологической лабораторией, аккредитованной Ростехрегулированием и строительными лицензиями по направлению деятельности «Проектирование». Работы по проектированию, разработке и созданию автоматизированных систем контроля (АСК) осуществляют на основании договора с заказчиком строительства, генпроектировщиком или службой эксплуатации сооружения. Финансирование работ по созданию автоматизированных систем контроля должно быть предусмотрено в сводной смете на проектирование, строительство или реконструкцию объекта. Состав и объем работ по проектированию, разработке и созданию автоматизированных систем контроля (АСК) определяет «Техническое задание». Возможно составление отдельных технических заданий на проектирование и изготовление. Техническое задание на проектирование автоматизированных систем контроля (АСК) предусматривает следующие разделы:  цель работ;  состав системы;  основные метрологические характеристики системы;  состав проектной документации;  сроки выполнения работ;  результаты работ. На основании технического задания разрабатывают «Проект АСК» в составе:  исходные данные и особенности конструкции сооружения;  рассмотрение вариантов решения задачи;  выбор основного варианта системы;  пояснительная записка (принципиальная схема измерений, состав системы, установочное оборудование системы, измерительное оборудование, рабочее место оператора, программное обеспечение);  алгоритм работы автоматизированной системы;  расчет точности системы;  метрологическое обеспечение системы;  геодезическое обеспечение монтажа системы;  штаты и режим работы;  техника безопасности;  сметная часть;  спецификация. Точность системы должна обеспечивать измерение с погрешностью не более 0,2 величины деформации, допускаемой проектом. Рабочий проект системы детализирует технические решения «Проекта» в части мест крепления установленного оборудования, их конструкции, способа крепления, электрических схем системы и программного обеспечения. В «Рабочем проекте» приводят проектные координаты размещения установочного и измерительного оборудования системы и инструкцию по монтажу оборудования. Разработка автоматизированной системы ведется на основании ГОСТ 34.201-89; обязательными техническими документами являются «Руководство по эксплуатации системы» и «Паспорт системы». «Руководство по эксплуатации системы» должно содержать следующие разделы:  назначение системы;  технические характеристики системы;  состав системы;  устройство и работа системы;  подготовка системы к работе;  выполнение измерений в автоматическом режиме;  обработка и анализ результатов измерений;  текущее обслуживание системы;  техника безопасности. В «Паспорте системы» приводят:  общие сведения о системе;  основные технические данные и характеристики;  комплектность системы;  каталог исполнительных координат измерительного и установочного оборудования системы;  свидетельство о метрологической калибровке системы;  гарантийные обязательства;  исполнительную схему электрических соединений. Приемку автоматизированных систем контроля (АСК) в эксплуатацию производят в соответствии со СНиП 3.01.04-87. Одним из основных документов при приемке системы в эксплуатацию является Регламент системы, определяющий режим работы, таблицу расчета максимальных деформаций наблюдаемых точек, организацию передачи информации и правила поведения работников службы эксплуатации в экстремальной ситуации. 6.2. Автоматизированные системы геодезического мониторинга высотных зданий и сооружений В период эксплуатации мониторинг высотных зданий и сооружений проводят преимущественно с использованием автоматизированных систем на основе видео измерений. Автоматизированная система должна предусматривать измерения в реальном масштабе времени следующих геометрических параметров деформаций:  наклонов фундаментов, неравномерной осадки фундаментов;  отклонений от вертикали верха здания;  колебаний верха здания;  кручения верха здания. Для измерения наклонов фундаментов и неравномерной осадки фундаментов используют стационарную видеогидростатическую систему, для измерения отклонения от вертикали верха здания, колебаний и кручений верха здания - видеоизмерительную систему измерения колебаний и плановых смещений верха сооружения и стационарную автоматизированную систему контроля деформаций на основе обратных отвесов. Системы автоматизированного мониторинга должны обеспечивать точность измерения деформаций в зависимости от высоты здания. Вся информация в системе автоматизированного мониторинга выводится на экран монитора. Входящие в систему автоматизированного мониторинга измерительные датчики должны определять деформационные параметры прямыми непосредственными измерениями и иметь метрологические свидетельства. Наработка на отказ измерительных датчиков системы автоматизированного мониторинга не должна быть менее 25000 ч. При достижении предельных значений деформаций система автоматизированного мониторинга долж- на вырабатывать сигнал тревоги. Для контроля наклонов фундамента устанавливают измерительные пункты (железобетонные столбы 300 × 300 × 300мм, жестко связанные с фундаментом здания), которые располагают вдоль главных осей здания для измерения продольных и поперечных наклонов. По каждой из осей устанавливают не менее 5 измерительных пунктов. На измерительные пункты устанавливаются датчики, образующие гидростатическую систему, соединенную шлангами, заполненными специальной жидкостью. Измерительные датчики (видеодатчики) для измерения отклонения от вертикали верха здания, колебаний верха здания и кручения верха здания устанавливают на измерительные пункты(железобетонные столбы 300 × 300 × 1000 мм, жестко связанные с фундаментом здания), расположенные по диагонали здания. Измерительных датчиков (видеодатчиков) должно быть не менее двух. В верхней части здания на одной вертикали с измерительными датчиками устанавливают визирные марки. Между измерительными датчиками и визирными марками должна быть обеспечена прямая видимость. Для этой цели могут быть использованы лестничные проемы, лифтовые шахты, отверстия в перекрытиях и т.д. Диаметр сквозного отверстия для обеспечения прямой видимости должен быть не менее 500 мм. Измерительные датчики должны быть защищены кожухами (быть вандалозащищенными) и обеспечены электропитанием постоянным током с напряжением 12 В. Измерительные пункты связывают с центральным(диспетчерским) пунктом каналом связи, четырехжильным кабелем типа «витая пара». Центральный диспетчерский пункт оснащается компьютером, контроллером для ввода видеосигнала в компьютер и принтером для документирования информации. Системы автоматизированного мониторинга должны иметь возможность внутренней метрологической калибровки без демонтажа измерительных датчиков в любой момент времени. Стационарная видеогидростатическая система предназначена для измерения наклонов и неравномерной осадки фундаментов зданий. Работа стационарной видеогидростатической системы основана на принципе сообщающихся сосудов и обеспечивается компьютерной обработкой стандартных видеосигналов видеоуровнемеров, установленных в сосудах гидростатической системы. Работа стационарной видеогидростатической системы поясняется схемой рис. 34, на которой изображены две головки видеогидростатической системы 1 с видеоуровнемерами 2,соединенные друг с другом воздушным 3 и жидкостным 4шлангами, и компьютер 6 с установленным контроллером 5. Рисунок 34. Схема видеогидростатической системы Согласно схеме внутренний объем видеогидростатической системы изолирован от внешней среды (от перепадов атмосферного давления), что повышает точность измерений. Головки гидростатической системы устанавливают в контролируемых точках фундамента здания. На головках видеогидростатической системы устанавливают видеоуровнемеры, измеряющие бесконтактным способом уровень жидкости в головках. Работа видеогидростатической системы состоит в следующем. Выходные стандартные видеосигналы видеоуровнемеров по кабельным каналам передаются в компьютер, в котором контроллером преобразуются из аналоговой формы в цифровую. Полученные массивы данных вводятся в компьютер и обрабатываются в нем для получения искомых параметров измерений. Наклоны фундамента сооружения в направлении прямой, соединяющей точки крепления головок видеогидростатической системы, вычисляют по формуле:   arctg H  0 L (38) где ΔН - перепад уровней жидкости в головках видеогидростатической системы, измеренных видеоуровнемерами; L - расстояние между контролируемыми точками фундамента; φ0 - начальный угол наклона фундамента. Работа видеоуровнемера поясняется схемой рис. 35, на которой изображены видеодатчик 1, визирные цели 2 (круглые полупроводниковые светодиоды), установленные над жидкостью 3,и компьютер 4 с установленным в нем контроллером 5. Рисунок 35. Схема видеоуровнемера Визирные цели установлены вокруг видеодатчика на окружности заданного диаметра так, чтобы их изображения, отраженные от измеряемого уровня жидкости (ее поверхности),попадали в поле зрения видеодатчика, который формирует стандартный видеосигнал, содержащий эти изображения. Положение уровня жидкости вычисляют по формуле: H C  H0 D (39) где С - метрологическая постоянная; D - диаметр окружности, на которой располагаются центры изображений визирных целей в видеокадре; H0- начальное положение уровня жидкости в головке видеогидростатической системы. Состав стационарной видеогидростатической системы в зависимости от габаритов и конструкции фундамента здания может меняться. Типовой состав стационарной видеогидростатической системы следующий:  головка видеогидростатической системы с видеоуровнемером - 8 шт.  контроллер - 1 шт.  компьютер - 1 шт.  блок питания видеоуровнемера - 1 шт.  комплект кабелей - 1 шт.  компьютерная программа - 1 шт. Технические характеристики стационарной видеогидростатической системы программируются компьютерной программой. Типовая стационарная видеогидростатическая система обладает следующими основными техническими характеристиками:  диапазон измерений, мм - 100  погрешность измерений, не более, мм - 0,1  время измерения, не более, с/канал - 15  напряжение/ток питания видеоуровнемера от источника постоянного тока, В/мА - 12/150  габариты головки видеогидростатической системы с видеоуровнемером, диаметр/высота, не более, мм - 100/300 Конструктивные требования следуют из условия вандалозащищенности узлов стационарной видеогидростатической системы:  головки видеогидростатической системы и соединительные шланги должны быть защищены кожухами;  узлы крепления головок видеогидростатической системы и видеоуровнемеров должны быть опломбированы. Рисунок 36 Схема размещения головок видеогидростатической системы на фундаменте высотного здания 1 - головка видеогидростатической системы; 2 - компьютер с контроллером Основные требования к размещению и установке узлов стационарной видеогидростатической системы на фундаменте высотного здания следующие:  головки видеогидростатической системы устанавливают на железобетонных столбах ориентировочно размером 300 × 300 × 300 мм3, жестко связанных с фундаментом здания;  головки видеогидростатической системы размещают вдоль главных осей здания (для измерения продольных и поперечных наклонов фундамента). По каждой оси должно быть установлено не менее 5 головок видеогидростатической системы;  головки видеогидростатической системы не должны устанавливаться вблизи силовых агрегатов, создающих вибрацию, вблизи вентиляторов, создающих потоки воздуха;  соединительные (воздушные и жидкостные) шланги укладывают и закрепляют горизонтально в пределах ±10 мм. 6.3. Видеоизмерительная система измерения колебаний и плановых смещений верха сооружения Видеоизмерительная система предназначена для измерения:  плановых смещений верха здания;  колебаний верха здания;  кручения верха здания. Работа видеоизмерительной системы основана на компьютерной обработке стандартных видеосигналов видеодатчиков, в поле зрения которых находятся визирные марки. Работа видеоизмерительной системы поясняется схемой рис.37, на которой изображены визирная марка 7, установленная на заданной высотной отметке здания, видеодатчик 2, установленный на фундаменте сооружения, и компьютер 3 с установленным в нем контроллером. Оптические оси видеодатчиков установлены в вертикальном положении. Рисунок 37. Схема видеоизмерительной системы измерения колебаний и плановых смещений верха высотного здания Работа видеоизмерительной системы состоит в следующем. Выходные стандартные видеосигналы видеодатчиков по кабельным каналам передаются в компьютер, в котором контроллером преобразуются из аналоговой формы в цифровую. Полученные массивы данных вводятся в компьютер, обрабатываются в нем и вычисляются искомые параметры измерений. Для работы видеоизмерительной системы должна быть обеспечена прямая видимость между видеодатчиками и визирными марками во всем диапазоне измерений. Состав видеоизмерительной системы в зависимости от конструкции высотного здания может меняться. Типовой состав следующий:  видеодатчик, шт. - 2  контроллер, шт. - 1  компьютер, шт. - 1  блок питания видеодатчика, шт. - 2  комплект кабелей, шт. - 1  компьютерная программа, шт. - 1 Типовая видеоизмерительная система обладает следующими основными техническими характеристиками:  диапазон измерений в зависимости от высоты здания Н - Н:1000  точность измерений - Н:50000  время измерения, не более, с/канал - 15  напряжение/ток питания видеодатчика от источника постоянного тока, В/мА - 12/150  габариты видеодатчика, диаметр/высота, не более, мм - 120/250 Конструктивные требования следуют из условия вандалозащищенности узлов видеоизмерительной системы:  видеодатчики и визирные марки должны быть защищены кожухами;  узлы крепления видеодатчиков и визирных марок должны быть опломбированы. Основные требования к размещению и установке узловвидеоизмерительной системы (рис. 38) следующие:  видеодатчики должны устанавливаться на железобетонных столбах ориентировочно размером 300 × 300 × 1000 мм, жестко связанных с фундаментом здания;  видеодатчики не должны устанавливаться вблизи силовых агрегатов, создающих вибрацию, и вблизи вентиляторов, создающих потоки воздуха. Рисунок 38. Схема размещения видеодатчиков и визирных марок видеоизмерительной системы в высотном здании 1 - визирная марка; 2 - видеодатчик; 3 - компьютер с контроллером Метрологическую калибровку видеоизмерительной системы осуществляют без демонтажа видеодатчиков и визирных марок, для чего на заданных отметках высотного здания устанавливают не 1, а 2 визирные марки с контрольным расстоянием между ними. Калибровка признается положительной, если измеренное с помощью компьютерной программы расстояние между визирными марками на высоте Н совпадет с контрольным в пределах ±Н:50000. 6.4. Стационарная автоматизированная система контроля деформаций на основе обратных отвесов Стационарная автоматизированная система на основе обратных отвесов предназначена для измерения высотных и плановых смещений основания, фундаментов и строительных конструкций надземной части высотного здания в период строительства и эксплуатации. В отличие от других автоматизированных систем система на основе обратных отвесов может использоваться во время строительства, начиная с сооружения набивных свай, фундаментной плиты и затем, поднимаясь вверх вместе с надземными конструкциями, обеспечивая контроль плановых и высотных деформаций на всех стадиях в ручном режиме. Если обратный отвес снабдить спутниковым приемником GPS, то внутри высотного сооружения можно иметь хранитель координат. На стадии строительства используют обратный отвес со съемной верхней частью. Если прямой отвес занимает вертикальное положение под действием силы тяжести груза и его временная стабильность определяется верхней точкой закрепления, то обратный отвес занимает вертикальное положение под действием выталкивающей силы поплавка, а его временная стабильность определяется нижней точкой закрепления. При закреплении струны в стабильные грунты с помощью якоря получают стабильную вертикаль, относительно которой контролируется вертикальность конструкций. Общая схема обратного отвеса в скважине показана на рис. 39. Рисунок 39. Общая схема обратного отвеса 1 - ванна; 2 - поплавок; 3 - эстакада; 4 - механизм натяжения и крепления струны; 5 - струна; 6 - оголовок; 7 - обсадная труба; 8 -якорная труба; 9 якорь Стальная проволока диаметром 0,6-0,8 мм одним концом закреплена в скважине заданной глубины с помощью якоря. Верхний конец проволоки через шток и крестовину соединен с поплавком. Поплавок плавает в жидкости ванны и натягивает проволоку, благодаря чему она все время занимает отвесное положение. Для высотных измерений на проволоке укрепляют шкаловую марку. При смещении оголовка (часть отвеса, находящаяся над скважиной) проволока и поплавок останутся в первоначальном положении. Благодаря этому можно измерить смещение оголовка. Оголовок оборудован посадочным отверстием для установки координатомера. Координатомеры применяют для фиксации проволоки обратного отвеса. Используют переносные координатомеры (оптико-механические) на стадии строительства и стационарные (оптико-электронные) на основе видеоизмерений во время эксплуатации. Видеокоординатомер (ВКМ) предназначен для бесконтактного измерения положения струны прямого или обратного отвеса в системах мониторин- га плановых деформаций сооружений. Работа ВКМ основана на компьютерной обработке видеосигналов двух видеодатчиков, в поле зрения которых находится струна отвеса. Оптические оси видеодатчиков перпендикулярны друг другу и приведены в горизонтальное положение. Конструкция обратного отвеса со съемной верхней частью приведена на рис. 40. Рисунок 40. Схема якоря выдвижного обратного отвеса со съемной верхней частью а - рабочее положение; б - положение консервации; 1 - жидкость132-10; 2 груз; 3 - шаровая опора; 4 - центрирующий упор; 5 -струна; 6 - якорная труба; 7 - упор; 8 - скоба; 9 – натяжное устройство; 10 - крышка Использование обратного отвеса на стадиях установки сваи (а),возведения фундамента (б), монтажных горизонтов (в), возведения строительных конструкций надземной части и эксплуатации (г)показано на рис. 41. Рисунок 41. Схема использования обратного отвеса а - установка свай; б - возведение фундамента; в - на монтажном горизонте; г - после возведения здания; 1 - свая; 2 – обсадная труба; 3 - якорь; 4 - верхняя переносная часть с поплавком; 5 -координатомер; 6 - защитная труба; 7 фундамент; 8 – монтажный горизонт Якорь струны бетонируется в забое сваи. С помощью верхней переносной части натягивают струну и