ARCHIWUM INSTYTUTU INŻ YNIERII LĄ DOWEJ Nr 20 ARCHIVES OF INSTITUTE OF CIVIL ENGINEERING 2015 PRZYKŁADY ZASTOSOWAŃ TECHNOLOGII GNSS W INŻYNIERII LĄDOWEJ Katarzyna CZARNECKA Politechnika Poznańska, Instytut Inżynierii Lądowej Niniejszy artykuł poświęcony jest opisowi technologii GNSS, jej zastosowaniu w inżynierii lądowej, zarówno w czasie wykonywania konstrukcji drogowej oraz podczas badań kontrolnych, czy monitoringu obiektów inżynierskich. Opisuje historię i zasadę działania systemu GNSS. Przedstawia system sterowania maszynami budowlanymi, pomiary kontrolne po zakończeniu budowy oraz system monitoringu geodezyjnego. 1. TECHNOLOGIA GNSS System nawigacji satelitarnej jest to system, dzięki któremu możemy wyznaczyć dokładne położenie punktu lub obiektu, będącego, w trzech wymiarach na podstawie pomiaru przez odbiornik czasu podróży sygnału radiowego od satelity do anteny odbiornika [7]. Nazwa GNSS (ang. Global Navigation Satellite Systems) odnosi się do kilku satelitarnych systemów nawigacyjnych: GPS (ang. Global Positioning System) oraz GLONASS (ros. Globalnaia Navigacionnaia Sputnikova Sistema), europejski system Galileo, chiński BeiDou oraz japoński QZSS (Quasi Zenit Satellite System) [14]. Każdy system nawigacji satelitarnej składa się z trzech segmentów: kosmicznego, kontrolnego (naziemnego) i użytkownika. Segment kosmiczny amerykańskiego systemu GPS stanowi konstelacja co najmniej 24 satelitów. Satelity GPS umieszczone są na sześciu orbitach kołowych, po cztery na każdej, na wysokości 20 162,61 km nad równikiem Ziemi (rys. 1). Płaszczyzny orbit nachylone są pod kątem 55 stopni do równika. Satelity posiadają zabezpieczenia przeciwko promieniowaniu laserowemu, a także przeciwko uszkodzeniom mechanicz- Rys. 1. Rozmieszczenie satelitów GPS na orbitach [7] nym.
94 Katarzyna Czarnecka Na każdym satelicie systemu GPS znajdują się układy stabilizacji i sterowania, baterie słoneczne, które stanowią główne źródło zasilania; urządzenia odbiorcze informacji ze stacji naziemnych, a także urządzenia nadawcze sygnałów kodu pseudolosowego oraz depeszy nawigacyjnej. Jednak podstawowym wyposażeniem satelity są, najczęściej dwa, zegary atomowe, które stanowią wzorzec czasu i częstotliwości jego sygnału. Trwają nieustanne prace nad skróceniem czasu wykonywania pomiarów oraz nad tym, aby działanie satelitów było bardziej efektywne. Każda następna generacja satelitów nosi nazwę bloków. Kolejny blok satelitów różni się od poprzedniego przede wszystkim rodzajem i dokładnością zegarów atomowych, a także przewidywaną żywotnością. Segment naziemny GPS pełni rolę nadzorująco-kontrolną i dlatego czasami określany jest jako segment nadzoru. Jego celem jest kontrola i wspomaganie pracy systemu. Centrum sterowania znajduje się w stacji centralnej (ang. MCS Master Control Stadion), znajdującej się w Bazie Sił Powietrznych Falcon w Colorado Springs (USA), są też stacje monitorujące (ang. MS Monitoring Station), które znajdują się Hawajach oraz na wyspach: Kwajalein, Diego Garcia, a także wyspie Wniebowstąpienia [7]. Wszystkie stacje segmentu nadzoru rozmieszczone są równomiernie w pasie równikowym. Dzięki temu mogą one śledzić satelity w całym zakresie długości geograficznych. Każda stacja monitorująca ma na celu sprawdzanie kształtu orbit i jakości sygnału wysyłanych przez satelity. Sprawdzone dane przekazywane są do stacji centralnej. Tam wyliczane są aktualne parametry, które opisują orbity satelitów. Dokładność opisu orbit jest bardzo istotnym czynnikiem, gdyż im jest ona precyzyjniejsza, tym dokładność wyznaczenia pozycji jest większa. W stacji centralnej są wyznaczane poprawki zegarów oraz obliczane są współczynniki modelu jonosfery, które następnie wysyłane są w depeszy nawigacyjnej z satelity do odbiornika. Podobne rozwiązania charakteryzują pozostałe systemy nawigacji satelitarnej, choć są specyficzne dla każdego z nich. Różnią się one parametrami ruchu satelitów, lokalizacją stacji kontrolnych a przede wszystkim parametrami technicznymi pracy danego systemu. Segment użytkownika to wszystkie odbiorniki, które pozyskują informacje przekazywane przez poszczególne systemy i gromadzą je w postaci źródłowej lub przetwarzają w celu określenia swojego położenia.. Odbiorniki zostały zaprojektowane i skonstruowane w taki sposób, aby odbierać, dekodować i przetwarzać sygnały GNSS z jednego lub kilku systemów. Mogą to być odbiorniki samodzielnie funkcjonujące lub wbudowane w inne systemy. 