CC BY
50
Borisov, Vadim Vladimirovich, doctor of technical Sciences, professor, junior researcher, research center, alks 72@mail. ru, Russia, Smolensk Military Academy of the military defense of the Armed Forces of the Russian Federation named after Marshal of Soviet Union A. M. Vasilevsky,
Sidoruk Denis Aleksandrovich, deputy head of the research department of the research center, zdioruk. denisayandex. ru, Russia, Smolensk Military Academy of the military defense of the Armed Forces of the Russian Federation named after Marshal of Soviet Union A. M. Vasilevsky
УДК 69.059.4
МОНИТОРИНГ ОБЪЕКТОВ НАЗЕМНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ СПУТНИКОВЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ
С.И. Богомолов, С.Ю. Карасев, В.Н. Щельников
Изложены современные принципы безопасной эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры. Проведен анализ состава, назначения и особенностей объектов инфраструктуры. Оценены контролируемые параметры инженерных сооружений. Рассмотрены основные принципы создания систем мониторинга уникальных зданий и сооружений.
Ключевые слова: мониторинг, космодром, наземная космическая инфраструктура, ГЛОНАСС, уникальные здания и сооружения.
Безопасная эксплуатация объектов наземной космической инфраструктуры (НКИ) определяется надежностью функционирования входящих в ее состав зданий и сооружений, которые в результате влияния техногенных и природных воздействий различного характера могут испытывать значительные статические и динамические нагрузки, вызывающие перенапряжение и деформацию несущих конструктивных элементов. Подобные воздействия также приводят к перемещениям зданий и сооружений в пространстве. При этом пространственные изменения положения сооружений носят как постоянный (статический), так и временный (динамический) характер.
Для выработки обоснованных рекомендаций по применению навигационных технологий для мониторинга НКИ необходимо:
провести анализ состава, назначения и особенностей объектов НКИ;
выполнить классификацию состояния объектов наземной инфраструктуры;
провести оценку целесообразности и необходимости мониторинга взаимного пространственного линейного и углового положения, целостности, деформации, отклонений, колебаний, вибрации, скорости перемещения объектов.
По составу и назначению можно выделить следующие объекты НКИ [1]:
здания;
инженерные сооружения; автомобильные и железные дороги; линейные сооружения; специальный транспорт.
Все эти объекты образуют две группы территориальных и/или объектовых совокупностей космических средств (за исключением орбитальных средств и средств выведения). Одна из них предназначена для проведения испытаний ракетно-космической техники и подготовки и пуска РКН, другая - для обеспечения этой деятельности.
В состав первой группы входят: технические и стартовые комплексы, измерительный комплекс космодрома, заправочно-нейтрализационные станции, кислородно-азотный завод.
Ко второй группе относятся: системы связи и передачи данных, дорожно-транспортные сети и узлы, склады и базы хранения, объекты электро-, тепло- и водоснабжения, канализации и социально-бытового назначения. Объекты второй группы образуют техническую инфраструктуру космодрома.
Действующие нормативные документы [2, 3] предписывают проводить мониторинг уникальных зданий и сооружений в постоянном режиме. В соответствии с [2] и [4] уникальным зданием (сооружением) считается объект капитального строительства, в проектной документации которого предусмотрена хотя бы одна из следующих характеристик: высота более 100 м, пролеты более 100 м, наличие консоли более 20 м, заглубление подземной части (полностью или частично) ниже планировочной отметки более чем на 15 м, с пролетом более 50 м или со строительным объемом более 100 тыс. м3 и с одновременным пребыванием более 500 человек.
В соответствии с этим к уникальным сооружениям НКИ, требующим постоянного мониторинга, можно отнести стартовые сооружения (СС) и монтажно-испытательные корпуса (МИК).
Задачами мониторинга технического состояния НКИ являются: сбор и обработка информации о состоянии; оценка и анализ текущего состояния; прогноз изменения состояния;
обоснование предложений по предотвращению неблагоприятных изменений состояния;
анализ результатов принятых решений.