координатомером, жестко скрепленным с верхней частью сваи, измеряют плановые и высотные смещения и невертикальность сваи. После возведения фундаментов верхнюю часть обратного отвеса переносят на фундамент и измеряют деформации фундамента. При измерении деформаций строительных конструкций на монтажном горизонте верхнюю часть обратного отвеса и координатомер устанавливают на монтажном горизонте. Для защиты от ветровых потоков струна обратного отвеса проходит в защитной полихлорвиниловой трубе, которая устанавливается по мере возведения здания. Для удобства монтажа и демонтажа струна разрезана на части, которые соединяются с помощью ниппелей. После возведения наземной части здания верхняя часть обратного отвеса и координатомер устанавливаются стационарно в чердачном перекрытии. При закреплении координатомеров наверху сваи, на фундаменте и монтажном горизонте можно в реальном масштабе времени контролировать деформации всей системы «основание-фундаменты-наземная часть высотного здания». Для обеспечения автоматических измерений используют видеокоординатомер. Обратные отвесы широко применяют при мониторинге плотин гидростанций, в оборонной технике, там, где необходима долговременная стабильная база. Опыт многолетней эксплуатации показал, что среднюю квадратическую погрешность mп проектирования вертикали обратными отвесами можно предрассчитать по следующей экспериментальной формуле: mп = 0,0038Н + 0,015 (мм), (40) а долговременная стабильность не превышает 0,3 мм в год. Если подставить в формулу (40) высоту сооружения Н, то получим точность вертикали, которую реализует обратный отвес в пространстве. При Н = 500,0 м точность вертикали составляет 1,9мм. Технические характеристики системы на основе обратных отвесов следующие:  сила натяжения струны, Н - 160;  диаметр струны, мм - 0,6-0,8;  диапазон измерений в зависимости от высоты здания - (1:1000)Н;  точность измерений - (1:50000)Н;  время измерений, не более, с - 5;  напряжение/ток питания видеокоординатомера от источника постоянного тока, В/мА - 12/150;  габариты обратного отвеса, мм - Ø 480 × 1000;  габариты видеокоординатомера, мм – 300 × 300 × 300;  диаметр защитной трубы, мм – 200 - 300;  объем жидкости, л - 20. Основные требования к установке узлов автоматизированной системы контроля на основе обратных отвесов следующие:  конструкция якоря должна иметь возможность замены струны на другую с сохранением положения закрепления 0,1 мм;  якоря струн устанавливают на железобетонных столбах размером 400 × 400 × 1000 мм, жестко связанных с фундаментом здания;  струну обратного отвеса защищают асбестоцементной или полихлорвиниловой трубой Ø 200 - 300 мм;  координатомер располагают ниже соединения струны с поплавком на 0,8 м;  места закрепления струны в фундаменте и координатомера должны быть защищены кожухом и опломбированы. Размещение узлов аналогично рис. 6.5. Для метрологической калибровки во время эксплуатациив конструкцию видеокоординатомера включают эталонные маркии предусматривают режим периодической калибровки, которыйпроводят без демонтажа узлов системы. 6.5. Автоматизированная система контроля деформаций большепролетных сооружений на основе моторизованных электронных тахеометров Система автоматизированного контроля деформации на основе моторизованных электронных тахеометров предназначена для обеспечения безопасной эксплуатации строительных конструкций большепролетных сооружений. Система позволяет выполнять наблюдения в режиме реального времени за динамикой проявления деформаций опорного контура и покрытия большепролетных сооружений под воздействием техногенных факторов и метеоусловий в период эксплуатации. Действия системы основаны на бесконтактном оптическом измерении деформации строительных конструкций по трем координатам х, у и z с помощью моторизированного электронного тахеометра, работающего по заданной компьютерной программе. На рис. 42 приведе- на структурная схема системы. В системе в качестве деформационных марок используют триппельпризменные отражатели. Связь между электронным тахеометром и деформационными марками оптическая. Кроме кабеля между компьютером и тахеометром других проводных соединений в системе нет. Рисунок 42. Структурная схема автоматизированной системы контроля деформаций большепролетных зданий и сооружений 1 - моторизованный электронный тахеометр; 2 – деформационная марка; 3 компьютер Достоинства системы:  возможность выявления деформаций несущих конструкций на ранней стадии;  гибкость при размещении системы в архитектурном пространстве;  возможность размещения системы в период эксплуатации без дополнительных строительных работ;  метрологическая чистота;  возможность передачи результатов измерений по сети Интернет. Автоматизированная система контроля (система) состоит из измерительного оборудования, рабочего места оператора (РМО)(подсистемы сбора информации), установочного оборудования, каналов электрических соединений и программного обеспечения. Основным измерительным прибором в системе является высокоточный электронный тахеометр, имеющий сервопривод и систему автоматического наведения на деформационные марки, установленные на контролируемых конструкциях. Работа электронного тахеометра управляется программой, которая установлена на компьютере. Компьютер входит в состав РМО и связан с электронным тахеометром проводной связью. РМО предназначено для управления работой системы, сбора, хранения и математической обработки результатов измерения. Рекомендуемый состав оборудования на РМО: персональный компьютер, монитор, цветной принтер и блок бесперебойного питания. Установочное оборудование системы закрепляют стационарно. Оно включает:  опорные марки;  деформационные марки опорного контура;  деформационные марки на покрытии;  кронштейны под тахеометр;  метеорологические, геотехнические и др. датчики. Опорные марки состоят из корпуса и триппельпризменного отражателя (рис. 42) и являются реперными точками, задающими исходную основу системы. Их закрепляют на стабильных конструкциях. Рисунок 43. Опорные марки (реперные точки) Деформационные марки, за которыми ведутся наблюдения, служат для измерения деформации несущих металлоконструкций сооружения. К метеорологическим датчикам относятся датчики, фиксирующие температуру, давление, влажность. К геотехническим датчикам относятся датчики-дождемеры, уровня воды и др. Кронштейны под тахеометр (рис. 44) необходимы для его установки. Через кронштейн проходят кабели питания и управления электронного тахеометра к РМО. Программное обеспечение системы представлено следующими программами: GeoMoS Monitor и GeoMoS Analyzer. Первая служит для управления системой, вторая - для анализа и графического представления результатов измерений. В системе заложены возможности дистанционного управления циклами измерений, дистанционным доступом к разнообразным средствам связи и передачи информации (через Интернет, радиоканал, модем, электронную почту и пейджинговые сообщения). Рисунок 44. Кронштейн под электронный тахеометр Основные технические характеристики системы:  диапазон измерения деформаций, м - 3,5;  число деформационных марок - Не ограничено;  дальность, м - 200 ± 50;  погрешность измерений по трем координатам (х, у, z), мм - 2;  время одного цикла измерений, мин - 10. Автоматизированная система работает следующим образом. После приведения электронного тахеометра (табл. 4) на геознаке в рабочее положение в ручном режиме определяют исходные координаты опорных точек и деформационных марок. Таблица 4 - Основные технические характеристики моторизованных электронных тахеометров Наименование характеLEICA LEICA ристик ТС2003/ TRC1200 (TCRA, ТСА2003 TCRP) Точность измерения:  горизонтального угла,"  вертикального угла,"  расстояния, мм Время одного измерения, с Тип отражателя Температурный диапазон, °С Дальность измерения расстояния на одну призму, км Максимальная угловая скорость вращения алидады тахеометра 0,5 1 0,5 1 1 3 3 3 Триппельпризма -20 - +50 Триппельпризма -20 - +50 2,5 3,0 45% 45% Полученные координаты наблюдаемых точек вводят в систему управления электронного тахеометра как исходные (нулевые) и задают программу последующих наблюдений. Все последующие наблюдения производятся автоматически. Количество угловых приемов и количество повторных измерений расстояний задают исходя из требуемой точности получения деформации наблюдаемых точек. Из опыта: один прием подобных измерений при 30 точках наблюдений занимает от 10 до 20 мин. Результаты измерений передаются на компьютер, архивируются и сохраняются. Система оборудована звуковой сигнализацией на случай проявления опасных для конструкций деформаций. Автоматизированная система в зависимости от требований по безопасности объекта может работать в непрерывном или периодическом режиме. Периодические измерения проводят в наиболее ответственные периоды: зимний период, перед ответственными соревнованиями или при проведении приемных испытаний покрытия под нагрузкой, что является непременным условием приемки в эксплуатацию большепролетных купольных конструкций. Конструктивные требования следуют из условия надежного крепления деформационных марок на наблюдаемых конструкциях и условий влагозащищенности электронного тахеометра. Основные требования к размещению и установке узлов системы следующие:  между электронным тахеометром и деформационными марками должна быть обеспечена оптическая видимость;  триппельпризменные отражатели деформационных марок должны быть ориентированы на электронный тахеометр с погрешностью ±1°;  после установки деформационных марок должны быть выполнены испытания их надежной установки. Метрологическую калибровку системы осуществляют без демонтажа деформационных марок, для этого одну из деформационных марок изготавливают с фиксированным расстоянием Sk между двумя триппельпризмами. Если Sk отличается от номинального не более чем на 6 мм, то система считается функционирующей в проектном режиме. ОСОБЕННОСТИ ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА УНИКАЛЬНЫХ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ «Бурдж-Хали́ фа» («араб. ‫« — »خليفة برج‬Башня Халифа», до 2010 года называлась «Бурдж Дубай» — «Дубайская башня») — небоскрёб высотой 828 метров в Дубае, самое высокое сооружение в мире. Форма здания напоминает сталагмит. Торжественная церемония открытия состоялась 4 января 2010 года в крупнейшем городе Объединённых Арабских Эмиратов — Дубае. Здание планировали открыть 9 сентября 2009 года одновременно с открытием Дубайского метрополитена, но открытие перенесли на январь 2010 года по причинам сокращения финансирования со стороны застройщика. Проект здания «Дубайская башня» проектировалась как «город в городе» — с собственными газонами, бульварами и парками. Общая стоимость сооружения — около 1,5 млрд долларов. Проект небоскрёба был разработан американским архитектурным бюро Skidmore, Owings and Merrill, которое также проектировало Уиллистауэр в Чикаго, Всемирный торговый центр 1 в Нью-Йорке и многие другие известные здания. Автор проекта — американский архитектор Эдриан Смит, уже имеющий опыт проектирования подобных сооружений (в частности, он участвовал в проектировании небоскрёба Цзинь Мао в Китае высотой 420 м). В качестве генерального подрядчика застройки было выбрано строительное подразделение южнокорейской компании Samsung, которая ранее участвовала в строительстве башен-близнецов Петронас в Куала-Лумпуре. «Бурдж-Халифа» изначально планировался как самое высокое здание в мире. Когда небоскрёб ещё строился, его проектная высота держалась в тайне. Это было сделано на тот случай, если где-то будет спроектирован небоскрёб большей высоты — тогда в проект дубайской башни могли бы внести корректировки. Воздух внутри здания не только охлаждается, но и ароматизируется благодаря специальным мембранам. Этот аромат был создан специально для «Бурдж-Халифа». Ароматный и свежий воздух подается через специальные решетки в полу. Стёкла не пропускают пыль и отражают солнечные лучи, позволяя поддерживать оптимальную температуру в здании. Площадь поверхности здания примерно равна площади 17 футбольных полей. Стёкла «Бурдж-Халифа» ежедневно моют, но на мойку всей поверхности требуется около трёх месяцев. Специально для «Бурдж-Халифа» была разработана особая марка бетона, который выдерживает температуру до +50 °C. Бетонную смесь укладывали только ночью, а в раствор добавляли лёд В здании установлено 57 лифтов При этом только служебный лифт поднимается с первого этажа на последний. Жильцам и посетителям небоскрёба придётся перемещаться между этажами с пересадками. Лифты, установленные в небоскрёбе, развивают скорость до 10 м/с. У подножья небоскрёба в искусственном озере площадью 12 га находится музыкальный фонтан Дубай. Фонтан освещают 6600 источников света и 50 цветных прожекторов. Длина фонтана составляет 275 м, а высота струй достигает 150 метров. Фон- тан имеет музыкальное сопровождение из современных арабских и мировых музыкальных произведений. Особенности здания Строительство небоскрёба началось в 2004 году и шло со скоростью 1—2 этажа в неделю. Ежедневно на строительстве было задействовано до 12 000 рабочих. На его создание ушло около 320 тыс. м³ бетона и более 60 тыс. тонн стальной арматуры. Бетонные работы были завершены после возведения 160 этажа, далее шла сборка 180-метрового шпиля из металлических конструкций. Форма здания асимметрична, чтобы уменьшить эффект раскачивания от ветра. Здание отделано тонированными стеклянными термопанелями, уменьшающими нагрев помещений внутри (в Дубае бывают температуры свыше 50 °C), что уменьшает необходимость в кондиционировании. Во всём мире в качестве одной из зелёных технологий применяется система сбора дождевой воды для последующего её использования на различные хозяйственно-бытовые нужды и на полив зелёных насаждений. В Дубае дождей практически не бывает. Незначительные осадки выпадают в зимний период, поэтому организовывать сбор дождевой воды неразумно. Но жаркий и влажный климат в сочетании с высокими потребностями здания в охлаждении обуславливает образование значительного количества конденсата из окружающего воздуха. В здании спроектировали систему сбора конденсата, который по системе трубопроводов доставляется в сборный резервуар в подвальных этажах здания. Собранная вода используется для орошения зелёных насаждений на территории комплекса. Данная система позволяет собирать ежегодно до 40 млн л воды, которая обычно просто теряется в виде отходов эксплуатации, что особенно важно в таком регионе, где вода является ограниченным и крайне ценным ресурсом. В отличие от нью-йоркских небоскрёбов фундамент «Бурдж-Халифа» не закреплён в скальном грунте. В фундаменте здания применялись висячие сваи длиной 45 м и диаметром 1,5 м. Всего таких свай около 200. Существуют многочисленные упоминания в разных источниках о том, что в здании находятся самые быстрые в мире лифты, передвигающиеся со скоростью 18 м/с, однако на официальном сайте здания, а также на сайте производителя лифтов указано, что скорость лифтов достигает только 10 м/с. На самом деле самые быстрые лифты расположены в небоскрёбе Тайбэй 101, их скорость — 16,83 м/с. Высота здания ТЕКУЩАЯ ВЫСОТА 4 января 2010 года, на официальном открытии грандиозного здания Бурдж-Халифа, сообщили, что окончательная высота здания равна 828 метрам, а не 818, как считалось раньше. ПРОЕКТНАЯ ВЫСОТА С начала строительства вокруг окончательной высоты небоскрёба существовало множество слухов. Первоначально предполагалось, что проект башни высотой 705 м будет видоизменённым проектом австралийской «Grollo Tower» (560 м). Менеджеры проекта го- ворили о том, что высота будет гарантированно больше 700 м, то есть Бурдж-Халифа после завершения строительства в любом случае станет самым высоким сооружением на Земле. Некоторые источники говорили о 170 этажах в здании. В сентябре 2006 года сообщалось о конечной высоте в 916 м, а затем и в 940 м. Окончательная высота составила 828 метров при 163 этажах (не включая технические этажи-уровни — 46 в шпиле и 2 в фундаменте). Рекорды, установленные зданием            высочайшее наземное сооружение за всю историю человеческого строительства — 828 м (до 2008 года рекорд принадлежал Варшавской радиомачте — 646 м); высочайшее наземное сооружение из ныне существующих — 828 м (ранее рекорд принадлежал телерадиомачте KVLY — 628 м); высочайшее свободно стоящее сооружение — 828 м (предыдущий рекорд — 553,3 м у башни Си-Эн Тауэр); высочайшее здание — 828 м (предыдущий рекорд — 508 м у небоскрёба Тайбэй 101); здание с наибольшим количеством этажей — 163 (предыдущий рекорд — 110 у небоскрёбов Уиллис-Тауэр и разрушенных башен-близнецов); здание с самым высоко расположенным последним этажом; самый высокий лифт; наибольшая высота нагнетания бетонной смеси для зданий — 601,0 м (предыдущий рекорд — 449,2 м у небоскрёба Тайбэй 101); наибольшая высота нагнетания бетонной смеси для любых сооружений — 601,0 м (предыдущий рекорд — 532 м у ГЭС Рива-дель-Гарда); самая высоко расположенная смотровая площадка — на 124 этаже на высоте 452 м; самый высоко расположенный ресторан Атмосфера («At.mosphere») — на 122 этаже на высоте 442 м (предыдущий рекорд принадлежал ресторану «360» на высоте 350 м в Си-Эн Тауэр). (Бурдж Дубай, в переводе с арабского — «Дубайская башня») высотой 818 м в настоящее время является самым высоким в мире сооружением, созданным руками человека. В период его возведения геодезической службой было решено много сложнейших технических и инженерных задач. Традиционные методы геодезического обеспечения строительства не могли удовлетворить технологический процесс возведения башни по многим параметрам: точности, надежности, скорости и достоверности получения результатов. Была разработана принципиально новая технология геодезического обеспечения строительства высотного сооружения и применены абсолютно новые методы наблюдения за динамикой деформационных процессов, происходивших при возведении башни. Конструкция здания Burj Dubai Здание Burj Dubai является центральным звеном широкомасштабного проекта, который включает отели, парковые зоны, торговую галерею Dubai Mall и рукотворное озеро Burj Dubai. Сама башня предназначена для размещения отелей, частных резиденций, офисов и роскошных апартаментов. Строительство этого уникального сооружения осуществлял генеральный подрядчик — компания Samsung Engineering & Construction (ОАЭ) — в партнерстве с компаниями Besix (Бельгия) и Arabtec (ОАЭ). Проект изобиловал интересными планировочными и инженерно-техническими решениями, сложными с точки зрения логистики схемами