1 ZASTOSOWANIE OBSERWACJI GPS W POMIARACH DEFORMACJI OBIEKTÓW INŻYNIERSKICH

2 ZAGADNIENIA Dokładnościowe i czasowe uwarunkowania pomiarów deformacjiTechniki stosowane w pomiarach deformacji Zalety techniki satelitarnej GPS Wymagania techniki satelitarnej GPS Podstawowe metody pomiarowe GPS stosowane w badaniach deformacji obiektów inżynierskich Źródła błędów pomiarów GPS Uwarunkowania precyzyjnych pomiarów GPS Zasady opracowania wyników pomiarów GPS Przykłady zastosowania obserwacji GPS w pomiarach deformacji różnych obiektów inżynierskich Automatyczne systemy pomiarowe

3 PRZYKŁADY OBIEKTÓW INŻYNIERSKICH WYMAGAJĄCYCH MONITORINGU GEODEZYJNEGOZapory wodne Kopalnie odkrywkowe Wysokie budowle Mosty Zbiorniki, kominy, chłodnie kominowe

4 UWARUNKOWANIA DOKŁADNOŚCIOWE POMIARÓW DEFORMACJI

5 UWARUNKOWANIA DOKŁADNOŚCIOWE POMIARÓW DEFORMACJIPrzykładowe wymagania dokładnościowe : Budowle hydrotechniczne betonowe: - przemieszczenia poziome długookresowe 5-10 mm - względne przemieszczenia krótkookresowe 0.2 mm - osiadania budowli 2 mm Budowle hydrotechniczne ziemne: - przemieszczenia na korony zapory mm - osiadania zapory mm Obiekty kopalni odkrywkowej: - przemieszczenia poziome skarp i zboczy 10 mm - osiadania skarp i zboczy mm

6 UWARUNKOWANIA CZASOWE POMIARÓW DEFORMACJIPrzykładowe maksymalne interwały czasowe pomiędzy kolejnymi pomiarami kontrolnymi: Budowle hydrotechniczne (zapory betonowe i ziemne): - w normalnych warunkach eksploatacji rok - w warunkach zagrożenia (np. powodziowych) - 1 dzień Filary ochronne, pochylnie transportowe, skarpy zwałowisk w kopalniach odkrywkowych: - w normalnych warunkach eksploatacji kwartał - w warunkach podwyższonego ryzyka tydzień - w warunkach zagrożenia dzień

7 TECHNIKI POMIARÓW DEFORMACJIMETODY GEODEZYJNE („BEZWZGLĘDNE”): Pomiary kątowo-liniowe Niwelacja geometryczna Pomiary odchyleń od prostej Pomiary fotogrametryczne Pomiary GPS Metody interferometryczne ... METODY GEOTECHNICZNE („WZGLĘDNE”): Pomiary extensometryczne (ekstensometry, szczelinomierze, mikrometry) Pomiary pochylenia (inklinometry, klinometry) Pomiary pionowości (wahadła) Niwelacja hydrostatyczna ...

8 GEODEZYJNE SIECI KONTROLNE OBIEKTY HYDROTECHNICZNEPUNKTY KONTROLOWANE PUNKTY ODNIESIENIA PUNKTY ODNIESIENIA PUNKTY KONTROLOWANE PUNKTY KONTROLOWANE PUNKTY ODNIESIENIA PUNKTY ODNIESIENIA

9 GEODEZYJNE SIECI KONTROLNE KOPALNIA ODKRYWKOWAPUNKTY ODNIESIENIA PUNKTY KONTROLOWANE PUNKTY ODNIESIENIA

10 ZALETY TECHNIKI SATELITARNEJ GPSBrak konieczności wzajemnej widoczności punktów Praktyczna niezależność od czasu (pory roku, pory dnia i nocy) oraz warunków atmosferycznych pomiaru Pełna automatyzacja procesu wykonywania obserwacji Wysoka dokładność pomiaru Praktyczna niezależność dokładności od odległości pomiędzy punktami (w zakresie odległości do ok. 10 km) Możliwość wykonywania pomiarów ciągłych Możliwość otrzymywania wyników pomiarów w czasie zbliżonym do rzeczywistego ...

11 ZALETY TECHNIKI SATELITARNEJ GPS przykład - KWB „TURÓW”Sieć odniesienia kątowo-liniowa Sieć odniesienia GPS 21 stanowisk, 48 kątów, 30 odległości 6 stanowisk, 1 sesja pomiarowa (4-6 h)

12 WYMAGANIA TECHNIKI SATELITARNEJ GPSOdkryty horyzont (powyżej ok. 10 stopni) Specjalistyczny i kosztowny sprzęt (odbiorniki geodezyjne GPS, precyzyjne anteny) Odpowiednio długie sesje obserwacyjne w pomiarach statycznych Konieczność transmisji danych (kablowa, radiowa, itp.) w pomiarach w czasie rzeczywistym Specjalistyczne oprogramowanie ...

13 PODSTAWOWE METODY POMIARÓW GPS W BADANIACH DEFORMACJI OBIEKTÓWObserwacje statyczne okresowe (sesyjne) (Punkty odniesienia, punkty kontrolowane) Obserwacje statyczne ciągłe (post-processing) (Punkty odniesienia, punkty kontrolowane, systemy automatyczne) Obserwacje kinematyczne okresowe (RTK lub post processing) (Punkty kontrolowane) Obserwacje kinematyczne ciągłe (real-time, systemy automatyczne) (Punkty kontrolowane) ...