Для измерений деформаций, прогибов, отклонений от вертикали и кренов в настоящее время широко используются стационарные и переносные геодезические приборы. Среди систем мониторинга, позволяющих осуществлять контроль состояния сложных инженерных конструкций, можно выделить два типа:
системы контроля внутренних изменений состояния конструкций; системы контроля смещения конструкций.
К первому типу относятся системы, использующие рентгеновские и ультразвуковые излучения, метод акустико-эмиссионной диагностики, различные методы определения резонансных частот сооружения и др.
Классические системы второго типа для контроля смещений строятся на базе акселерометров, контактных и бесконтактных датчиков положений и перемещений, а также с использованием геодезических приборов: нивелиров, теодолитов, лазерных дальномеров и оптических тахеометров.
В последнее время активно применяется динамический и статический мониторинг зданий и сооружений с использованием глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/ОР8, работающих по принципу радарного сканирования.
Схема мониторинга с использованием систем ГЛОНАСС/ОР8 базируется на классическом типе геодезической сети для выявления деформаций, т.е. методе определения смещений контрольных пунктов относительно базовых (исходных), расположенных вне зоны деформаций (колебаний).
Состав системы мониторинга с использованием ГНСС:
сеть базовых станций вне зоны деформаций;
сеть станций на наблюдаемом объекте (рабочие станции);
система персональных компьютеров с соответствующим программным обеспечением для управления системой мониторинга;
система коммуникаций (каналы связи для передачи данных);
средства обеспечения безопасности, бесперебойного электропитания;
реперы государственной геодезической сети.
Рассматриваемый метод мониторинга инженерных сооружений имеет следующие достоинства (преимущества):
1. Одновременный контроль по трем взаимно перпендикулярным осям с потенциальной ошибкой в несколько мм.
2. Отсутствие необходимости прямой видимости между опорным и контролируемым пунктами.
3. Возможность контроля в реальном масштабе времени.
4. Независимость от времени суток и погодных условий.
5. Простота применения - переносная малогабаритная аппаратура, легко устанавливаемая на контролируемом объекте.
6. Непрерывность наблюдения.
7. Возможность совместного использования с другими средствами мониторинга (акселерометрами, тахеометрами и т.д.).
Схема мониторинга с использованием глобальных навигационных систем базируется на классическом типе геодезической сети для выявления деформаций, т.е. методе определения смещений контрольных пунктов относительно базовых, расположенных вне зоны деформаций.
В зависимости от типа исследуемого сооружения применяется необходимое количество приемников и базовых станций, что позволяет с большой точностью контролировать его движение. Установка двух или
более базовых станций вне сооружения, а затем наблюдение множества базовых линий до намеченного сооружения гарантирует, что перемещение намеченного сооружения будет выявлено.
Чтобы определить просто положение на местности (широту и долготу), потребуется получить сигнал минимум трёх спутников, а если нужна ещё и высота над уровнем моря-минимум четырёх. Чем больше сигналов ловит приемник, тем точнее и быстрее определяется его местоположение.
Высокие частоты и темп записи данных лучше подходят для мониторинга динамических деформаций у сооружений типа высоких зданий и мостов с большими пролетами при их длительном мониторинге, в то время как низкие частоты лучше подходят для медленно или импульсивно деформирующихся массивных сооружений [5].
Применение спутниковых технологий позволяет определять положение фиксированных точек строительных конструкций зданий и сооружений в реальном времени, а также дает возможность получения детального описания эксплуатационных характеристик сооружения в течение длительного периода времени. Преимущество такого мониторинга состоит в его непрерывном характере, в том числе в реальном времени, а также в наличии возможности оповещения заинтересованных лиц о достижении критических деформаций. Помимо данных об общем изменении положения здания в пространстве с течением времени, мониторинг с использованием ГЛОНАССЮРЗ дает возможность исследовать и анализировать колебания высотных сооружений.
При проведении долгосрочного и непрерывного мониторинга деформаций сооружений суточные или сезонные эффекты легко выявляются как фоновый шум в числовых диаграммах, таблицах и графиках, показываемых системой. Влияние сезонных факторов может быть удалено методами спектрального анализа.