доставки и хранения строительных материалов и оборудования. За восемь месяцев до окончания строительства, когда основные работы были завершены, на объекте ежедневно работало 9800 человек. Burj Dubai включает большое количество крупных конструктивных элементов и имеет сложную планировку. Основание башни представляет собой фундамент, состоящий из двухсот железобетонных столбов диаметром 1,5 м, заложенных на глубину 50 м, поддерживающих массивную железобетонную плиту толщиной 3,7 м. Конструктивно сооружение состоит из трех независимых флигелей (крыльев), установленных под углом 1200 к центральной оси башни. Флигели здания и центральная часть ядра жесткости механически связаны между собой консольными балками на нескольких технических этажах. Каждый флигель постепенно сужается к верху, в форме «трехгранного штыка». Бетонные плиты полов-перекрытий капитально связаны со стенами ядра жесткости. Выносные плиты карнизов позволяют перераспределять возникающую нагрузку или передавать ее на вуты (утолщения) несущих балок. Большинство стен являются важными несущими конструктивными элементами здания. Толщина основных стен составляет около 600 мм, а несущие колонны оконечности флигелей имеют диаметр 2,5 м. До 156-го этажа башня выполнена из железобетона. Во время строительства башни было установлено несколько технических рекордов. За один подъем бетонная смесь с помощью насоса высокого давления доставлялась на высоту 605 м от нулевой отметки. На бетонном основании 156-го этажа была смонтирована массивная металлоконструкция высотой 215 м, которая удерживает шпиль высотой 140 м, представляющий собой высокую стальную трубу весом более 400 т. В здании Burj Dubai и его цокольной части было установлено более 65 лифтов, которые перемещаются между различными этажами. Лифты имеют одно- и двухэтажные кабины, некоторые из них — самые скоростные в мире. Часть скоростных лифтов поднимается на высоту более 500 м с нагрузкой до 4,5 т. Отделка наружного фасада выполнена из закаленного стекла с алюминиевым напылением. Более 23 500 полированных стеклопакетов было поднято на башню для остекления 145 000 м2 фасада. Служба логистики, участвующая в строительстве, своевременно обеспечивала доставку огромного количества материалов и эле ментов конструкции от многочисленных поставщиков, транспортных компаний, с портовых складов, временных участков хранения, а порой и «с колес». Особенности геодезического обеспечения строительства башни Каждые три дня возводился один этаж. Это задавало ритм, которому подчинялись все технологические процессы, включая изготовление и доставку материалов и конструкций, заливку бетонной смеси и, конечно, геодезическое обеспечение. Первостепенной задачей, стоящей перед геодезической службой, был вынос в натуру и задание планового положения и высотных отметок ядра жесткости, которое отливалось одновременно на 9 участках. Работы проводились 24 часа, посменно, 6 дней в неделю. Следует отметить, что на любом строящемся объекте часто ощущается нехватка времени для выполнения разбивочных работ на монтажном горизонте и установки щитов «скользящей» опалубки. В данном случае каждый монтажный элемент нужно было установить с максимальной точностью, чтобы башня «поднималась» непрерывно без отклонений от «сглаженной» средней вертикали конструкции. Любые незначительные отклонения железобетонных элементов от вертикальности или «уход от осей» границ плит могли иметь серьезные последствия при возведении следующих этажей, перегородок и лифтовых шахт. Невозможно в денежном эквиваленте оценить стоимость переделок, которые могли возникнуть из-за ошибок при задании осей или высотных отметок. В большинстве случаев геодезические работы при возведении здания проводились в условиях, когда рабочая зона на монтажном горизонте была перенасыщена материалами, оборудованием, работающими грузоподъемными механизмами и персоналом. Особый отпечаток накладывали требования по технике безопасности при выполнении высотных работ. Эти факторы заметно осложняли проведение геодезических работ на монтажном горизонте, основными из которых являлись: разбивка и установка осей колонн, балок, стен, проемов лифтовых шахт, а также разметка контура остекления. Кроме этого, геодезическими методами осуществлялся мониторинг деформаций и динамических процессов, происходивших на сооружении, для определения значений текущих и прогнозируемых параметров поведения объекта и обнаружения неплановых отклонений. Динамика пространственного положения сооружения Начиная измерения на нижних этажах, следовало осознавать, что с увеличением высоты здание будет совершать колебательные движения. Важно было определить и предвидеть в процессе возведения сооружения величину планового смещения как будущего верха здания, так и элементов конструкции на текущем монтажном горизонте относительно проектных осей. До строительства Burj Dubai были проведены исследования и необходимые консультации по оценке ожидаемых направлений и величин смещений, периодов и амплитуд колебания башни, найден «ветровой туннель» на основе данных анализа «розы ветров». В процессе строительства происходило дальнейшее непрерывное изучение поведения башни. По результатам значительного объема натурных наблюдений были разработаны способы мониторинга конструкций и методы анализа поведения сооружения и его отдельных элементов, способы коррекции текущего смещения, определены допустимые значения колебаний башни. Эти работы выполнялись с сознанием того, что геодезические измерения по контролю вертикальности строящейся башни на монтажном горизонте будут осуществляться на постоянно движущемся основании, поскольку конструкция башни не является жесткой и статичной. Колебания и смещения сооружения являлись результатом поведения материалов конструктивных элементов и множества других внешних воздействий, одновременно действующих на конструкцию. Они были различны по времени воздействия и могли быть вызваны многими причинами. Так, например, некоторые смещения происходили в течение нескольких недель. Нагрузки на фундаментную плиту из-за последовательности технологических операций становились причиной различных по величине осадок. Даже при незначительной величине деформации основания проявлялось значительное смещение верхней части высотного здания. Различные по величине сжатия (деформационные осадки) противоположных сторон несущих стен ядра жесткости также становились причиной начала незаметного наклона башни в процессе строительства. Определенное дестабилизирующее влияние на пространственное положение башни оказывали внешние факторы. Так, из-за солнечного излучения происходил ежедневный циклический разно температурный нагрев конструкции, вызывая хотя и малые изменения величины смещения башни от вертикали, но действующие в определенном направлении. Высокочастотные колебания сооружения были связаны с ветровой нагрузкой, с деятельностью грузоподъемных механизмов и комбинацией нерегулярных динамических сил, которые периодически воздействовали также и на геодезические приборы. Виды отклонений и осадок здания Различные компоненты, в результате чего перемещения и движения структуры можно разделить на три группы. Осадки за длительный период Эти компоненты могут вызвать движение в башне в период от одной недели до 6месяцев. •Неравномерные осадки. • За счет большей нагрузки на центр плиты башни, фундамент будет деформироваться по мере продвижения строительства, и эта деформация может повлиять на вертикальность конструкции. •Последовательность Строительства. Строительство идет в круговой последовательности для каждого уровня, и это вызовет смещение центра масс здания от вертикальной оси и может вызвать соответствующее движение в структуре. •Проектирование Зданий с установленными сзади крыльями, на разных уровнях приводит движение центра масс в здании, что приводит к отклонению от вертикальной оси. Ежедневные деформации Этот компонент может вызвать движение в башне в течение 24-часового периода. •Солнечные Эффекты. Математическое моделирование влияния солнца на структуры указывают на то, что с перепад температур в десять градусов по Цельсию вызывает смещение до 150мм в верхней части в течение шести часов. . Большинство элементов опалубки должны быть установлены в течение дня, когда солнечный эффект будет на максимуме. Динамические деформации Эти компоненты вызывают движение в башне с периодами от 10 секунд до 15 минут •Резонанс Здания. Согласно информации, полученной от инженеров в здание будет иметь естественный период от 10 до 11 секунд по обеим осям - - траектория перемещения - эллипс. Если скорость ветра увеличивается, то "размер" этого эллипса будет также увеличиваться. • Ветровые нагрузки вызывают смещение, которое зависит от силы и направления ветра. •Крановых Нагрузок. Предполагается, что здание будет двигаться в какой-то степени, когда башенный кран поднимает или отпускает груз. Эти движения будут совершенно случайно с периодами от 5 до 15 минут. При измерениях необходимо остановить краны, чтобы снизить вероятность случайного "смещения" в измерение смещения. Система Опалубки Опалубки для каждого бетонирования состоит из серии отдельных форм которых все требует контроля. Это привело к необходимости измерения точек 240для системы опалубки для каждого уровня. Первые Исследования По контракту шесть постоянных реперов были установлены вокруг площадки. Эти знаки состояли из бетона, и стального стержня, заложенного на глубину до 15 м. В верхней части знака устанавливалась спутниковая антенна. Эти знаки использовались в качестве основы для мониторинга работы. На Низких Уровнях Из-за большого количества точек контроля, необходимых для установки опалубки необходимо было разработать метод, так что контроль выполнялся только один раз. А тахеометр устанавливался на бетоне и привязывался к опорным точкам. Вертикальные наблюдения подтвердили, что башня не движется и ростверковые измерения указывают, что нет неравномерных осадок, чтобы вызывать наклон. Верхние Уровни На данном этапе возникла необходимость внедрить новый метод привязки к опорным точкам, и переносить их при строительстве. Необходимо также установить средства измерения движения, чтобы в конечном итоге выявить какие-либо долгосрочные, постоянные передвижения башни в определенном направлении. Управление вертикальностью В процессе строительства геодезические работы становились больше похожими на управление вертикальностью каждого отдельного простого элемента сооружения по отношению к общей вертикали путем коррекции положений, но со строгим ограничением величины коррекции, в зависимости от высоты конструкции. Это нужно было делать, пока колебания конструкции находились в заданных пределах. Так, например, требовался контроль за положением и состоянием строительных лесов и подмостков через каждые тридцать и более этажей. Движение и колебания здания являлись причиной смещения измерительного оборудования, и поэтому точные координаты контрольных точек были известны только в конкретное время наблюдения и/или во время нового повторного наблюдения. На сооружениях повышенной этажности использовать метод оптического отвеса нецелесообразно, поскольку он требует большого количество сквозных технологических отверстий в плитах перекрытий и наличия свободной оптической видимости для визирования. Конструктивно здание Burj Dubai имеет 9 зон со своими ядрами жесткости и осями, на каждой из которых проводился раздельный независимый геодезический контроль. Темпы строительства не оставляли достаточного времени на построение и передачу информации от опорных точек планово-высотного обоснования традиционными геодезическими методами. Спутниковые и геодезические измерения Компания Leica Geosystems (Швейцария) предложила технологию, включающую использование высокоточного спутникового и геодезического оборудования, измерения которым выполнялись на верхней части башни — монтажном горизонте, инклинометров (датчиков наклона), устанавливаемых стационарно на определенных этажах, и программно-аппаратного комплекса для Антенна спутникового приемника с круговой призмой совместной обработки всей информации в стационарном геодезическом офисе, располагавшемся рядом со строительной площадкой. Это потребовало создания новых и независимых решений для геодезического обеспечения каждого участка бетонных работ. Разработанная технология подразумевала использование трех комплектов спутниковых геодезических ГЛОНАСС/GPS-приемников Leica GX1230 с антеннами AX1202, располагав- шимися на верхней части щитов «скользящей» бетонной опалубки. Антенны приемников были установлены соосно с круговыми (360) призмами (рис. 2), которые давали возможность выполнять измерения на них электронными тахеометрами. На каждом монтажном горизонте, где проводились бетонные работы, определялись пространственные координаты необходимых точек, которые подкреплялись измерениями азимута на удаленную точку, установленную на одном из высотных зданий. На объекте строительства была установлена постоянно действующая базовая станция в составе спутникового приемника Leica GRX1200 и антенны AT504, которые работали под управлением программы Leica GNSS Spider. С помощью геодезических спутниковых приемников на каждом монтажном горизонте проводились часовые наблюдения в режиме «кинематика на лету» (kinematic-on-the-fly). В это же время выполнялись другие геодезические измерения с помощью электронного тахеометра и устанавливались опорные точки для последующих бетонных работ на этом этаже (рис. 3). Кроме того, проводились измерения пространственного положения электронного тахеометра методом обратной геодезической засечки (рис. 4), и по методу наименьших квадратов вычислялись его точные координаты. Работа кранов и большое количество окружающих конструкций над антеннами спутниковых приемников являлись причиной искажений и пропадания сигнала, а также возникновения фазовых искажений от переотраженного сигнала. Для уменьшения их влияния антенны размещались на высоких штангах над вертикальными стенами. Кроме того, результаты ГЛОНАСС/GPSизмерений при обработке фильтровались для исключения некачественных данных. Несмотря на то, что при определении пространственного положения антенн спутниковых приемников точность составляла меньше 10 мм, для геодезического контроля использовались только плановые координаты, измеренные спутниковым методом. Движение структуры создает несколько проблем для точного обследования; в конкретный момент времени, теоретически, вы должны точно знать , на сколько ось центральной линии здания смещена от вертикальной оси , и в тот же момент времени вы должны знать точные координаты инструмента. Однако "среднее" местоположение за короткий период для обоих элементов может обеспечить приемлемое решение. Аппаратура GPS Система включает в себя минимум 3 антенны GPS-приемников, установленных на высоких фиксированных полюсов на верхний уровень опалубки. Поворотный круговая призма размещена ниже каждой антенны и прибор-тахеометр (ТП) находится видимым для всех GPS-станций. Рис. 1: GPS и круговая призма совмещенная с круговым отражателем В статическом режиме GPS, данные сигнала со спутника принимается и записывается за период до 1 часа. За этот же период времени, прибор TPS используется для измерения углов и расстояния до призм , установленных ниже GPS антенн. TPS затем выполняет измерения на знаки , размещенные в свежем бетоне , которые являются ориентирами для управления опалубки. После завершения наблюдений, данные возвращаются в офис для обработки. Расчет антенны GPS позиции осуществляется, обработкой данных от постоянно действующих базовых станций компании Leica GRX1200 Pro с GPS антеннами AT504 и программного обеспечения Spider, и с помощью Leica Geo Office Рис. 2: Постоянно Действующая Базовая Станция Вычисление положения TPS затем осуществляется уравниванием измерений по методу наименьших квадратов. Затем выполняется преобразование в локальную систему координат . .Рис. 3: активные GPS точки Работа на монтажном горизонте Определение положения при строительстве Базовая станция GPS, GPS - приемники и антенны с круговой призмой, объединены с сетью точных клинометров , как показано ниже. Измерение пространственного положения башни инклинометрами Поскольку сооружение все время двигалось относительно своей вертикальной оси, точные пространственные координаты точек, определенные с помощью спутниковых приемников в конкретный момент времени, необходимо было «относить» к плановым осям сооружения, которые также нужно было знать на этот момент. Это было непростой задачей, так как ни одна точка конструкции не могла быть измерена повторно, потому что верх здания постоянно надстраивался. Все леса и помосты, которые использовались для опорных точек, были неразрывно связаны со щитами «скользящей» опалубки, постоянно перемещающимися гидравлическими домкратами. Поэтому опорная точка на горизонтальном или вертикальном опалубочном щите или на вертикальной стенке была нестабильна и перемещалась во время движения опалубки. Для измерения пространственного положения башни на первых 156 этажах железобетонной конструкции сооружения было установлено восемь инклинометров — электронных двухосевых датчиков (рис. 5). Инклинометры смонтировали на кронштейнах, закрепленных на стенах ядра жесткости центральной части башни. Эти датчики позволяют измерять наклон по двум взаимно перпендикулярным направлениям с точность до 0,2’’ (2,5 мм на 1 км) и могут передавать информацию о величине наклона в цифровом виде через последовательный порт в режиме реального времени с частотой 1 Гц (одно измерение в секунду). Датчики с помощью кабеля были объединены в единую локальную компьютерную сеть. Программа Leica GNSS QC, установленная на компьютере в офисе, избирательно опрашивала каждый инклинометр, сохраняла и конфигурировала данные от всех датчиков в часовые файлы с секундным интервалом. Это позволяло по известной высоте установки инклинометров и измеренным значениям их наклона вычислять среднее отклонение возведенного верха башни от вертикали в каждый период времени (принцип «бамбукового удилища»). В любой момент времени можно было определить плановое положение верха конструкции с точностью до 10 мм. Такая точность измерений не знает аналогов и была достигнута благодаря тщательной калибровке каждого инклинометра. На основе этих данных и измеренных с помощью спутникового оборудования координат проводилась коррекция положения каждого элемента опалубки в соответствии с проектом на краткосрочный период. Другими словами, определялись координаты конструкций, которые будут соответствовать положению башни после прекращения внешних воздействий, в предположении, что конструкция вернется в такое положение, когда внешние воздействия изменятся и примут нормальные значения. Эта комбинированная система измерений использовалась с начала проведения строительных работ, практически, с «нулевого уровня», еще до того, как стало происходить наглядное проявление смещений или колебаний. Она была проверена традиционным методом— методом обратной геодезической засечки на контрольную точку. Полученные при проверке положительные результаты были важным этапом, поскольку они не только подтвердили качественно новый метод геодезического контроля возведения столь сложного сооружения, но, главное, вселили уверенность в правильности разработанной технологии. Со временем были подобраны оптимальные способы фильтрации данных, улучшена обработка потока данных и их представление, а также методы проверки качества и целостности данных. Разработанная технология сделала геодезическое обеспечение строительства башни простым и «прозрачным» процессом, позволила предоставлять исходные данные и осуществлять контроль монтажных и бетонных работ в условиях ограниченной видимости и при любых погодных условиях без необходимости приостановки работы грузоподъемных механизмов. Общий вид инклинометра Монтаж верхней части металлоконструкции и шпиля На железобетонном основании на уровне 156го этажа было необходимо установить стальную конструкцию надстройки и шпиль, которые вместе имели высоту 215 м. шпиль, длинной более чем 140 м, собирался внутри этой конструкции как вертикальное продолжение трубы и поднимался системами блоков на 87 м, чтобы верхняя точка шпиля достигла отметки, равной 818 м. После установки металлоконструкции были сняты помосты и леса, что позволило освободить место для установки шпиля на верхнем основании металлоконструкции (рис. 6).