14 ŹRÓDŁA BŁĘDÓW POMIARÓW GPSF = r + c (dT - dt ) + l N - d ion + d trop + d mp + e F =  r +  l N -  d ion +  d trop +  d mp + e Błędy orbity Błędy zegara satelity i odbiornika Utracone cykle fazowe (cycle sleeps) Opóźnienie jonosferyczne (ionosphere delay) Opóźnienie troposferyczne (troposphere delay) Wielotorowość (multipath) Geometria satelitów (DOP) Szum pomiarowy (L1, L2, L1/L2) Błędy instrumentalne (instrumental noise) Błędy grube (blunders, outliers) ...

15 UWARUNKOWANIA PRECYZYJNYCH POMIARÓW GPSZastosowanie precyzyjnego sprzętu pomiarowego (odbiorniki geodezyjne, anteny precyzyjne) Ograniczenie odległości pomiędzy punktami do ok. 10 km Odpowiednia długość sesji pomiarowych Dobra geometria satelitów (DOP) Rozwiązanie nieoznaczoności fazowych Estymacja korekt troposferycznych Minimalizacja efektu wielotorowości Redundancja pomiarów ...

16 UWARUNKOWANIA PRECYZYJNYCH POMIARÓW GPS - DŁUGOŚĆ SESJI OBSERWACYJNYCH -Interwał pomiarowy – 1s Długość wektora – 10m Interwał pomiarowy – 1s Długość wektora – 1km

17 UWARUNKOWANIA PRECYZYJNYCH POMIARÓW GPS - ESTYMACJA KOREKT TROPOSFERYCZNYCH -Obliczenie opóźnienia troposferycznego z modelu (np. modelu Hopfield)

18 UWARUNKOWANIA PRECYZYJNYCH POMIARÓW GPS - ESTYMACJA KOREKT TROPOSFERYCZNYCH -Redukcja opóźnienia troposferycznego (wg kąta elewacji, np. ) Estymacja korekty opóźnienia na podstawie danych obserwacyjnych

19 UWARUNKOWANIA PRECYZYJNYCH POMIARÓW GPS - WYKORZYSTANIE DANYCH METEO -Błąd pomiaru temperatury ΔT = 1 ° C powoduje błąd dr = 1.4 ppm Błąd pomiaru ciśnienia ΔP = 1 mb powoduje błąd dr = 0.3 ppm Błąd wyznaczenia ciśnienia pary wodnej (wilgotności) Δe = 1 mb powoduje błąd dr = 4.6 ppm

20 UWARUNKOWANIA PRECYZYJNYCH POMIARÓW GPS - CZĘSTOTLIWOŚĆ POMIAROWA -b) c) Szum pomiarowy na częstotliwości: L mm L mm L1/L2 widelane mm

21 UWARUNKOWANIA PRECYZYJNYCH POMIARÓW GPS - WIELOTOROWOŚĆ -Moc sygnału pomiarowego a) 10 stopni b) 20 stopni c) 30 stopni Eliminacja przez podniesienie kąta obcięcia Korelacja dobowa

22 UWARUNKOWANIA PRECYZYJNYCH POMIARÓW GPS - GEOMETRIA SATELITÓW -Możliwości poprawy geometrii satelitów: wybór okna obserwacyjnego wykorzystanie satelitów GLONASS obniżenie kąta obcięcia horyzontu zastosowanie pseudosatelitów

23 ZASADY OPRACOWANIA OBSERWACJI GPS - OBLICZENIE WEKTORÓW -Utworzenie równań różnicowych dla obserwacji fazowych Korekcja utraconych cykli fazowych (potrójne różnice) Detekcja i eliminacja obserwacji „odstających” Estymacja parametrów wektora GPS z nieoznaczonościami fazowymi przyjętymi jako liczby rzeczywiste („float solution”) Wyznaczenie całkowitych nieoznaczoności fazowych Estymacja parametrów wektora GPS z wyznaczonymi wcześniej nieoznaczonościami fazowymi („fixed solution”) Analiza wyników (wykresy ciągów czasowych rezyduów) ...

24 ZASADY OPRACOWANIA OBSERWACJI GPS - WYRÓWNANIE SIECI -Zestawienie wektorów w sieć Wyrównanie wektorów metodą najmniejszych kwadratów z minimalną liczbą warunków Obliczenie współczynnika wariancji Test zgodności pomiarów Analiza rezyduów (wykrywanie obserwacji odstających) Wyrównanie końcowe Zestawienie wyników (współrzędne punktów, macierz kowariancji, elipsoidy błędów średnich, ...) ...

25 ANALIZA WYNIKÓW POMIARÓW DEFORMACJIAnaliza stałości punktów odniesienia Obliczenie wektorów przemieszczeń oraz ich macierzy wariancyjno-kowariancyjnej Analiza istotności przemieszczeń Estymacja parametrów modelu deformacji obiektu Obliczenie wskaźników deformacji Ocena stanu bezpieczeństwa obiektu Predykcja deformacji ...

26 PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ ZAPORA WODNA „LIBBY DAM”, MONTANA, USA

27 PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ OBIEKT MOSTOWY NA RZECE TRENT, NOTTINGHAM

28 AUTOMATYCZNE SYSTEMY POMIAROWE ZINTEGROWANY SYSTEM „DIAMOND VALLEY LAKE”

29 AUTOMATYCZNE SYSTEMY POMIAROWE SYSTEM „GOCA”

30 PODSUMOWANIE Zalety techniki GPS (brak wizur, wysoka dokładność, automatyzacja pomiaru) powodują coraz powszechniejsze jej stosowanie w pomiarach deformacji obiektów inżynierskich. Uzyskanie wysokich dokładności pomiarów wymaga zastosowania zaawansowanych procedur eliminacji lub ograniczenia wpływu podstawowych źródeł błędów pomiarowych. Możliwość pełnej automatyzacji procesu pomiarowego i obliczeniowego predysponuje technikę GPS do automatycznych systemów kontrolno-pomiarowych.