Сущность радарного мониторинга (сканирования) смещений и деформаций зданий и сооружений для каждой из выбранных точек состоит в восстановлении хронологии изменения фазы электромагнитного сигнала во времени, которая затем математически пересчитывается в смещения в миллиметрах. Дополнительно в процессе обработки применяется специальный фильтр, удаляющий возможное влияние атмосферы на интерферо-метрическую фазу.
Способ определения координат навигационного приемника, заключается в том, что спутниковые измерения дальности принимаются навигационным приемником и базовой станцией, причем сигналы измерения дальности, принятые базовой станцией, непосредственно транслируются в навигационный приемник. С базовой станции в навигационный приемник передается трекерный сигнал дальности базовой станции до навигационного приемника, а для определения координат навигационного приемника используется разность сигналов, полученных от спутника непосредственно и через базовую станцию.
Для решения задачи повышения точности определения местоположения навигационного приемника используются сигналы измерений расстояния (дальности) между навигационным приемником и спутником 2я„ которые в общем виде могут быть записаны как [7]:
2К =д/(Хс -X)2 + (Лс -л)2 + (СС -С)2 + с(Ат-АТ)+ Жи + жт + Жя, (1) где £,с, пс, Сс - известные координаты спутника в гринвичской системе координат (ГСК); п, С - текущие координаты навигационного приемника в ГСК; с - номинальное значение скорости света в вакууме; Дт - погрешность часов навигационного приемника; ДТ - погрешность часов спутника; ЖИ, Жт - погрешности, обусловленные прохождением радиосигнала через ионосферу и тропосферу; Жя - погрешности, включающие аппаратурные погрешности навигационного приемника и передатчика спутника, погрешности многолучевости и случайные погрешности измерения.
В соответствии с [6] допустимые предельные отклонения строительных конструкций составляют 1-3 мм. В настоящее время в России разработана и активно внедряется на базе ГЛОНАСС система высокоточного мониторинга смещений инженерных сооружений, которая позволяет измерять смещения контрольных точек в плане до 2 мм по высоте до 3 мм с темпом измерения 20 Гц и оценивать спектр колебаний [7].
Контролируемыми параметрами зданий и сооружений при помощи космических навигационных систем могут являться:
пространственное и взаимное линейное и угловое положение элементов здания;
деформация и смещение элементов сооружения; вертикальность и горизонтальность стен и фундаментов сооружения;
параметры вибрации элементов здания (частота и амплитуда). Для оснащения вышеуказанных объектов системой мониторинга, использующей навигационные технологии, необходимо:
провести обследование существующих на объекте систем мониторинга инженерных сооружений и конструкций (при их наличии);
определить контролируемые точки на объекте и опорные точки на местности;
определить допустимые отклонения контролируемых точек; определить места расположения автоматизированных рабочих
мест.
Состав работ по мониторингу технического состояния оснований и строительных конструкций СС и МИК необходимо регламентировать индивидуальными программами проведения измерений и анализа состояния несущих конструкций в зависимости от технического решения здания (сооружения) и его деформационного состояния.
Очевидна целесообразность применения в данном случае систем, использующих технические средства глобальных навигационных систем, для раннего выявления изменения пространственного положения сооруже-
ния или его частей с последующим обследованием технического состояния конструкций и установлением причин перемещения. Результаты таких обследований позволят сделать выводы о техническом состоянии инженерных сооружений.
Список литературы
1. Перминов А.Н. Управление наземной космической инфраструктурой на основе мониторинга ее состояния. СПб, 2005. 320 с.
2. ГОСТ 31973-2011. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. Введ. с 01.01.2014. М.: Стандартин-форм, 2014. 75 с.
3. ГОСТ 32019-2012. Мониторинг технического состояния уникальных зданий и сооружений. Правила проектирования и установки стационарных систем (станций) мониторинга. М.: Стандартинформ, 2014. 130 с.