Невзирая на значительные колебания здания Burj Dubai, используя оптический отвес и опыт строителей, монтаж шпиля был удачно завершен. В заключении были проведены испытания колонн металлоконструкций и шпиля на вертикальность и отсутствие прогиба. Сборка металлоконструкции надстройки и шпиля заняла около 19 месяцев. Геодезический мониторинг при строительстве для обеспечения инженеров и проектировщиков информацией о фактическом состоянии возводимого объекта и оценки соответствия ее проектной документации проводился геодезический мониторинг. Мониторинг оказывает бесценную помощь в понимании процессов, постоянно происходящих в конструкции, вызывающих смещения и усадочные деформации. Комбинация геодезических и спутниковых измерений в сочетании с точными данными датчиков наклона дала возможность на всем протяжении строительства определять пространственные координаты башни, изучать смещения ее отдельных элементов и конструкции в целом во времени и предоставлять точные прогнозы ее ожидаемого пространственного положения. Для удаленного и постоянного мониторинга при строительстве башни были созданы и применены программы деформационного и динамического анализа. Постоянно наблюдались долго- и среднепериодические боковые смещения верха башни, а также периоды и амплитуды короткопериодических колебаний. Фильтрация данных, полученных за длительный период, обеспечила ежедневное отслеживание смещений, вызванных воздействием ветра, грузоподъемных механизмов и солнца, позволяя отбраковывать некачественные данные (не пропускать их или включать частично). Кроме того, разрабатывались и совершенствовались методы регистрации смещений верха здания от воздействия солнечного излучения. Измеренные данные в короткие периоды времени анализировались для выявления высокочастотных колебаний конструкции. Особенно тщательно анализировались данные воздействия сильных ветровых нагрузок или землетрясений. Была собрана важная информация о поведении башни. В течение строительства также проводились наблюдения других непрерывных деформаций, которые отражались на поведении материалов и происходили в результате как краткосрочных, так и длительных нагрузок на всех стадиях возведения башни. Ядро жесткости и бетонные колонны эластично сжимались, как только бетон подвергался мгновенным или длительным нагрузкам. Это происходило незаметно, раз за разом. Длительные и внимательные наблюдения позволили оценить скорость сжатия элементов и сравнить ее с расчетной. По результатам наблюдений к высоте каждой межэтажной плиты были добавлены «миллиметры» компенсации. Другие регулярные наблюдения включали высокоточное нивелирование фундаментной плиты, которая длительно и неравномерно нагружалась, для определения ее осадок и наклонов. Кроме того, анализировались и сравнивались с проектными значениями величины деформаций плит перекрытий. ТОЧНОСТЬ Исследование вероятных ошибок в CWSS указывает на то, что можно будет продолжать что необходимо устанавливать опалубку с точностью ± 15 мм. Кроме того , возможно идентифицировать любое долгосрочное движение башни , которая имеет значение > 20 мм в любом заданном направлении. АНАЛИЗ Мониторинг будет предоставлять информацию о деформации и это может быть использован для точного определения смещения башни на определенном уровне вследствие влияние этих факторов. Динамическая модель здания была разработана и из этого было возможно вывести значения для эффектов последовательности строительства, проектирования здания. Сегмент Nivel200 сети этой системы могут быть использованы для мониторинга башни, как во время строительства и после завершения. Если это будет интегрировано это обеспечит полную систему мониторинга структуры. ВЫВОДЫ Сочетание методов обследования GPS, тахеометров, инклинометры и математическое моделирование будет обеспечивать средства для приведения в строительстве в мире небоскребов, огромное количество данных по мониторингу деформаций. Мониторинг объектов Как навигационные системы GPS и ГЛОНАСС создавались для целей навигации, то есть мониторинга передвижения мобильных объектов. Поэтому они быстро нашли применение и в военном деле, и во многих других областях. Мониторинг объектов, очевидно, можно разделить на две категории: мониторинг состояний (например, деформаций) и мониторинг положений. Мониторинг можно характеризовать по оперативности получения результата: от долей секунды до нескольких часов, суток и более. В первом случае подходит только кинематика в реальном времени. Во втором случае возможны как статические, так и кинематические наблюдения. Мониторинг состояния объектов Одна из первых работ по мониторингу деформаций проводилась в 1986 - 87 гг. в провинции Альберта (Канада). Здесь были проведены работы по мониторингу деформаций газопровода. Для наблюдений использовался одночастотный пятиканальный фазовый GPS приемник 4000SX (фирма Trimble Navigation, США). Следует отметить трудности первых наблюдений: навигационная система еще полностью не развернута, недостаток спутников позволяет делать лишь короткие сеансы (в пределах одного часа). Из-за неуверенности в объективности данных GPS наблюдений работы были дополнены измерениями направлений, расстояний и превышений классическими методами геодезии с использованием теодолитов, электронных дальномеров и нивелиров. Уравнивание спутниковой сети продемонстрировало точность в базовых линиях 5 мм ± 15-10‘6. Точность обычных наблюдений - от 3 до 6 мм, а на тех же линиях для GPS - от 5 до 20 мм. Авторы сделали вывод о том, что с использованием GPS достижима точность 1 - 2 см, и этого вполне достаточно для мониторинга газопровода (McLellan J.F., Porter T.R., Price P.S.J. Pipeline deformation monitoring using GPS survey techniques // J. of Surveying Engineering, Vol. 115, No. 1, 1989. - P. 56 - 66. - Англ.). Мониторинг деформаций инженерных сооружений (мостов, башен, труб и т. д.) с применением спутниковых технологий становится обычным явлением. В США появились компании, специализирующиеся на работах по мониторингу сооружений (например, Orion Monitoring Systems в г. Солт-Лейк- Сити, штат Юта, Condor Earth Technologies в г. Сонора, штат Калифорния), которые применяют те или иные технологии в зависимости от выбора заказчика. Хотя точность спутникового метода (единицы миллиметров) на небольших расстояниях (до 1 - 2 км) часто уступает классическим методам, главное преимущество GPS мониторинга состоит в его непрерывном характере, что возможно и в реальном масштабе времени, и с пост-обработкой. Это особенно важно, когда альтернативой является ручная съемка, выполняемая с интервалом в год, полгода или ежемесячно. Тот факт, что GPS является очень точным средством, дает непрерывные измерения и не требует частой калибровки, обеспечивает большую степень доверия к фактически полученным деформациям, чем любая другая аппаратура. Когда проводится долгосрочный и непрерывный GPS мониторинг деформаций сооружений, суточные или сезонные эффекты легко выявляются как фоновый шум в числовых диаграммах, таблицах и графиках, показываемых системой. Истинное движение различается как отступление от этого фонового шума. Однако в некоторых случаях интересующий сигнал может быть замаскирован большими шумовыми значениями. Сезонные эффекты, часто в форме термоэлластической деформации, могут быть удалены методами спектрального анализа. В зависимости от типа сооружения и беспокойства его владельцев, компании используют множество приемников на исследуемом сооружении, а также множество базовых станций. Множество приемников на намеченном сооружении дают большую уверенность в том, что они точно контролируют его движение. Установка двух или более базовых станций вне сооружения, а затем наблюдение множества базовых линий до намеченного сооружения, как и между базовыми станциями, гарантирует, что движение намеченного сооружения будет выявлено. Весьма важным считается темп записи данных. Для зданий темп наблюдений должен быть очень высоким (до 20 Герц), но для плотин он может быть намного ниже (5 минут). Высокие частоты лучше подходят для захвата начала динамических деформаций у сооружений типа высоких зданий и мостов с длинным пролетами при их длительном мониторинге, в то время как низкие частоты лучшие подходят для медленно или импульсивно деформирующихся сооружений, типа дамб с земляным заполнением и оползневых явлений (Luccio M. The concrete and the clay: monitoring large structure deformation // GPS World, Vol. 13, No. 8. - 2002. - P. 16. Англ.). Мост Цинь Ма в Гонконге (рис. 3.8) известен как самый длинный в мире подвесной мост (длина 1 377 м). Мост несет автомобильную и железную дороги. При разных видах нагрузки мост может испытывать деформации от нескольких сантиметров до нескольких метров. Хотя эти деформации не создают угрозу транспорту, они влияют на целостность конструкции моста. Рядом с Цинь Ма находятся еще два подвесных моста: Тинь Кау (1 177 м) и Кап Шуи Мун (820 м). Департамент автодорог Особого административного района Гонконга разработал Систему мониторинга ветровой и структурной жизнеспособности (Wind and Structural Health Monitoring System - WASHMS) для этих трех мостов. Смещения конструкций мостов служат эффективным индикатором условий их эксплуатационных качеств. Для выявления критических структурных компонентов используются модели конечных элементов (Finite Element Models - FEM), в которых в качестве основы используются GPS измерения. На мостах установлено 803 сенсора семи различных типов: анемометры, датчики температуры, динамические сенсоры взвешивания в движении, акселерометры, датчики смещения, станции уровенного контроля и струнные шкалы. Инструментальная система наблюдений в реальном времени за конструкциями с помощью GPS состоит из пяти подсистем: самих GPS приемников, систем сбора локальных и глобальных данных, системы компьютеров и оптико - волоконной сети. Рис. 3.8. Подвесной мост Цинь Ма с GPS антенной Разработка системы мониторинга была начата в 1992 г. В то время авторы проекта отвергли вместе с техникой измерения смещений по инфракрасному излучению и лазером (они требовали постоянно хорошей видимости) и технику GPS, поскольку тогда она не обеспечивала нужный уровень точности. После отмены режима SA с 1 мая 2000 г. точность кинематики в реальном времени повысилась до 10 мм в плане и до 20 мм по высоте. Этот прогресс вместе с таким важным качеством GPS, как независимость от погоды, привел к решению о включении спутниковых измерений в систему мониторинга. Система контроля с помощью кинематики в реальном времени отслеживает движения главных несущих кабелей полотен и опор мостов, что позволяет выводить значения нагрузок, действующих на различные компоненты сооружения, а также работать совместно с другими системами мониторинга. Нормальные значения деформаций для наибольшего из мостов составляют 65 см по высоте и 25 см в поперечном направлении. Сеть GPS приемников включает две базовые станции и 27 (14 + 7 + 6) приемников, жестко установленных на различных точках конструкций трех мостов. Приемники двухчастотные, 24-канальные, темп сбора (частота фиксаций) данных - 10 Герц (10 раз в секунду), время латенции положения подвижной антенны - 0.03 с. Обработка всей информации системы занимает 2 с (Kai-yuen Wong, King-leung Man and Wai-yee Chan. Monitoring Hong Kong’s bridges // GPS World, Vol. 12, No. 7, 2001. - P. 10 - 17. - Англ.). Мониторинг положений объектов Использование GPS для мониторинга объектов обычно связывают с контролем транспортных средств в режиме реального времени. Метод применяется в диспетчерских службах автопарков, инкассаторных службах и т. п. Пока действовал режим выборочной доступности GPS (Selective Availability, SA), для достижения необходимой точности определения местоположения применялся инверсный локальный или широкозонный дифференциальный метод (LDGPS, WADGPS) [25]. В инверсном режиме результаты измерений мобильного приемника, установленного на транспортном средстве, посылаются через радиомодем на базовую станцию, где производятся вычисление положения и контроль. После отмены режима SA те преимущества в точности, которые давал дифференциальный метод, оказались излишними, поскольку теперь точность определения положения абсолютным методом стала около 15 м при вероятности 95%, а этого вполне достаточно для указания положения транспортного средства. GPS мониторинг в биологии. Итальянские биологи, изучавшие популяцию морских львов на Фолклендских островах, использовали GPS для контроля перемещений животных. В условиях сложной погоды (сильный ветер, дождь и снег), когда применение фото- или телевизионной съемки невозможно, они отслеживали перемещения животных, обитающих на длинных пляжах, и изучали структуру стад, используя 10-канальные дифференциальные С/А- кодовые приемники (Galimberti F., Sanvito S. A very spatial relationship // GPS World, V. 10, No 7, July 1999. - P. 22 - 26, 28, 30. - Англ.). В военном деле GPS технологии также послужили основой для разработки новых видов вооружений и систем управления оружием. С увеличивающейся миниатюризацией и усовершенствованием GPS приемников, все меньшие и меньшие боеприпасы становятся кандидатами на управление в полете, стирая грани между снарядами, большими и малыми ракетами. Замена лазерных систем наведения на GPS дает экономию средств, независимость от погоды, хотя и не имеет полной защиты от радиопомех (Luccio M. Guiding weapons, finding soldiers // GPS World, Vol. 13, No. 8, 2002. - P. 30 - 32. - Англ.). Система контроля положений механизмов в горнодобывающей промышленности с использованием DGPS Сегодня многие открытые разрезы и карьеры используют в повседневных операциях технологии, основанные на определении GPS положений, для съемок, оконтуривания рудных тел, диспетчерской службы и отслеживания машин, точного позиционирования бурового оборудования, помощи в реальном времени бульдозеристам для контроля уклона. Для выемки породы используются мощные механизмы и машины. Грузовики-самосвалы Caterpillar грузоподъемностью до 360 тонн (рис. 3.9) имеют плохой обзор из кабины. Радиус «слепой» зоны вокруг самосвала равен 12 м, некоторые близкие области вообще недоступны обзору. Это приводит к авариям, несчастным случаям, материальным и людским потерям, порой со смертельным исходом. Рис. 3.9 Самосвал грузоподъемностью 360 т и диаграмма обзора из кабины Для предупреждения этих аварий ученые из Исследовательской лаборатории Spokane Национального института профессиональной безопасности и здоровья (NIIOSH, США) в кооперации с крупными производителями GPS аппаратуры разработали систему предупреждения близкой опасности для медного рудника Фелпс Додж Майн в Моренси, шт. Аризона (США) (Phelps Dodge Mine). Система состоит из GPS приемников, работающих в дифференциальном режиме и устанавливаемых на всем оборудовании с ограниченным обзором, на всех малых средствах передвижения, работающих в карьере, и на всех пеших работниках. Положения всех движущихся объектов должны определяться и обновляться в реальном времени, и эта информация должна передаваться на все ближайшие механизмы и оборудование, чтобы их операторы получали представление обо всех других ближайших средствах и работниках. В дополнение к этому в базе данных хранится информация обо всех потенциальных препятствиях, таких, как здания, столбы, точки разгрузки и т. п. Для обеспечения визуального и звукового предупреждения требуется интерфейс тревоги, когда другой работник, машина или препятствие появляются в опасной зоне движущегося объекта. Преимущества, которые дает использование GPS: - сделанный под заказчика интерфейс и конкретные опасные зоны; - снижение до нуля возможности появления ложной тревоги; - возможность использования существующей инфраструктуры GPS на многих рудниках; - возможность точного определения положений объектов системы и их отслеживание. Прототип системы был продемонстрирован в апреле 2002 г. В нем использовались готовые компоненты: - миникомпьютеры с прочными корпусами, применяемые в диспетчерских и контрольных системах для сбора, обработки и передачи данных, обеспечения видеообзора, а также для запуска программы PWS (Proximity Warning System - Система предупреждения близкой опасности); - в качестве базовой станции использовался либо радиомаяк береговой охраны, либо специальный двухчастотный GPS приемник; - на подвижных средствах были установлены 8-канальные одночастотные дифференциальные GPS приемники с внешними антеннами; - для связи между миникомпьютерами и приемниками использовались радиосетевая карта PC MCIA и радиосвязь на частоте 900 МГц, применяемая в системах для сельского хозяйства и рудников. На экранах компьютеров (рис. 3.10), устанавливаемых на каждом движущемся средстве, отображаются все другие механизмы, пешие работники, опасные места и препятствия, и, кроме того, когда в опасной близости появляется объект, представляющий угрозу, или которому угрожает машина, программа PWS меняет цвет опасного объекта на экране и подает звуковой сигнал. Размеры зоны опасности были подобраны в зависимости от размеров слепой зоны у мобильного средства. Рис. 3.10. Вид экрана программы PWS Эффективность мониторинговой системы зависит не только от точности определения координат (достаточная точность определена в 2 м), но и от времени ожидания сигнала (установлено, что задержка не должна превышать 0. 