2. GNNS W BUDOWNICTWIE DROGOWYM Stale rozwijający się GNSS stał się narzędziem, z którego na placu budowy mogą korzystać nie tylko geodeci, ale również operatorzy maszyn budowlanych. Ciężki sprzęt wyposażony został w system sterujący ich pracą. Do zalet tego systemu należą:
Przykłady zastosowań technologii GNSS 95 monitorowanie oraz możliwość komunikacji miedzy operatorem sprzętu, a osobą zarządzającą budową, a także kontrolowanie na bieżąco stanu prac budowlanych; zwiększenie wydajności przy wzroście jakości wykonywanych robót; zminimalizowanie ryzyka błędów spowodowanych przez człowieka; łatwa i przejrzysta obsługa sprzętu; niezależnie od warunków terenowych prace wykonywane są w sposób stabilny; zmniejszenie zużycia maszyn, godzin ich pracy oraz ilości wykorzystywanych materiałów (oszczędność pieniędzy) w wyniku automatycznej i wysoce dokładnej kontroli; system może pracować z poprawkami sieciowymi GNSS (sieć krajowa ASG-EUPOS oraz sieci branżowe, jak np. TPI NETpro); możliwość przystosowania systemu sterowania maszynami budowlanymi do współpracy z systemami zdalnego sterowania budową [11]. 2.1. System sterowania pracą spycharek Producenci systemów sterujących na bazie GNSS dają możliwość połączenia systemów satelitarnych GNSS z technologią czujników inercyjnych stosowanych m.in. w lotnictwie. Po wgraniu do panelu sterującego projektu w wersji cyfrowej, odbiornik satelitarny wyznacza pozycję maszyny, zawory hydrauliczne automatycznie ustawiają lemiesz, na odpowiedniej wysokości, zgodnej z projektem. Do roli operatora należy kontrola prędkości (nawet do 10 km/h). Dzięki systemowy sterowania, spycharka wykonuje zadanie przy jednokrotnym przejeździe, niezależnie czy jest to na prostej, czy na łuku [13]. Rys 2. Spycharka wyposażona w system sterowania bazujący na odbiornikach GNSS [13]
96 Katarzyna Czarnecka 2.2. System sterowania pracą koparek Koparka, której panel sterujący wyposażony jest w system sterowania, wykonuje swoją pracę szybciej i dokładniej (dokładność co do centymetra). Nie ma potrzeby robienia przerw na wykonanie pośrednich pomiarów i tyczenie. Dzieje się tak dzięki wczytanemu w panel sterujący projektowi w wersji cyfrowej. System sterujący koparek składa się zestawu pomiarowego GNSS, pracującego w czasie rzeczywistym i wyznaczającego dokładną pozycję koparki oraz z czujnika pochylenia, który zamontowany jest na maszynie budowlanej. Dane odczytane z zestawu GNSS przekazywane są do panelu kontrolnego i porównywane w projektem. Do zadań operatora sprzętu należy kontrola wysokości łyżki oraz jej położenie względem koparki. Zaletą systemu sterowania praca koparek jest również to, że brak ograniczeń podczas niedogodnych warunków dla operatora [13]. Rys. 3. Koparka wyposażona w satelitarny system sterowania [13] 2.3. System sterowania pracą równiarek System sterowanie równiarką jest połączeniem technologii pomiarów satelitarnych, pracującej w trybie pomiarów rzeczywistych RTK i technologii laserowej, gdzie czujnik laserowy odbiera sygnał w zakresie 360 z nadajnika laserowego, co daje możliwość ustawienia lemiesza z milimetrową dokładnością. Po wgraniu do panelu sterującego projektu w wersji cyfrowej, a także danych z odbiornika satelitarnego, które określają pozycję maszyny w przestrzeni i z odbiornika laserowego, które wyznaczają wysokość lemiesza, równiarka może rozpocząć pracę. Dzięki systemowi sterującemu maszyna sterowana jest automatycznie, co zmniejsza liczbę przejazdów maszyny, zwiększa jej wydajność. Prace mogą być realizowane bez konieczności wykonywania pośrednich pomiarów i wytyczeń [13].