4. Градостроительный кодекс Российской Федерации: от 29.12.2004. № 190-ФЗ: (принят ГД РФ 22.12.2004): (ред от 25.12.2018) // [Электронный ресурс] URL: http:// www.consultant.ru/documents/cons doc LAW 51040/ (дата обращения 03.04.2018).
5. Харисова В.Н., Перова А.И., Болдина В.А. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. 2-е изд. М.: ИПРЖР, 2009. 560 с.
6. СП 70.13330.2012. СНиП 3.03.01-87. Несущие и ограждающие конструкции. М.: Стандартинформ, 2013. 199 с.
7. Пат. 2567368. Российская Федерация, МПК G01S 19/06. Способ определения координат навигационного приемника; заявитель и патентообладатель Каменский В.В., Меерович В.Д., Соколов С .В. № 2014123832/07; заявл. 10.06.2014. Опубл. 10.11.2015. Бюл. № 31. 4 с.
Богомолов Сергей Иванович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, старший научный сотрудник лаборатории (научно-исследовательской), vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского.
Карасев Сергей Юрьевич, канд. техн. наук, начальник лаборатории (научно-исследовательской) - старший научный сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Щельников Валерий Николаевич, канд. техн. наук, старший научный сотрудник лаборатории (научно-исследовательской), vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского
VAL UING TRANSPORT ACCESSIBILITY PLOT OF LAND FOR REALIZA TION OF
RECONNAISSANCE SERVEYING
S.I. Bogomolov, S. U. Karasev, V.N. Shcelnikov
Outlines the modern principles of safe operation of ground-based space infrastructure facilities. The analysis of the composition, purpose and characteristics of the infrastructure objects. Estimated parameters of engineering structures. Reviewed the basic principles of creating a monitoring system for unique buildings and structures.
345
Key words: monitoring, spaceport, terrestrial space infrastructure, GLONASS, unique buildings and structures.
Bogomolov Sergey Ivanovich, candidate of technical sciences, senior researcher, senior researcher of research laboratory, vkaamil. ru, Russia, Saint-Petersburg, Mozhaisky Military Aero Space Academy,
Karasev Sergey Urevich, candidate of technical sciences, head of research laboratory - senior researcher, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Mozhaisky Military Aero Space Academy,
Shcelnikov Valery Nikolaevich, candidate of technical sciences, senior researcher of research laboratory, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Mozhaisky Military Aero Space Academy
УДК 621.391.8
МЕТОД СИНГУЛЯРНО-СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА В ФИЛЬТРАЦИИ ЗАШУМЛЕННЫХ СИГНАЛОВ ПСЕВДОСПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ
М.Е. Семенов, В.В. Синюков, Д.С. Алиев
В представленной статье рассматривается вопрос фильтрации зашумленных сигналов псевдоспутниковой навигации. Предложен эффективный алгоритм фильтрации и восстановления исходного сигнала с использованием метода сингулярно-спектрального анализа. С помощью численного моделирования показана эффективность предложенного алгоритма.
Ключевые слова: зашумленный сигнал; помехозащищённость, псевдоспутник; сингулярно-спектральный анализ; фильтрация.
Использование аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем (СНС) позволяет определить пространственное положение различных подвижных объектов, с точностью порядка 10...15 м. Однако, для большинства движущихся воздушных объектов военного назначения этого недостаточно. Для повышения точностных характеристик определения их координат в настоящее время широко применяется аппаратура потребителей СНС, работающая в дифференциальном режиме (ДР), что позволяет снизить ошибку определения местоположения объектов до нескольких метров [1-3]. Дифференциальный режим сегодня реализован в аппаратуре потребителей, как военного, так и гражданского назначения. Кроме этого для повышения надежности и помехозащищенности аппаратуры потребителей СНС возможно развертывание сети наземных передатчиков («псевдоспутников»), излучающих сигналы, аналогичные по структуре сигналам навигационных спутников. Вопросу использования псевдоспутников (ПС) в качестве эффективных устройств навигации посвящено большое количество публикаций [4-6]. Обычно мощность сигналов ПС на
346