05 с). Испытания показали, что для полной безопасности одной системы, работающей по сигналам GPS, недостаточно. Из-за возможного уменьшения числа спутников и ухудшения их геометрии необходимо иметь дополнительные средства сигнализации или позиционирования (Ruff T.M., Holden T.P. Mine eyes: Proximity alert for monster trucks // GPS World, July 2002, V. 13, No 7. - P. 16 - 22. - Англ.). Система мониторинга портовых кранов с точностью сантиметрового уровня определения координат, потребовавшей разработки специального программного обеспечения для определения в реальном времени векторов базовых линий, была разработана в Южной Корее при помощи ученых из Университета Нового Брунсвика (г. Фредериктон, Канада). В международном терминальном порте Куанянь (Корея) разгрузка контейнеров с морских судов производится передвигающимися по рельсам причальными кранами, а перемещение контейнеров по терминалу и их складирование производится гигантскими кранами на резиновых шинах (рис. 3.11, 3.12, 3.13). Движением этих кранов управляет система контроля, состоящая из системы предупреждения раскачивания, которая помогает операторам тщательно позиционировать захваты кранов, системы определения положения, используемой для идентификации и перекрестного контроля положений загружаемых и разгружаемых контейнеров, и системы автоматического управления, которая удерживает колеса кранов, движущихся вдоль направляющей линии, отмеченной краской или электрическим направляющим проводом, и предохраняет их от столкновений с контейнерами или другими кранами на тесной площадке. С этой целью система управления должна постоянно распознавать линию маркировки и вычислять соответствующие отклонения передних и задних колес крана. Наиболее эффективный и надежный способ для выполнения этого - использование GPS кинематики в реальном времени. Рис. 3.13. GPS антенны Рис. 3.12. Колеса крана и направляющая полоса В системе автоматического управления кранами центральной частью является программируемый логический контроллер, состоящий из группы электронных приборов и оборудования. В процессе работы контроллер непрерывно отслеживает состояние крана через сигналы от приборов ввода. Основываясь на логике, заложенной в программе, контроллер определяет, какие действия должны выполнить выходные приборы. В системе автоматического управления краном вычисляемые отклонения передних и задних колес поступают на контроллер, чтобы он мог выравнивать скорость передних и задних колес для удержания крана в нужном положении на координатной линии. Операторы поворачивают колеса крана только для того, чтобы изменять направление движения на 90° и только тогда, когда кран находится в стационарном состоянии на специальной поворотной площадке с малым трением. Ранее для идентификации маркирующей линии использовалось несколько методов, таких, как цепь индуктивности, импульсные приемо-передатчики, приборы с двухзарядными камерами. Эти методы в различной степени зависят от окружающей среды, но их основной недостаток состоял в том, что они требовали непрерывного ухода за маркирующими линиями, обеспечивающими непрерывность работы системы автоматического управления. В методе, основанном на GPS, автоматическая система контроля управления не зависит от окружающих факторов и использует технологию, основанную на электронной карте с виртуальными линиями и GPS приемником для точного определения положения кранов на карте. Система контроля сравнивает положение крана, полученное GPS приемником, с виртуальными линиями и соответственно управляет краном. Эта система управления состоит из трех главных компонент: GPS аппаратуры (двухчастотные приемники NCT2000D фирмы NavCom с антеннами), процессоров для обработки в режиме реального времени (компьютеры с индустриальной панелью и программным обеспечением для RTK) и локальной площадной радиосети (LAN) на частоте 2.4 Ггц, состоящей из базового блока, точек доступа и станционных адаптеров. Она включает один блок GPS аппаратуры для базовой станции и по два комплекта GPS аппаратуры на каждом кране. Полностью действующая и безопасная система автоматического управления кранами RTGC потребовала разработки специального программного обеспечения для RTK с высокими уровнями точности, целостности, непрерывности, доступно- сти и вычислительной эффективности. Такая вычислительная программа была разработана группой исследователей из Университета Нового Брунсвика (Канада). Программа обеспечивает определение положения в реальном времени с темпом обновления решения 10 Гц при точности в плане лучше, чем 2 см с вероятностью 100%. Совокупная задержка системы при учете всех факторов составляет не более 60 мс. Описанная система контроля механизмов в реальном времени была продемонстрирована в мае 2002 г., показав при этом замечательные результаты. Своими уникальными возможностями она, прежде всего, обязана программному обеспечению (Kim Donghyun, Langley R.B., Seungnam Kim. Shipyard Giants: High precision crane guidance / GPS World, V. 13, N 9. - 2002. - P. 28, 30, 32 - 34. - Англ.). Применение GPS для телевидения продемонстрировала частная компания Sportvision (г. Нью-Йорк, США), которая разрабатывает технологии телевизионных съемок для Интернета, спортивного телевидения и новых платформ средств информации. Среди ее самых современных новшеств - система RaceFX, которая включает GPS и другие технологии, чтобы отслеживать и показывать в реальном масштабе времени автомобильные гонки. Для этого в системе RaceFX используются компактные, быстродействующие GPS приемники, обеспечивающие определение положений гоночных машин. Вместе с другими входными данными система производит графические эффекты, соответствующие текущему виду камеры гоночной машины, непосредственно связывая положение транспортного средства в реальном масштабе времени с изображениями в телепередаче. Выполнение этого требует точной информации о положении выбранного автомобиля. Такое направление работы системы RaceFX определило набор сложных требований к ее разработчикам. Точные положения транспортного средства необходимо было получать и передавать в условиях высоко динамических действий гоночных состояний, в которых сигналы спутников GPS часто блокируются или искажаются многопутностью. Полученные положения тогда должны интерполироваться и связываться с изображениями на экране транспортных средств и связанной с ними графикой в реальном масштабе времени. Компания применила дифференциальный метод GPS по псевдодальностям и фазе, в котором обеспечивается точность в 50 см (1 sigma). Телеметрическая система передавала дифференциальные поправки от базовых станций GPS до гоночных машин с частотой 0.5 Гц, а информацию от машин к видеоподсистеме - с частотой 5 Гц (Milnes K., Ford T. Real-Time GPS FX. On-Screen Positioning of Racecars // GPS World, Vol. 12, No. 9, 2001. - P. 12 - 16. - Англ.). Из приведенных примеров видно, что эффективное применение спутниковой технологии нередко требует разработки специального программного обеспечения. Особенно это становится очевидным при использовании GPS для управления механизмами. В работе (Bevly D.M., Parkinson B. Carrier-phase differential GPS for control of a tractor towed implement // ION GPS 2000, Book of Abstracts, September 19 - 22, 2000. - Salt Palace Convention Center, Salt Lake City, Utah. - Англ.) сообщается о разработке Станфордского университета США по использованию GPS измерений для управления трактором, буксирующим сельскохозяйственное орудие. Трактор пе- ремещается по кривым траекториям, склонам, или контурам, где положения орудия и трактора могут отличаться. Дополнительно некоторые тяжелые орудия будут «тянуть» на одну сторону, создавая смещение в положении. Было принято решение управлять действительным положением орудия, а не положением трактора в этих различных обстоятельствах. Разработана простая аналитическая модель для объединения управления комбинацией трактора и орудия, подтвержденная экспериментальными данными с использованием дифференциального метода GPS позиционирования по фазе несущей на тракторе, а также на орудии. Затем был разработан контроллер и применен на экспериментальной системе, чтобы управлять положением орудия на заданном пути вдоль поля. Экспериментальные данные показывают возможности по управлению положением орудия в пределах 10 см от проектного пути. Позднее надежность этой разработки была значительно повышена путем дополнения инерциальной системы. Подобная разработка этого же университета для управления автоматизированными катками для подготовки снега на горнолыжных курортах Западной Европы описывается в работе (Opshaug G.R., Enge P. Robotic snow cat // ION GPS 2000, Book of Abstracts, September 19 - 22, 2000. - Salt Palace Convention Center, Salt Lake City, Utah. - Англ.). Уход за снегом всегда выполняется вечером или ночью, когда трассы свободны от лыжников. Автоматизированные (робототехнические) катки для снега имеют большое будущее, поскольку сокращают текущие эксплуатационные расходы на оплату работы операторов. Кроме того, автоматизированное транспортное средство можно более охотно использовать в лавиноопасной области. С точки зрения изготовителя, автономный снеговой каток не имеет никакой потребности в кабине оператора. Удаление кабины экономит вес и делает каток более низким и устойчивым. Были проведены испытания GPS автопилота для катка снега Bombardier MP Plus. Полные ошибки системы лежат в диапазоне 10 см. Мониторинг объектов при объединении с другими средствами позиционирования При всей своей привлекательности GPS технологии имеют ряд недостатков, которые ограничивают их применение в задачах мониторинга. Прежде всего, это падение точности из-за уменьшения числа спутников или из- за их неблагоприятной геометрии. Уменьшение количества доступных спутников чаще всего происходит из-за блокирования сигналов различными препятствиями. В некоторых случаях может происходить потеря захвата из-за ионосферных возмущений. Если число наблюдаемых спутников становится равным трем или меньше, то определение координат становится невозможным. Это выражается в увеличении различных геометрических факторов DOP. Для мониторинга объектов с низкой динамикой, когда наблюдения ведутся статическим методом сеансами в несколько часов или суток, кратковременное ухудшение геометрии не будет приводить к резкому ухудшению качества наблюдений [25]. Однако при коротких сеансах или при наблюдении кинематическим методом возможно получение резких искажений в характере движения наблюдаемых объектов. Другой недостаток GPS измерений заключается в том, что на малых расстояниях (менее 1 км) точность спутниковых измерений оказывается недостаточной. По этой причине многие авторы указывают, что GPS не является миллиметровым средством измерения расстояний. Улучшение геометрии может быть достигнуто за счет увеличения числа спутников, что можно сделать, объединив в одном приемнике возможности наблюдений спутников GPS и ГЛОНАСС. Двухсистемные навигационные приемники выпускаются рядом российских изготовителей. Геодезические двухсистемные приемники выпускает фирма Javad (США). Объединение спутниковой аппаратуры с инерциальной аппаратурой (гироскопами) дает возможность поддерживать позиционирование в тех ситуациях, когда сигналы спутников становятся недоступными, или падает качество геометрии. Инерциальная навигационная аппаратура непрерывно измеряет три взаимно ортогональных компоненты ускорения, производит численное интегрирование этих ускорений, чтобы получать мгновенные скорости, а затем интегрирует полученные скорости, чтобы получить текущее положение судна. Инерциальные системы обладают рядом преимуществ. Они имеют малый размер, могут выдавать результаты измерений в высоком темпе, переносят тяжелые условия эксплуатации. Недостатком их является быстрое возрастание ошибок со временем. Объединение GPS приемника и гироскопа дает ряд преимуществ. Прежде всего, это большая надежность, улучшение точности определения местоположения, возможность для работы в более трудных условиях. Инерциальная система помогает спутниковой системе обеспечивать точные начальные оценки положения и скорости, уменьшая время, необходимое для захвата сигналов, идущих от спутников. Если сигналы нескольких спутников пропадают по какой-либо причине, то инерциальная система позволяет быстро и эффективно выполнять захват сигналов. Непрерывные измерения скорости, даваемые инерциальной системой, помогают GPS приемнику быстро оценить величину доплеровского сдвига сигнала, чтобы можно было быстро сузить ширину полосы пропускания сигнала для его цепей слежения. Это улучшает динамику операций объединенной системы и повышает невосприимчивость к помехам. Другой способ усиления возможностей GPS наблюдений - это их объединение с псевдолитами (псевдо-спутниками), являющимися передатчиками, установленными на Земле в точках с известными координатами. Они передают сигналы, похожие на те, что транслируют спутники GPS. Псевдолиты могут значительно повышать точность позиционирования, особенно по высоте. Для приема сигналов псевдолитов должен использоваться специальный GPS приемник с соответствующими модулями электроники и программного обеспечения. Псевдолиты допускают позиционирование по коду (аналогия с абсолютным методом GPS), по коду и фазе дифференциальным методом и по фазе несущей волны относительным методом. В последнем случае возможно достижение точности сантиметрового уровня (Cobb S., O’Connor M. Pseudolites: enhancing GPS with ground-based transmitters // GPS World, Vol. 9, No. 3, 1998. - P. 55 - 60. - Англ.). Объединение спутниковой и инерциальной аппаратуры для целей мониторинга является распространенным явлением, о чем свидетельствуют частые публикации на страницах журналов «Navigation», «GPS World», «GPS Solutions». Фирма Honeywell Sensor and Guidance Products сообщает о разработке объ- единенной навигационной системы, включающей кинематический GPS приемник, работающий в реальном масштабе времени и обеспечивающий точность 2 см, и шестиосную инерциальную измерительную систему. Назначение этой системы автономная навигация наземного транспортного средства, руководство и управление (Schipper B., Soehren W., Mueller C.E. High performance, low cost commercial INS/GPS design // ION GPS 2000, Book of Abstracts, September 19 - 22, 2000. - Salt Palace Convention Center, Salt Lake City, Utah. - Англ.). Калифорнийский университет (г. Риверсайд, США) представляет результаты использования и экспериментов с одночастотной в реальном масштабе времени, дифференциальной GPS (DGPS), дополненной дешевой инерционной навигационной системой (INS). Используются несколько оригинальных алгоритмов, типа фильтра Калмана с пятнадцатью состояниями, фаза, сглаженная кодом и доплеровские поправки, чтобы осуществить DGPS/INS. В инерциальной системе используются недорогие монолитные гироскопы, работающие с частотой 150 Гц и объединенные с одночастотными дифференциальными фазами GPS, сглаженные кодом, и доплеровские измерения через дополнительный фильтр в 1 Гц. В реальном масштабе времени оценки состояния (положение, скорость и ориентировка) с частотой 150 Гц достигают дециметровой точности в положении и сантиметровой точности в скорости. Из-за ее дешевизны, работы в реальном масштабе времени и высокой частоты съема данных такие навигационные системы имеют много прикладных возможностей (например, авиация, автоматическая горная промышленность, сельское хозяйство, землечерпательные работы, управление автомобилем или другим транспортным средством и т. д.) (Yang Y. Low-cost single frequency DGPS aided INS for vehicle control // Proc. of ION GPS-99, 12-th Int. Tech. Meet. of the Satellite Division of the Inst. of Navigation, Nashville, Tennessee, Sept. 14-17. 1999. - P. 1419 - 1427. - Англ.). Многочастотные псевдолиты для мгновенного разрешения неоднозначности фазы несущей созданы для работы в карьерах IntegriNautics Corporation (США). Известно, что обычное позиционирование по GPS в карьерах значительно ухудшается, поскольку они становятся глубокими, а крутые стены блокируют сигналы спутников. В результате происходит потеря захвата сигналов, которая значительно подвергает опасности действия в горной промышленности. Создана система из 4частотных псевдолитов, позволяющая разрешать неоднозначности фазы за одну эпоху наблюдений (Zimmerman K.R., Melton W.C., Lawrence D.G., Cohen C.E. Multi-frequency pseudolites for instantaneous carrier ambiguity resolution // Proc. of ION GPS-99, 12-th Int. Tech. Meet. of the Satellite Division of the Inst. of Navigation, Nashville, Tennessee, Sept. 14-17. - 1999. - P. 1419 - 1427. - Англ.). Следующий пример относится к мониторингу отдельного пешехода. В геодезической лаборатории Швейцарского федерального института технологии разработан модуль навигации пешехода (Pedestrian Navigation Module, PNM), который может работать в закрытом помещении или на тротуарах, затененных высокими зданиями. PNM состоит из быстродействующего коммерческого GPS приемника, цифрового магнитного компаса со встроенными алгоритмами навигации и барометра-высотомера. Последняя версия модуля также содержит гироскоп для навигации внутри помещений и для улучшенной надежности в магнитно возмущенных областях. Масса прибора 150 г. Назначение - навигация для слепых, для чего имеется интерфейс с модулем Брайля. Возможна также выдача сообщений голосом. Другая область применения - координирование спасательных групп или индивидуумов при спасательных работах, когда необходимо знать положения каждого члена команды. Прибор обеспечивает точность порядка 10 м (Ladetto Q., Merminod B. In step with INS: navigation for the blind, tracking emergency crews // GPS World, Vol. 13, No. 10, 2002. - P. 30 - 38. - Англ.). Значительно более высокая точность при объединении GPS аппаратуры и инерциальной системы была достигнута в Дорожном центре Сибирского государственного университета путей сообщения (СГУПС, г. Новосибирск). Здесь для мониторинга железнодорожного пути создан аппаратно-программный комплекс (АПК), в котором спутниковая аппаратура дополнена прецизионной инерциальной системой. Недостатком инерциальной аппаратуры является нелинейное смещение нуль-пункта. Так, для курса креноуказателя (ККУ) смещение доходит до 6' за час. На малых расстояниях смещения нуль- пункта практически не влияют. Однако на больших расстояниях уход становится недопустимым, и инерциальной системе требуется калибровка, которую с успехом выполняет спутниковая система из пары двухчастотных GPS приемников, работающих в режиме кинематики. Один из приемников устанавливается на платформе, несущей гироскоп ККУ, другой приемник располагается на опорной точке, удаление которой может достигать 10 - 15 км. Работа GPS приемников и гироскопической системы синхронизируется. Съем координат с ККУ производится через каждые 2 см пути. Геометрические параметры пути определяются с точностью 1 - 2 мм, а координаты оси железнодорожного пути определяются с точностью 5 - 10 мм, что превышает точность обычного кинематического позиционирования двухчастотной аппаратурой. Высокая точность определения координат достигается за счет совместной обработки координат, полученных спутниковым приемником и гироскопической системой, которые имеют различную частотную составляющую изменения погрешности. Созданные приборы на базе этого способа могут применяться для съемки станций, горок, паспортизации, при калибровке вагонов-путеизмерителей, при проведении проектно-изыскательских работ под капитальный ремонт, на капитальном ремонте, при создании реперной сети, при диагностике пучинообразования. АПК внедряется по всей сети железных дорог России. Опыт работы с АПК показал, что необходимо иметь несколько модификаций, предназначенных для проектировщиков, мастеров пути, ремонтников пути (Щербаков, В.