Przykłady zastosowań technologii GNSS 97 Rys. 4. Równiarka wyposażona w satelitarny system sterowania [13] 2.4. System sterowania pracą rozściełacza i frezarki Podczas wykonywania konstrukcji nawierzchni drogowej (głównie podbudowy, warstwy wiążącej oraz warstwy ścieralnej) wymagana jest niezmierna dokładność układania warstw. Każda ze wspomnianych warstw posiada ściśle określone wymagania dotyczące dokładności wykonania [13]. Według Szczegółowej Specyfikacji Technicznej D-04.04.00, Podbudowa z kruszyw. Wymagania ogólne dokładności są następujące: Szerokość podbudowy nie może różnić się od szerokości projektowej o więcej niż +10cm, 5cm. ( ) Nierówności podbudowy nie mogą przekraczać: 10 mm dla podbudowy zasadniczej, 20 mm dla podbudowy pomocniczej. Spadki poprzeczne podbudowy na prostych i łukach powinny być zgodne z dokumentacją projektową, z tolerancją ± 0,5%. Różnice pomiędzy rzędnymi wysokościowymi podbudowy i rzędnymi projektowymi nie powinny przekraczać +1cm, -2cm. Oś podbudowy w planie nie może być przesunięta w stosunku do osi projektowej o więcej niż ± 5cm. Grubość podbudowy nie może się różnić od grubości projektowej o więcej niż: dla podbudowy zasadniczej ± 10%, dla podbudowy pomocniczej +10%, -15% [5]. Według Szczegółowej Specyfikacji Technicznej D-05.03.05, Nawierzchnia z betonu asfaltowego konstrukcja to powinna być wykonana z zachowaniem wymagań w niej zawartych: Szerokość warstwy ścieralnej z betonu asfaltowego powinna być zgodna z dokumentacją projektową, z tolerancją + 5cm. ( ) Rzędne wysokościowe warstwy powinny być zgodne z dokumentacją projektową, z tolerancją ± 1cm. ( )
98 Katarzyna Czarnecka Oś warstwy w planie powinna być usytuowana zgodnie z dokumentacją projektową, z tolerancją 5cm [6]. Dzięki rozściełaczom wyposażonym w system sterowania ich pracą (rys. 5), przedstawione wyżej wymagania osiągane są bez problemów, w znacznie krótszym czasie niż dotychczas. Rys. 5. Rozściełacz wyposażony w satelitarny system sterowania [13] System sterujący rozściełaczem korzysta z technologii pomiarów satelitarnych GNSS pracującej w trybie RTK (pomiarów z czasie rzeczywistym), a także z odbiornika odbierającego sygnał z nadajnika laserowego, dzięki czemu może mierzyć wysokość ułożonej warstwy z milimetrową dokładnością. Podobnie jak w przypadku wcześniejszych systemów sterujących, do panelu kontrolnego wprowadzony jest projekt w wersji cyfrowej, do którego porównywane są informacje otrzymywane przez odbiornik satelitarny, który określa położenie rozściełacza w przestrzeni oraz odbiornik laserowy, który określa położenie belki rozściełacza [13]. Dzięki systemowi sterowania maszyny mogą pracować z milimetrową dokładnością, automatycznie kontrolują otrzymane spadki oraz grubość wykonanych warstw nawierzchni drogowej. Opisane rozwiązanie może być również zastosowane do sterowania pracą frezarki. 3. GEODEZYJNY MONITORING OBIEKTÓW INŻYNIERSKICH Po zakończeniu robót mających na celu wykonywanie konstrukcji nawierzchni drogowej oraz obiektów inżynierskich związanych z inwestycją drogową, należy wykonać pomiary kontrolne. W wyniku przeprowadzonych pomia-
Przykłady zastosowań technologii GNSS 99 rów kontrolnych można sprawdzić, czy po oddaniu inwestycji do użytkowania nie nastąpiły ponadnormatywne przemieszczenia. Dzięki możliwości wykonywania pomiarów w technologii GNSS, pomiary kontrolne mogą być wykonywane praktycznie przez jedną osobę. Wszystkie potrzebne urządzenia (odbiornik, kontroler, modem) mogą być umieszczone na jednej tyczce, a operator nawiązuje pomiar do wirtualnej sieci bazowej. Pomiar wykonywany jest w czasie rzeczywistym, a system korzysta z dostępu do precyzyjnych poprawek RTK [8]. Wykonując pomiary kontrolne może nastąpić sytuacja, w której pomiędzy kolejnymi seriami pomiarowymi, konstrukcja obiektu