В. Координатный способ диагностики железнодорожного пути // Современные проблемы геодезии и оптики: Сб. материалов LIII междунар. научно-техн. конф., посвящ. 70летию СГГА, 11-21 марта 2003 г. Ч. III / В.В. Щербаков, К.М. Антонович, В.Д. Овчаров. - Новосибирск: СГГА, 2003. - С. 180 - 182.). В последнее время большой интерес проявляется в отношении применения псевдолитов для навигации роботов и других механизмов в помещениях, куда сигналы GPS не доходят (так называемая «внутренняя навигация» - indoor navigation) (Agnew W.G. Future drivers: autonomy, intelligence in robot competition // GPS World, V 13, No. 11, November, 2002. - P. 28, 30, 32, 34, 36. - Англ.). В 1999 г. лаборатория GPS Сеульского Национального Университета разрабо- тала систему внутренней навигации установки сантиметровой точности, используя асинхронные псевдолиты. Система была расширена в последующем году, чтобы включить восстановление потерь счета циклов фазы несущей и функции автоматического разрешения неоднозначности фазы. При использовании этой системы в качестве датчика положения и ориентации лаборатория создала систему контроля автомобилей (судов и других средств передвижения) и получила ошибки положения в 1 - 2 сантиметра. Эти результаты доказали, что при использовании псевдолитов возможна навигация внутри помещений (большая фабрика, луна-парк) или там, где GPS сигналы блокированы (Changdon Kee). Известны технологии объединения GPS с другими системами мониторинга, например, микроволновыми системами дистанционного зондирования (типа синтезированного апертурного радара SAR), микроволновыми и лазерными альтиметрами и др. Одним из примеров такого рода работ являются исследования Гренландского ледяного щита, проводимые Национальной съемкой и Кадастром Дании совместно с Университетом Копенгагена, Техническим университетом Дании, Датским центром дистанционного зондирования и Лабораторией реактивного движения США (Nielsen C.S. Polar positioning Tracking Greenlands Ice Sheet /GPS World, July 1999, V. 10, No 7. P. 42 - 44, 46, 48, 50. - Англ.). Применение GPS в службах, основанных на определении положения В последнее время в США, Европе, Австралии, Южной Азии появились службы, основанные на определении положения - Location-based services (LBS). Появились LBS-услуги в Москве. Эти службы обеспечивают пользователей специфичной, целенаправленной информацией, основанной на местоположении каждого определенного пользователя в любое время. В случае запросов в чрезвычайных ситуациях очевидно, что, если респонденты имеют информацию относительно местоположения людей, делающих запрос, то время ответа может быть уменьшено. Следовательно, безопасность и сохранность - важные соображения (факторы) для «мобильного общества». Второй тип применения - это информация о том, что имеется поблизости от мобильного устройства или от местоположения пользователя, и что разыскивается. Требуемая информация может быть связана с такими точками интереса, как больницы, рестораны, автостоянки и так далее. Такое обслуживание может обеспечивать информацию относительно интересующей пользователя точки или маршрута сопровождения, чтобы найти этот объект. Например, в случае вызова аварийной службы на место поломки газопровода, работник должен войти в область аварии и быстро найти местоположение нарушенной трубы, информацию о хозяевах близлежащих владений и т. д. Мобильное устройство с возможностью позиционирования может использоваться для того, чтобы сделать запрос в базу данных ГИС о задвижках, которые позволили бы изолировать поставку газа в соответствующее место. Служба LBS, представляющая собой систему беспроволочной связи, состоит из трех главных компонентов: мобильных центров переключения (MSC) или оборудования центральной обработки, базовых станций и телефонных трубок пользователей. MSC отвечает за взаимодействие с большим числом базовых станций, управление обработкой запроса и составление счетов (рис. 3.14). Они используют некоторые базы данных, типа Home Location Register (Регистр Местоположений Домов, HLR) и Visiting Location Register (Регистр Местоположений Посещений, VLR). Базовые станции являются «линиями связи» между MSC и телефонными трубками. Базовая станция управляет сотовой ячейкой в пределах беспроволочной телефонной сети, содержащей много мобильных телефонных трубок. Базовая станция типично включает блок управления, радиооборудование базовой станции и антенну. Мобильные телефонные трубки могут быть сотовыми телефонами или малыми ручными вычислительными устройствами, известными как Персональные Цифровые Ассистенты (PDA). В России их называют КПК - командными персональными компьютерами. Мобильная телефонная трубка состоит из блока контроля, интерфейса, приемопередатчика и антенной системы. Рис. 3.14. Элементы службы, основанной на определении местоположений (LBS): - мобильный телефон; - AGPS - Assisted GPS - система GPS, которой оказывается помощь; - BS - Base Station - базовая станция, определяющая приближенное положение (Approximate location); - Mobile Network - мобильная Сеть; - Service Gateway - служба доступа; - GMLC - Gateway Mobile Location Center - центр доступа к мобильному по- зиционированию; - SMS - Short Message Service - служба коротких сообщений; - GPRC - General Packet Radio System - система общей пакетной радиосвязи; - Wireless Internet - беспроволочный (радио) Интернет; - WML - Wireless Markup Language - язык для беспроволочных (радио) указаний; - HTML - Hyper Text Markup Language - гипертекстовый язык указаний; - Application Server - сервер приложений; - Spatial Database - пространственная база данных; - API - Application Program Interface - интерфейс программных приложений; - Billing Server - сервер для составления счетов. Когда пользователь (вызывающая сторона) делает запрос со своего сотового телефона, вызываемая базовая станция принимает запрос и передает его запрашиваемому MSC. Вызванный MSC обрабатывает запрос, устанавливает профиль запроса от базы данных и делает соответствующую информацию доступной MSC. Вызывающая сторона получает запрос через вызванную базовую станцию. Связь между MSC выполняется через установленную телефонную систему. Наиболее общий способ для мобильного позиционирования без использования GPS решения - по сотовой ячейке начала, по времени прибытия (сигнала), по углу прибытия (сигнала) и улучшенной разности наблюденного времени. Все методы используют беспроволочную телекоммуникационную систему непосредственно. Метод Cell of Origin (COO) - наиболее прямое решение и использует информацию об идентификации ячейки в пределах мобильный телефонной сети, чтобы идентифицировать приближенное местоположение абонента. Однако, этот метод часто не очень полезен из-за низкой точности позиционирования. Метод Time of Arrival (по времени прибытия, TOA) обычно использует сетевое решение по определению положения мобильных абонентов. Здесь для вычисления местоположения устройства используется различие во времени прибытия сигнала от мобильного устройства пользователя до, по крайней мере, трех базовых станций. Метод Angle of Arrival (по углу прибытия, AOA) определяет местоположение мобильного устройства по углу, под которым сигналы, переданные от этого устройства, достигают базовых станций. В методе улучшенной наблюдаемой разности во времени (Enhanced Observed Time Difference, E-OTD) местоположение мобильного устройства определяется по положениям приемников, которые географически распределены на обширной площади. Это так называемые Блоки Измерения Местоположения (Location Measurement Units, LMU), каждый из них имеет точные часы (источник точного времени). Когда это возможно для E-OTD (позволяет программное обеспечение), мобильные устройства и LMU принимают сигналы, по крайней мере, от трех базовых станций, по которым вычисляется разность во времени прибытия сигнала от каждой базовой станции основы на телефонную трубку и в LMU. Оцененное местоположение телефонной трубки рассчитывается по методу различия во времени через гиперболическую засечку. Метод E-OTD предлагает уровень точности от 50 до 125 м. Вторая группа методов определения положения абонентов основана на ис- пользовании спутниковой радионавигационной системы GPS. С ее помощью можно достигать сравнительно высокой точности, когда эксплуатационные условия благоприятны. В случае позиционирования вне помещений, когда сигналы от созвездия спутников GPS не блокируются препятствиями, гарантируется субдециметровая точность планового положения (<10 m). GPS - относительно зрелая технология, и современные аппаратные средства (приемники) становятся все меньше, легче, дешевле и потребляют меньше энергии, чем оборудование более ранних поколений. GPS, однако, имеет некоторые серьезные ограничения из-за сильного ослабления спутниковых сигналов зданиями, листвой и т. д. Поэтому GPS работает плохо (или вообще не работает) в условиях тесных городских улиц или внутри зданий. В то же время, это часто те самые области, где спрос на услуги, основанные на местоположении, самый высокий. Для преодоления этих неудобств появились технологии позиционирования, называемые Assisted-GPS или A-GPS, то есть GPS, для работы которой оказывается некоторая помощь. Assisted GPS (A-GPS) относят к методу GPS позиционирования, когда имеются вспомогательные данные, обеспечиваемые специальной GPS серверной или базовой станцией мобильной телефонной сети. A-GPS позволяет GPS позиционирование даже в городских условиях и внутри помещений, где сигнал слишком слаб для приема стандартной процедурой отслеживания в приемнике. Например, полученная методом COO информация о приближенном местоположении телефонной трубки, снабженной GPS, помогает прослеживанию спутниковых сигналов, а данные эфемерид, переданные на мобильный прибор от GPS приемника базовой станции, могут разрешать быстрое вычисление положения даже при так называемом холодном старте. МОНИТОРИНГ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ Измерительная система MonMos Система MONMOS представляет собой аппаратно-программный комплекс для автоматизации процесса высокоточных измерений в промышленных приложениях. Основное предназначение системы – строгий контроль геометрических параметров инженерных сооружений и их составных элементов в процессе строительства или эксплуатации. Система MONMOS позволяет достаточно просто работать с крупногабаритными конструкциями, доступ персонала на которые затруднен, чем обусловлено ее активное применение в условиях промышленного производства. Помимо этого система обеспечивает недоступный для традиционных геодезических приборов высочайший уровень точности координатных измерений, а результаты обмеров сразу становятся доступны для оперативного анализа. Благодаря своим возможностям система эффективно применяется на судостроительных верфях, в самолетостроении, на металлургических, сталелитейных и целлюлознобумажных комбинатах, при строительстве специальных сооружений – мостов, туннелей, объектов электроэнергетики, а также в ряде других специальных приложений. Структурно система состоит из трех основных компонентов – высокоточного электронного тахеометра, переносного контроллера и программного обеспечения. В качестве электронного тахеометра для системы MONMOS может использоваться любой инструмент из линейки высокоточных электронных тахеометров Sokkia серии NET. Использование того или иного инструмента диктуется требованиями по точности, предъявляемыми к системе для каждого конкретного приложения. Поскольку все инструменты Sokkia серии NET могут измерять расстояния на призмы, отражающие мишени и без использования отражателя, работа с системой обеспечивает необходимую гибкость при работе с любыми поверхностями. Более того, заблаговременная маркировка нужных точек (например, с помощью самоклеящихся отражающих марок) позволит избежать необходимости вновь и вновь посещать их по мере выполнения монтажа крупногабаритных конструкций (пролетов мостов, палубных надстроек в судостроении и т.п.). Отличительной особенностью всех тахеометров серии NET является наличие специального светодиодного излучателя для подсветки отражателей в случае недостаточной освещенности места работы, что многократно упрощает поиск точек измерений. Следует отметить, что для выполнения высокоточных измерений требуется применение специальных марок и пленочных отражателей. Выбор таких отражателей достаточно широк, они различаются по размеру, форме, методу крепления (на самоклеящейся основе, на магнитном креплении) и т.п. Для каждого конкретного объекта необходимо подобрать свой набор отражателей, позволяющих эффективно решить поставленные задачи. В качестве переносного контроллера используется ударопрочный портативный компьютер с полной алфавитно-цифровой клавиатурой и ЖК-дисплеем, имеющий защиту от влияния внешних условий IP64. Однако «сердцем» системы MONMOS является специальное программное обеспечение 3-DIM, которое объединяет различные компоненты в единую систему с новыми возможностями. В программном обеспечении 3-DIM имеется два модуля, один из которых (3DIM Observer) устанавливается в портативном контроллере, а второй (3-DIM Software) работает на стационарном ПК, либо на ноутбуке. В задачу устанавливаемой в контроллере программы 3-DIM Observer входит управление электронным тахеометром при выполнении измерений, оперативное решение задач координатной геометрии, анализ получаемых данных и подготовка отчетов с результатами измерений. Ключевой особенностью программы является возможность задания в начале измерений произвольно ориентированной системы координат, связанной с объектом измерений, и выполнения всех измерений тахеометром уже в этой системе координат объекта. Оси заданной системы координат могут находиться под любым углом к линии горизонта, тогда как вертикальная ось вращения тахеометра всегда перпендикулярна линии горизонта. Тем не менее, система MONMOS позволяет выполнять измерения сразу в системе координат (в том числе, наклоненного) объекта и оперативно контролировать ход работ, сравнивая получаемые результаты с проектными данными и вычисляя погрешности, например, монтажа конструкций. Управление работой тахеометра (выбор режима измерений, типа отражателя, загрузка точек проекта и т.п.) осуществляется из программы 3DIM Observer. Помимо этого, программа имеет набор встроенных вычислительных функций, позволяющих по результатам измерений сразу получать значения различных параметров. Как пример, программа позволяет: 133 вычислить расстояние между точками или от точки до линии (и проекции этого расстояния на оси системы координат);  вычислить координаты точки пересечения двух линий и угол, под которым эти линии пересекаются;  вычислить координаты центра окружности по измеренным на ней точкам;  рассчитать диаметр окружности (цилиндра) по измеренным точкам и оценить отклонения измеренных точек от геометрически правильной окружности;  по набору точек построить линию либо плоскость, наиболее точно аппроксимирующую эти точки, а также оценить величины отклонений точек от построенной линии или плоскости;  по набору точек на некой поверхности оценить горизонтальность этой поверхности;  вычислить площадь фигуры по координатам точек на ее границе;  сформировать отчет о вычисленных параметрах и полученных отклонениях. Устанавливаемое на стационарный ПК или ноутбук программное обеспечение 3-DIM Software еще больше расширяет возможности системы MONMOS. В программе имеется возможность представления данных как в графическом, так и в табличном виде. В качестве исходных данных в программу загружаются результаты измерений, выполненные мобильным комплексом системы (тахеометр + контроллер + программное обеспечение 3DIM Observer), а также проектные данные. В программу можно загружать результаты измерений, выполненные несколькими мобильными комплексами и в разных местах. Например, можно использовать данные с одного мобильного комплекса, установленного на палубе строящегося судна, а также данные обмеров очередной конструкции для этого судна, выполненные другим мобильным комплексом на заводе изготовителе. Программа позволит виртуально совместить поверхности сопрягаемых конструкций и оценить их совместимость до начала работ на стапеле. Функционал программного обеспечения 3-DIM очень широк, ниже перечислены лишь некоторые его возможности. Возможности программы 3-DIM:  Работа с проектными координатами, импорт/экспорт точек из/в AutoCAD, текстовых файлов. Создание наиболее удобных форматов вывода данных.  Импорт/экспорт проектных координат в контроллер 3-DIM Observer или непосредственно в электронный тахеометр.  Задание допусков и получение отклонений измеренных величин от проектных с отображением векторов ошибок (в графическом модуле).  Возможность работы не только с координатами, но и с размерами (длинами).  