inżynierskiego może osiągnąć stan, w którym przemieszczenia przekroczą wartości graniczne. Istnieje zatem możliwość prowadzenia stałych obserwacji, czyli monitorowania obiektów infrastrukturalnych. Tworząc sieć kontrolno-pomiarową, zbudowaną z odbiorników GNSS, która nawiązuje do zewnętrznych stacji referencyjnych, można uzyskać precyzyjne, wiarygodne, dokładne i szybkie dane dotyczące przemieszczeń [1]. Taka obserwacja może być prowadzona niezależnie od warunków atmosferycznych oraz pory dnia. Rys. 6. Schemat systemu monitoringu obiektu inżynierskiego [1, 8] Rys. 7. Schemat systemu monitoringu obiektu inżynierskiego[1, 8]
100 Katarzyna Czarnecka Zastosowanie systemu monitoringu geodezyjnego korzystającego z pomiarów satelitarnych GNSS może zapobiec powstawaniu katastrof budowlanych. Każda sytuacja stwarzająca niebezpieczeństwo dla użytkowników opisana jest w odpowiednim scenariuszu działania. Po zarejestrowaniu przez system monitorujący zjawisk niepożądanych, przekazywany jest sygnał do osób nadzorujących daną inwestycję. Dzięki procedurze zapobiegającej dalszym przemieszczeniom, minimalizowane są koszty związane z naprawą, a przede wszystkim zapobiega się zjawisk zagrażających w sposób bezpośredni użytkownikom kontrolowanego obiektu. 4. PODSUMOWANIE Dostępne na rynku rozwiązania związane z technologią GNSS pozwalają istotnie wzbogacić pracę klasycznych urządzeń pomiarowych. Dokładność, jaką można uzyskać, wykonując pomiary przy użyciu systemu GNNS jest wystarczająca, by na podstawie otrzymanych wyników wykreślić mapę, czy też sterować pracą maszyn budowlanych. Korzystając z technologii GNSS oszczędzamy nie tylko czas, ale także minimalizujemy koszty. Dzięki rozwiązaniom stosowanym podczas prowadzenia monitoringu geodezyjnego dla obiektów infrastrukturalnych, można zidentyfikować zbliżające się zagrożenie i skutecznie mu zapobiec. Podejście takie zabezpiecza przed powstawaniem katastrof budowlanych, minimalizuje koszty związane z naprawami, a co najważniejsze i najcenniejsze daje bezpieczeństwo użytkownikom tychże obiektów. LITERATURA [1] Karsznia K., Geodezyjny monitoring obiektów mostowych, Mosty, nr 6/2011. [2] Mazippus M. TPI Sp. z o.o., Innowacyjne systemy pomiarowe GPS/GLONASS/ GALILEO. [3] Narkiewicz J., GPS Globalny System Pozycyjny, budowa, działanie, zastosowanie, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2003. [4] Śledziński J., Segmenty i sygnały GPS, Nawi, styczeń 2005. [5] Szczegółowa Specyfikacja Techniczna D-04.04.00, Podbudowa z kruszyw. Wymagania ogólne. [6] Szczegółowa Specyfikacja Techniczna D-05.03.05, Nawierzchnia z betonu asfaltowego. [7] http://www.geoforum.pl [8] http://www.leica-geosystems.com [9] http://www.nawi.pl [10] http://www.navi.pl [11] http://www.systemygps.com.pl [12] http://www.topcon.com.pl [13] http://www.tpi.com.pl [14] http://www.igik.edu.pl
Przykłady zastosowań technologii GNSS 101 GNSS TECHNOLOGY IN CIVIL ENGINEERING Summary Commercially available solutions related to GNSS can significantly complete "traditional" measuring instruments. The precision that can be achieved by performing measurements using GNSS systems is sufficient to create a map or to control machines. The working accuracy and precision of the machine guidance are strictly controlled. Using GNSS and co-operating technologies not only saves working time but also minimizes costs. By implementing solutions used in geodetic monitoring of infrastructure facilities we are able to predict upcoming hazards as well as to effectively prevent them. The technologies can also prevent from building disasters, minimize the costs associated with repairs and, what is most important, valuably increase the security for users. Dane autora: mgr inż. Katarzyna Czarnecka e-mail: katarzyna.czarnecka@put.poznan.pl tel.: 61 665 2137