Возможность отображения результатов в трехмерном виде и в различных проекциях, масштабирование.  Задание различных систем координат (поворот, смещение, задание объектных систем координат).  Построение перпендикуляров к линиям; построение наилучшей (средней) окружности по набору точек, с выдачей отклонений каждой точки от окружности; построение средней линии по набору точек, также с выдачей отклонения от этой линии, по каждой точке; определение точек пересечения двух линий; определение углов между двумя линиями; определение отклонений точек от плоскости и т.д.  После проведения измерений на проектные точки, программа позволяет c помощью специального модуля Tolerance optimizer - провести оптимизацию процесса исправ 134   ления неточностей исполнения детали. Путем поворота смонтированной конструкции, который вычисляется программным модулем, достигаются минимальные отклонения измеренных точек относительно проектных, что максимально уменьшает рабочие затраты на исправление и корректировку монтируемой детали. Существует возможность ведения протокола для создания подробных отчетов с целью выдачи их заказчику. Печать абрисов деталей. Использование MONMOS (SOKKIA) ДЛЯ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ БУМАГОДЕЛАТЕЛЬНЫХ МАШИН (БДМ) MONMOS является трехмерной высокоточной системой контроля геометрических параметров различных инженерных сооружений, конструкций с последующим анализом полученных расхождений между проектными значениями и фактическими измеренными координатами. Измерительный комплекс такого рода необходим на заводах, где к точности производимой продукции предъявляются очень высокие требования, а сами изделия достигают значительных размеров. Система уже применяется в судостроении, авиастроении, при сборке вагонов для скоростных поездов, при контроле на заводах металлоконструкций, при монтаже прокатных станков и на целлюлозно-бумажных комбинатах. Основные составляющие части системы MONMOS - высокоточный электронный тахеометр NET1200 (рис. 1), контроллер на базе КПК с программным обеспечением 3-DIM Observer и программное обеспечение 3-DIM для персонального компьютера. В качестве измерительного блока выступает электронный тахеометр NET1200. Система обеспечивает определение пространственных координат точек с точностью десятых долей миллиметра на расстоянии до 100м. Летом 2005 года была осуществлена первая в России поставка измерительного комплекса MONMOS компанией ЗАО "Геодезические приборы". Было проведено обучение персонала компании-заказчика и, одновременно, была предоставлена уникальная возможность испытать систему на практике, в производственной среде целлюлозно-бумажного комбината (рис. 2, 3, 4). Современное потоковое производство бумажного полотна предъявляет высокие требования к точности установки узлов и агрегатов бумагоделательных машин (БДМ). Для эффективности производства бумаги и предупреждения появления брака на технологической линии приходится решать следующие задачи:  проведение высокоточного контроля взаимного положения осей валов (цилиндров) в пространстве относительно "главной" оси машины;  определение отклонения оси вала от плоскости горизонта;  проверка конусности валов, появляющаяся вследствие неравномерного их износа, неточной шлифовки или вследствие брака непосредственно при его производстве;  выверка элементов сеточного стола, необходимого для формирования и обезвоживания бумажного полотна, проверка и выставление его поверхности в плоскость горизонта и др. задачи. Следует отметить, что выполнение всех вышеперечисленных работ желательно вести в режиме реального времени или с непродолжительной задержкой между измерениями и вычислениями результатов. 135 Поточная технология требует производить измерительные работы за кротчайшее время, чтобы максимально уменьшить простои технологического оборудования. Важна возможность проведения контрольных измерений отдельных агрегатов БДМ, расположенных в труднодоступных местах. Две основные задачи, решаемые с помощью системы MONMOS:  контроль взаимного положения осей валов БДМ и их положения в плоскости горизонта;  проверка сеточного стола, плоскость которого должна находиться в горизонте. В первую очередь контролировали положение валов. Тахеометром с различных мест стояния были проведены многократные (3-5 измерений) измерения расстояния между двумя заранее выбранными и закреплёнными ориентирными точками. После осреднения была задана начальная Базовая линия координатной системы объекта. Таким образом, на объекте, по двум точкам была задана условная система координат. Затем после неоднократной привязки тахеометра в эту систему способом обратной засечки были определены остальные закреплённые ориентирные точки с контролем сходимости координат этих точек, полученных из разных мест установки тахеометра. Для определения с высокой точностью координат точек в системе MONMOS предусмотрена возможность проведения многократных измерений, дающая надежные результаты. Используя эту функцию, были проведены наблюдения характерных точек цилиндров. При переустановке прибора координаты новой точки стояния определялись методом многократной обратной комбинированной засечки. По результатам измерений характерных точек цилиндров были вычислены центры цилиндров и их радиусы. Для этого использовались программы, встроенные в контроллер. По полученным данным непосредственно на объекте определили диаметры переднего и заднего торцов цилиндров, что дало возможность оценить конусность валов. В программе 3-DIM Software на стационарном компьютере по полученным центрам цилиндров построили оси валов. После получения единой картины, используя встроенные функции программы, провели анализ взаимного положения валов и провели проверку горизонтальности каждого вала. В результате, используя возможности программы, графически отобразили отклонения в виде векторов ошибок, а также в таблице представили их абсолютные величины. По полученным результатам механики комбината исправили отклонения в положении валов, после чего для контроля была выполнена повторная исполнительная съемка цилиндров. Вторая задача заключалась в контроле положения верхней плоскости сеточного стола относительно горизонта. За исходный горизонт принималась отметка точки, высота которой не могла быть изменена. Остальные точки на поверхности стола выбирались равномерно в характерных местах, близких к механизмам юстировки. В итоге получили отклонения высот на поверхности агрегата от заданного горизонта. На основе результатов в модуле 3-DIM Software создали графический и табличный отчет. Затем механики произвели выравнивание стола. 136 Рис. 2. Внешний вид бумагоделательной машины Рис. 3. Измерение координат характерных точек цилиндров Таким образом, система MONMOS успешно прошла испытания в сложных и неблагоприятных условиях производственной среды (запылённость, высокая влажность и паровыделение, высокая температура сверх +35°С, оглушительный шум и вибрация работающих механизмов), при этом обеспечив высокую точность результатов и оперативность измерений. В процессе внедрения ещё одну особенность отметили специалисты комбината, что высокая степень автоматизации самого процесса измерений и получения конечных результатов, позволяет использовать систему MONMOS широкому кругу инженернотехнических работников, не имеющих специальной геодезической подготовки. 137 Рис. 4. Измерение контрольных точек на поверхности стола Тахеометры NET05AXII/NET1AXII (рис. 1) - это уникальные приборы. Имея угловую точность 0,5"/1" и точность измерения расстояний до отражающих пленок +(0.5 + 1 ppm x D ) мм, они обеспечивают определение пространственных координат точек в пределах 1 мм на расстоянии до 100 метров. NET05AXII/NET1AXIIпредоставляют возможность оперативного выбора одного из трех основных режимов измерения расстояния (безотражательный, по призме и по отражающим пленкам), что повышает удобство работы оператора и обеспечивает гибкий подход при решении сложных, нестандартных задач. Основные технические характеристики электронных тахеометров NET05AXII/NET1AXII приведены в таблице 1. Рис. 2 Для обеспечения высокой точности измерений мало иметь точный прибор, необходимы также специальные марки для размещения на измеряемом объекте. Фирма Sokkia предлагает целый набор марок с пленочными отражателями (рис.2), которые могут закрепляться 138 на объекте с помощью магнитных креплений. Их основным назначением является точное позиционирование на определяемых точках. Таблица 1. Технические характеристики электронного тахеометра NET1200 SOKKIA NET05AXII Угловая точность: 0,5" SOKKIA NET1AXII 1" Диапазон измеряемых растояний: на призму AP от 1.3 м до 3500 м от 1.3 м до 3500 м на призму CP от 1.3 м до 800 м от 1.3 м до 1000 м на пленку (RS50N-R) от 1.3 м до 200 м от 1.3 м до 200 м без отражателя от 0.3 м до 100 м от 0.3 м до 400 м Точность измеряемых растояний: на призму AP/CP (0.8 + 1ppm x D)мм (1.0 + 1ppm x D)мм на пленку (RS50N-R) (0.5 + 1ppm x D)мм (1.0 + 1ppm x D)мм без отражателя (1.0 + 1ppm x D)мм (2.0 + 1ppm x D)мм Вторая составная часть системы MONMOS - это контроллер с программой 3-Dim Observer (рис.3). Управляющий терминал выполнен на базе карманного компьютера с операционной системой Windows Mobile. Прибор имеет улучшенную функциональность благодаря наличию клавиатуры и сенсорного экрана, используемых для ввода и редактирования данных. Объем памяти контроллера практически не ограничен за счет использования сменных SD карт памяти. Прочный корпус прибора изготовлен из магниевого сплава, что обеспечивает надежную защиту от ударов, вибрации, пыли и влаги. Цветной TFT экран с возможностью подсветки дает четкое изображение даже при неблагоприятных условиях освещения. 139 Рис. 3 Контроллер обеспечивает управление тахеометром, накопление и анализ получаемых данных. Программа 3-Dim Observer обеспечивает быстрый выбор режима измерений, типа визирных целей, импорт проектных координат. Одна из основных задач программы - привязка в систему координат измеряемого объекта. Представим следующую ситуацию. Объект "А" при проектировании имел систему координат XYZ (рис.4). При монтаже на сборочной площадке объект имеет положение, показанное на рис.5, т.е. ось Z отклонена от вертикального положения на произвольный угол. Программа 3-Dim Observer позволяет, измерив характерные точки конструкции, задать проектную систему координат и проводить дальнейшие измерения в ней, облегчая сравнение проектных и непосредственно измеренных координат. Рис. 4 Рис. 5 Основные функции программы 3-Dim Observer приведены ниже:  Управление моторизованными электронными тахеометрами в режимах сканирования, выноски и трекинга;  Задание системы координат; 140 Управление измерениями;  Привязка к существующей СК;  Сравнение проектных и измеренных данных;  Съемка промышленных конструкций с последующим 3D-моделированием в другом ПО;  Функции оперативного мониторинга устанавливаемого оборудования;  Функции сканирования заданной области (при использовании моторизованных тахеометров)  Вынос точки с учетом смещения;  Накопление результатов измерений;  Задание плоскости по 3-м и более точкам с определением ее оптимального положения;  Набор функции аппроксимации групп точек объектами;  Задание прямой по группе точек с определением ее оптимального положения;  Определение расстояния по точкам с проекцией на оси системы координат;  Определение точки пересечения двух линий;  Определение расстояния от точки до линии с проекцией на оси системы координат;  Определение угла по трем известным точкам;  Определение угла по двум пересекающимся линиям;  Определение площади по координатам;  Определение диаметра окружности (цилиндра) по измеренным точкам и оценка величины отклонений координат измеренных точек от построенной «идеальной» окружности;  Определение координат центра окружности по измеренным на ней точкам;  Формирование отчетов о полученных в процессе вычислений значениях и погрешностях в формате html. Третья составная часть системы MONMOS - это программа 3-Dim. Исходными данными для работы программы являются результаты полевых измерений, которые возможно получать как напрямую из тахеометровNET05AXII/NET1AXII, так и из контроллера. Кроме этого, в качестве исходных, используются проектные данные, поступающие из проектирующих систем в графическом и табличном видах. В дальнейшем принятые данные используются для сравнения проектных и измеренных значений, фильтрации недоброкачественных результатов, построения векторов ошибок. 3-Dim дает возможность провести процедуру оптимизации допусков, позволяющим уменьшить трудозатраты при доводке деталей. Физический смысл процесса заключается во взаимном ориентировании запроектированной и измеренной модели с целью минимизации расхождений. Помимо этого, программа 3-DIM позволяет производить контроль геометрического положения точек относительно друг друга, производить статистический анализ полученных отклонений. Основные функции программы приведены в таблице 2.  Импорт данных Таблица 2. Основные функции программы 3-Dim Координаты в формате SDR Координаты в формате полевого контроллера 3dl 141 Координаты в формате txt Графику в формате dxf Вид представления информации Графический Табличный Возможности графических по- Точка строений Линия Окружность Дуга Сплайн Возможности графического анализа Координаты Расстояние Пересечения Угол по трем точкам Окружность по трем точкам Дополнительные возможности Сравнение проектных и измеренных величин по результатам измерений Задание предельных допусков Выбраковка точек по результатам сравнения проектных и измеренных величин Статистическая обработка полученных значений Оптимизация допусков с целью минимизации трудозатрат на доводку деталей Трансформация координат (поворот, сдвиг) Учет температуры измеряемого материала Система MONMOS обычно используется на заводах, где к точности геометрических параметров производимой продукции предъявляются очень высокие требования, а сами изделия достигают значительных размеров. Система MONMOS широко используется на ведущих судоверфях Европы, Кореи и США. Она нашла применение в авиастроительной промышленности, при сборке вагонов для скоростных поездов, при выходном контроле на заводах металлоконструкций, при монтаже оборудования прокатных станов и целлюлозно-бумажных комбинатов. Многолетний опыт использования, постоянно совершенствующаяся конструкция аппаратной части, развитие программного обеспечения делают систему MONMOS незаменимым помощником на целом ряде производств. Технические характеристики тахеометров серии NET Угловая точность: SOKKIA NET05 SOKKIA NET1 0,5" 1" Диапазон измеряемых растояний: 142 на призму AP от 1.3 м до 3500 м от 1.3 м до 3500 м на призму CP от 1.3 м до 800 м от 1.3 м до 1000 м на пленку (RS50N-R) от 1.3 м до 200 м от 1.3 м до 300 м без отражателя от 0.3 м до 40 м от 0.3 м до 200 м на призму AP/CP (0.8 + 1ppm x D)мм (1.5 + 1ppm x D)мм на пленку (RS50N-R) (0.5 + 1ppm x D)мм (1.0 + 1ppm x D)мм без отражателя (1.0 + 1ppm x D)мм (3.0 + 1ppm x D)мм Точность измеряемых растояний: Автонаведение (дальность действия): Пленка (90*90 мм) Призма (AP) 50 м 1000 м Автотрекинг (дальность действия): Призма (AP) 800 м Немаловажно отметить, что в процессе испытаний приборов Германской службой калибровки (DKD) в физико–техническом Федеральном ведомстве в Брауншвайге была достигнута точность, превышающая характеристики, заявленные SOKKIA: Кроме высокой точности и большого числа полезных функций, встроенных в программное обеспечение приборов, моторизованные тахеометры серии NET получили уникальную возможность распознавания центра пленочного отражателя и автоматическое наведение на него, что значительно расширяет спектр их применения и позволяет работать более гибко, без использования обычных призм. Кроме того, из технических характеристик моторизованных тахеометров серии NET можно увидеть, что наибольшая точность измерения расстояний достигается именно на пленочные отражатели. Помимо тахеометров серии NET, партнерами фирмы SOKKIA - компанией GLMLASER выпущено обновленное программное обеспечение полевого контроллера 3DimObserver. Версия для работы с моторизованными тахеометрами называется 3DimObserver Motorized. 143 Электронный полевой журнал 3DimObserver Помимо функций, описанных в ранее вышедших статьях, контроллер получил некоторые новые интересные возможности: сканирование, трекинг, мониторинг, обратный инжиниринг, автоматический поиск измеренной точки в списке. При использовании контроллера 3DimObserver Motorized и моторизованных тахеометров серии NET мы получаем ряд очень интересных функций, на которых хотелось бы остановиться более подробно, так как они могут заинтересовать широкий круг пользователей: Сканирование. Использование этой функции позволяет осуществить сканирование выбранной произвольной области, описанной тремя или более точками в безотражательном режиме. При этом есть возможность задания детальности сканирования в виде расстояния между соседними точками измеряемым точками. Также возможно производить сканирование не только произвольной области, но и вдоль заданной линии, также указав необходимую детализацию съемки. Результаты съемки будут записаны в файл контроллера. Использование этой функции будет полезно при измерениях сложных объектов, где точности производимых на данный момент лазерных сканирующих систем будет недостаточно или использование самих сканеров окажется экономически невыгодным. Спектр таких приложений особенно широк именно в промышленности. 144 Результат использования функции сканирования Трекинг. При наличии призмы возможно использование системы, состоящей из роботизированного тахеометра и контроллера в качестве трекера. При этом прибор в автоматическом режиме отслеживает перемещение призмы, а контроллер фиксирует необходимые пользователю точки в своей памяти. Стоит упомянуть, что стоимость лазерных трекеров на данный момент времени составляет свыше 100 тыс. евро. Безусловно, тахеометр не обеспечит того же уровня точности, как оригинальный трекер, но будет полезна также для фиксации отдельных произвольных точек при съемке объектов со сложной геометрией. Принципиальное отличие от предыдущего метода (сканирования) заключается в том, что при измерениях в режиме трекинга мы можем зафиксировать только требуемые точки, а не сканировать некую заданную площадь. При этом сохраняется возможность произвольного выбора точек простым перемещением призмы, которую отслеживает прибор. Мониторинг. Используя эту функцию, прибор отслеживает некоторый заранее определенный набор точек, на которых могут быть закреплены как обычные отражатели, так и пленочные. При изменении положения одной или нескольких точек информация об их смещениях выводится на экран контроллера. Данная функция может быть очень полезна в производстве при мониторинге процесса установки сложного оборудования в проектное положение. Поскольку в данном случае чаще всего на объекте измерений закрепляются пленочные отражатели, возможность распознавания их центров оказывается как нельзя кстати. Это дает позволяет обойтись без закрепления на объекте призм, установка которых может быть сопряжена с дополнительными сложностями. Помимо отслеживания перемещения контрольных точек, есть возможность анализа смещений точек по окончанию мониторинга (при использовании сторонних программ). 145 Использование функции мониторинга Обратный инжиниринг. При работе на небольших объектах есть возможность производить съемку промышленных конструкций аналогично тому, как эта работа выполняется с трехмерным лазерным сканером. При этом на трубах, например, фиксируются только ключевые точки труб, положение фланцев. После съемки ключевых точек данные передаются в специальную графическую программу - Rhinoceros, для которой компанией GLM-LASER написан дополнительный модуль - Pictor_3D, после чего в ней становится возможным построение систем трубопроводов и экспорт этих данных в системы автоматизированного проектирования. Такой метод работы будет очень эффективен на небольших объектах, где применение трехмерного лазерного сканирования в широких масштабах не оправдано. Более того, моторизованный тахеометр и контроллер будут стоить гораздо дешевле, чем система лазерного сканирования и окажутся гораздо компактнее, мобильнее и универсальнее. 146 Съемка промышленного объекта Процесс обратного инжиниринга Автоматический поиск измеренной точки в списке. При работе с большим количеством точек в контроллере бывает трудно найти нужную точку по номеру или значению проектных координат. В программное обеспечение контроллера была внесена полезная функция, которая позволяет найти нужную точку в списке, лишь произведя измерения. При этом программа сравнивает измеренные значения с проектными (внесенными ранее) 147 и находит в списке точку, которая с минимальными отклонениями соответствует только что измеренной. Умный вынос точки. Помимо стандартного выноса точки прибор может указывать местоположение выносимой точки, если сама точка недоступна. Сам вынос происходит автоматически - сначала прибор производит первое наблюдение, на основании которого вычисляется предполагаемое положение выносимой точки. Если поверхность ровная, то произведя контрольное измерение, прибор лазерным лучом указывает местоположение над (под) выносимой точкой. Использование функции выноса точки Важным моментом, обеспечивающим удобство работы с системой, является то, что как программное обеспечение моторизованных тахеометров, так и программное обеспечение 3DimObserver Motorized русифицировано. Кроме того, для связи тахеометра и контроллера теперь используется беспроводной канал связи Bluetooth, что избавляет от "привязанности" к тахеометру. По сути дела, при использовании моторизованных тахеометров серии NET в ряде случаев оператор системы может находиться в непосредственной близости от объекта съемки, а не стоять рядом с прибором, что создает дополнительное удобство, когда работы производит лишь один человек. Стоит упомянуть, что использование функций контроллера 3DimObserver возможно не только с высокоточными приборами серии NET, но и с обычными электронными тахеометрами SOKKIA серий SET и SRX, что делает контроллер универсальным. В этом случае точность производимых измерений будет зависеть от точности используемого электронного тахеометра. 148 149 IGPS (Indoor GPS) IGPS (Indoor GPS) – или система внутрицехового позиционирования, занимающая особое положение в среде 3D измерительной техники. Её название пришло из навигационных систем глобального позиционирования (GPS – Global Positioning Systems), так как данная система использует схожие принципы определения координат. IGPS работает как внутри помещений, так и в открытом пространстве. Основное назначение данной системы – контроль геометрических параметров крупногабаритных объектов в режиме реального времени. Характерные для данной системы задачи – это, прежде всего, стыковка отсеков, контроль геометрии, мониторинг при динамических испытаниях объектов и многое другое. iGPS позволяет получать координаты большого количества точек в режиме реального времени до 40 раз в секунду, что позволяет не только наблюдать, но и управлять динамическими процессами [9]. Принцип работы системы iGPS заключается в следующем: инфракрасные лазерные передатчики (аналоги спутников GPS) (рисунок 5) закрепляются неподвижно в пространстве цеха вокруг измеряемого объекта. Такими объектами могут быть крупногабаритные части и сборочные элементы самолетов, автомобилей, кораблей. В контролируемых точках устанавливаются сенсоры, которые принимают сигналы от передатчиков и вычисляют угол и расстояние, основываясь на времени прихода инфракрасных импульсов, излучённых передатчиком. Усилитель преобразовывает аналоговые сигналы в цифровые импульсы, а приемник преобразует цифровые импульсы в угловые данные. Программное обеспечение сети iGPS обрабатывает угловые данные в высокоточные координаты и выдает полученные данные в клиентскую сеть, как внутри цеха, так и за его пределами. 150 Рисунок 5 – Инфракрасный лазерный передатчик Поскольку число используемых передатчиков фактически неограниченно, размеры и форма объекта измерений может быть полностью определена потребителем. Увеличение количества передатчиков (особенно при работе с крупными объектами) улучшает точность и надежность измерений, при этом не возникает необходимости в переустановке и перезагрузке измерительного оборудования. Такая гибкость является ключевой для этой технологии. Применение iGPS. Авиастроительные компании затрачивают огромные средства на изготовление и поддержание в рабочем состоянии оснастки, особенно шаблонов, необходимых при производстве самолётов. Для каждого нового проекта необходимо изготавливать новые шаблоны, модернизировать или изготавливать новую оснастку. IGPS сберегает средства и время производителей, позволяя им отказаться от шаблонов и перейти к процессу действительного уравнивания, при котором элементы точно располагаются и собираются внутри цеха. Например, датчики могут быть установлены на крыле, 151 и возможно точное отслеживание перемещения крыла при его стыковке к фюзеляжу (рисунок 6). При этом контролируемые точки постоянно сравниваются с теоретически рассчитанными точками, заложенными в CAD модели, которая загружается в программное обеспечение системы iGPS. Обе стыкуемые части совмещаются математически на экране компьютера и их положение постоянно контролируется для обеспечения высокой точности стыковки. Рисунок 6 – Стыковка крыла с использованием iGPS Другим важным преимуществом iGPS является возможность быстрой и легкой модернизации. При измерении геометрии отсека или другой части сенсоры заново расставляются на точки с известными координатами, загружается новая CAD модель, и система готова продолжать работу. Таким обра152 зом, использование системы iGPS позволяет отказаться от применения шаблонов и значительно сократить номенклатуру используемой оснастки. Еще одной из многих областей применения систем iGPS является область робототехники. Сенсоры устанавливаются на манипуляторах роботов сборочных линий, что позволяет контролировать их перемещение с высокой точностью и, соответственно, точнее и надежнее управлять сборочным процессом. Также возможен контроль перемещения любых частей в пределах производственного помещения. Принцип работы лазерного передатчика. Каждый передатчик испускает два веерообразных луча приблизительно перпендикулярных горизонтальной плоскости. Каждый луч имеет раскрытие приблизительно ±30° и наклонен относительно вертикальной оси на 30° (рисунок 7). Рисунок 7 – Геометрия лучей передатчика Оптическая головка передатчика вращается, таким образом, лучи охватывают все измерительное пространство. Скорость вращения каждого передатчика – уникальный идентификатор, который позволяет отслеживать приемники и выделять сигналы от каждого конкретного передатчика. Третий оптический сигнал излучается передатчиком в начале каждого круга вращения. Этот широкий стробирующий импульс служит сигналом синхронизации для приемников. Вертикальный раскрыв лучей, горизонтальный 153 раскрыв строба и дальность для лазеров и оптического строба определяют измерительное пространство, покрываемое одним передатчиком. Приемник, находясь в измерительном пространстве, обнаруживает и обрабатывает эти сигналы от каждого видимого передатчика. Начальная обработка состоит из измерения времени между лазерными засветками приемника и времени между последней лазерной засветкой и стробом. Эти данные называются интервалами. С того момента, как известны характеристики передатчика, интервалы могут быть преобразованы в угловые данные, которые представляют горизонтальные углы, образующиеся между двумя лазерными засветками и стробом и следующей лазерной засветкой. Так как угол наклона между двумя веерообразными лучами известен, угловые данные пересчитываются к азимутальной и угломестной координате относительно передатчика. Сочетание величин азимута и угла места, измеренных от приемника к передатчику, определяет линию в пространстве, проведенную от передатчика к приемнику. Когда приемник видит два и более передатчика, положение приемника может быть вычислено, используя метод триангуляции, при условии, что передатчики объединены в сеть с известными точками стояния. Процесс установки и монтажа системы iGPS определяет положение и ориентацию каждого передатчика во внутренней сети. Имея угловые данные от двух и более передатчиков, и зная положение и ориентацию каждого передатчика, можно вычислить положение приемника в 3D измерительном пространстве. Эти координаты вычисляются при помощи встроенного программного обеспечения и могут быть переданы в сторонние программы обработки. Кроме того, существует возможность получать координаты приемников при помощи портативных «наладонных» ПК. 154 Системы мониторинга реального времени Датчики основанные на волоконных брэговских решетках Эту задачу можно решить с применением полиимидных поверхностных датчиков деформации. Используется маленький высокочувствительный элемент волоконно-оптических измерителей - волоконная брэгговская решетка (рисунок 6) (ВБР)  повторяющаяся конструкция, записанная в оптическом волокне, которая отражает малый диапазон длин волн света и пропускает все оставшиеся. Данный результат добивается методом создания повторяющегося изменения коэффициента преломления в центре волокна. Рисунок 6  Схема ВБР Лазер, находящийся в анализаторе сигналов, отправляет несколько длин волн (рисунок 7) около 100 раз в секунду. При прохождении лазерного излучения сквозь волокно участок его для предназначенной длине волны отражается от решетки. Данный максимум отраженного излучения фиксируется измерительной техникой. В следствии влияния многочисленных физических характеристик меняется промежуток между участками решетки Брэгга, а вдобавок показатель преломления волокна. Должным образом, меняется длина волны излучения, которая отражается от решетки. Согласно изменению длины волны, имеется возможность узнать точные свойства изменений. 155 Рисунок 7  Схема определения длины волны Каждая секция брэгговской решетки отражает маленький участок излучения, пропускаемого сквозь оптоволокно. Для длины волны, в 2 раза большей, чем период решетки, отраженные потоки формируются в фазе. В следствии получается отраженный оптический сигнал с узеньким спектральным участком. Длина волны отраженной решеткой называется брэгговской. Брэгговская длина волны находится в зависимости от температуры и натяжения волокна. При воздействии на оптическое волокно (температура, давление и др.) коэффициент преломления и интервал среди ячеек решетки меняется и от нее отражаются волны остальной длины. По смещению отраженной длины волны (рисунок 8) формируются требуемые свойства (температура, давление, деформация и др.). 156 Рисунок 8  Смещение длины волны В оптоволоконных системах на базе Брэгговских решёток измеряемое значение преобразуется в перемещение брэгговской длины волны. Режим регистрации преобразует перемещение длины волны в гальванический сигнал. Чуткий компонент подобного датчика не имеет электронных элементов и потому он считается абсолютно пассивным, что обозначает допустимость применять его в участке высокой взрывоопасности, агрессивности, мощных электромагнитных помех. На одном волокне возможно существовать множество брэгговских решёток, любая из которых передает отклик на своей длине волны. В данном случае взамен маленького датчика мы приобретаем распределённую систему регистрации с мультиплексированием по длине волны. Применение длины волны света в качестве информационного параметра делает датчик нечувствительным к длительным перемещения характеристик источника и приёмника излучения, а также неожиданным затуханиям оптической мощности в волокне. Превосходство волоконно-оптических ВБР-измерителей: 157  большой интервал измерений;  возможность интеграции датчика в структуру объекта;  полная пожаро- и взрывобезопасность;  передача сигнала на далекие дистанции;  объединение нескольких измерителей в одном оптоволоконном канале;  нечувствительны к электромагнитным и радиочастотным воздействиям;  не вызывают перекалибровки (устойчивы во времени при постоянных внешних условиях). Контролировать деформации деревоклееных балок купола предложено с использованием точечных волоконно-оптических датчиков ASTRO A526. Для корректировки деформаций требуется установка датчиков температуры ASTRO A512 (датчик температуры приклеиваемый поверхностный  необходим для термокомпенсации деформации) производства компанией ООО «Инверсия-Сенсор». Эти датчики имеют клеевое крепление и не требуют крепления шурупами, в отличие от других видов датчиков. Такие системы уже нашли применение на гидротехнических и мостовых сооружениях, объектах дорожной инфраструктуры, в тоннелях и бассейнах, при наблюдениях за фундаментами и железобетонными опорными конструкциями. Полиимидный поверхностный датчик деформации ASTRO A526 (датчик деформации поверхностный изображен на рисунке 9) – это датчик деформации, используемый для мониторинга деформационных усилий. Применяется для мониторинга обшивок и деталей, изготовленных из композитных материалов. Датчик приклеивается на контролируемую поверхность (трубы, балки, металлические опоры, композиты и другие стальные и композитные поверхности). Основные технические параметры приведены в таблице 6. 158 Рисунок 9  Полиимидный поверхностный датчик деформации ASTRO A526 Таблица 6 Наименование Характеристика Диапазон измерения деформации, мкм/м -2500 ... +2500 Разрешение, мкм/м 1,0 Приведённая погрешность измерения де- 1,0 формации, % Рабочий диапазон температур, °C -20 ... +80 Диапазон длин волн, нм 1500 - 1600 Материал корпуса полиимид Продолжение таблицы 6 Наименование Характеристика Тип соединения по требованию Габариты, мм 40х12х0,2 Вес, г 1 Датчик температуры ASTRO A512 (рисунок 10) на дюралевой подложке – это датчик температуры используется как для наблюдения за температурной характеристикой, так и для термокомпенсации датчиков деформации. A512 приклеивается на контролируемую поверхность (трубы, балки, метал159 лические опоры и другие стальные поверхности). Основные технические параметры приведены в таблице 7. Рисунок 10  Датчик температуры ASTRO A512 Таблица 7 Наименование Характеристика Диапазон измерения температуры, °C -50 ... +80 Разрешение, °C 0,1 Приведённая погрешность измерения тем- 0,1 пературы, % Продолжение таблицы 7 Наименование Характеристика Диапазон длин волн, нм 1500 - 1600 Материал корпуса Алюминиевый сплав (Д16) Тип соединения FC/APC без коннекторов Габариты, мм 26х5х2 Толщина кабеля, мм 0,9/3 Вес, г 2,5 160 При монтаже на объекте необходимое количество датчиков последовательно соединяются в линию. Для опроса датчиков используется волоконнооптический анализатор сигналов ASTRO A312, который может иметь до 16 каналов. Один канал анализатора сигналов может опрашивать до 20 датчиков одновременно. В масштабных системах мониторинга для увеличения количества опрашиваемых каналов могут применяться мультиплексоры ASTRO A114. Стоечный анализатор сигналов ASTRO A312 (рисунок 11) разработан специально для опроса датчиков на основе ВБР. Широкий динамический диапазон и высокая выходная мощность позволяют производить измерения с высоким разрешением даже на длинных волоконных линиях и при существенных потерях на соединениях. Рисунок 11  Стоечный анализатор сигналов ASTRO A312 Корпус адаптирован специально для удобства установки в 19” серверную стойку. Основные технические характеристики приведены в таблице 8. Таблица 8 Наименование Характеристика Частота опроса, Гц 1 или 100 Диапазон длин волн, нм от 1500 до 1600 161 Связь Ethernet Число оптических каналов 4 Число датчиков на канал, не более 25 Разрешение, пм 1,0 Погрешность измерения длины волны, пм ±2,0 или ±10 Оптический разъем FC/APC или SC/APC Рабочий диапазон температур, °C От +10 до +40 Условия работы, влажность, % От 0 до 90, без конденсата Напряжение питания, В 100-240 Номинальная потребляемая мощность, Вт 40 или 20 Габариты, мм 480х84х400 Вес, кг 5 Волоконно-оптический мультиплексор ASTRO A114 (рисунок 12) предназначен для увеличения количества опрашиваемых каналов анализатора сигналов. Позволяет выстраивать централизованные системы мониторинга при необходимости опроса большого количества датчиков. Корпус адаптирован под размещение в 19” стойку для удобства монтажа и эксплуатации. Основные технические характеристики приведены в таблице 9 Рисунок 12  Волоконно-оптический мультиплексор ASTRO A114 162 Таблица 9 Наименование Характеристика Диапазон длин волн, нм от 1270 до 1670 Число оптических входов/выходов 1/16 Режим работы одномодовый(SM) Вносимые потери, dB 1.3 Время переключения, с <1 Оптический разъем FC/APC Связь Ethernet Условия работы, температура, °C От +10 до +40 Условия работы, влажность, % От 0 до 90, без конденсата Габариты, мм 480х84х400 Вес, кг 2,5 Места размещения датчиков и схемы прокладки коммутации (приложение В) должны быть согласованы с проектной организацией. Пример серверной на рисунке 13. 163 Рисунок 13 – 8-канальный мультиплексор ASTRO A113 и анализатор сигнала ASTRO A311 Презентация стадиона ЗАРЯ 164