Устройство для определения пространственных координат контролируемых элементов инженерных или природных объектов при геодезическом мониторинге в режиме реального времени в условиях экстремальных температур окружающей среды посредством навигационной аппаратуры, принимающей сигналы космических аппаратов (КА) глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), включая сигналы КА ГЛОНАСС/GPS Российский патент 2022 года по МПК G01S19/42 

Техническое решение относится к области спутниковых геодезических измерений, а именно к устройствам получения, обработки и отображения геопространственной информации, компьютерным средствам преобразования с применением технологии высокоточного спутникового позиционирования с помощью навигационных спутниковых систем, и может быть использовано для ведения непрерывного геодезического мониторинга деформационных процессов конструкций инженерных сооружений: плотины ГЭС, камеры шлюзов, мосты, нефтепроводы и газопроводы, нефтяные и газовые скважины или элементов природных объектов (земляные дамбы, насыпи, зоны селевых потоков, промышленные карьеры, участки интенсивной добычи полезных ископаемых, в условиях экстремальных температур окружающей среды, например, в районах вечной мерзлоты) в режиме реального времени, с целью определения планово-высотных смещений конструкций инженерных сооружений, предиктивной диагностики целостности сооружений, оперативного обнаружения первичных признаков потери устойчивости сооружений и выработки четких превентивных управляющих решений для предотвращения аварийных ситуаций на контролируемых объектах.

Известна система спутникового мониторинга смещений инженерных сооружений с использованием спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS по патенту РФ № 2467298, МПК G01M 7/00 (2006.01), G01S 19/14 (2010.01), опубликовано 20.11.2012 г. в БИ № 32, взятая в качестве аналога. Сущность данной системы заключается в том, что для определения пространственных координат элементов конструкций инженерных сооружений при помощи аппаратуры, принимающей сигналы глобальных навигационных спутниковых систем, данное устройство в своем составе имеет двухчастотные приемники ГЛОНАСС/GPS и ряд дополнительных датчиков для проведения автоматизированного мониторинга, каналообразующие средства связи, общую шину информационного обмена; базовую станцию с приемниками ГЛОНАСС/GPS и каналообразующими средствами связи; объектовый центр мониторинга, включающий автоматизированное рабочее место оператора с ПЭВМ на базе процессора, каналообразующие средства связи.

Общими признаками предлагаемого технического решения и аналога являются: устройство для определения пространственных координат контролируемых элементов инженерных или природных объектов при геодезическом мониторинге в режиме реального времени в условиях экстремальных температур окружающей среды посредством навигационной аппаратуры, принимающей сигналы космических аппаратов (КА) глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), включая сигналы КА ГЛОНАСС/GPS (в аналоге - система спутникового мониторинга смещений инженерных сооружений с использованием спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS), устройство содержит электрически связанные между собой измерительный модуль, включающий активную ГНСС-антенну и фазовый ГНСС-приемник, контроллер с энергонезависимой памятью, приемо-передающий модуль связи, источник питания, устройство зарядки, средство связи для передачи данных геопространственных измерений по сигналам КА ГНСС в удаленный сервер, выполненный в виде системы сбора, хранения, обработки данных геопространственных измерений на базе ПЭВМ с общим и прикладным программным обеспечением, с возможностью посредством компьютерной программы обработки данных геопространственных измерений и получения пространственных координат x, y, z контролируемых элементов инженерных или природных объектов (в аналоге - система содержит аппаратно-программный комплекс датчиковой и преобразующей аппаратуры, включающий двухчастотные приемники ГЛОНАСС/GPS и ряд дополнительных датчиков для проведения автоматизированного мониторинга, каналообразующие средства связи, общую шину информационного обмена; базовую станцию с приемниками ГЛОНАСС/GPS и каналообразующими средствами связи; объектовый центр мониторинга, включающий автоматизированное рабочее место оператора с ПЭВМ на базе процессора, каналообразующие средства связи).

Недостатком системы является то, что для обеспечения возможности всепогодной эксплуатации аппаратно-программного комплекса датчиковой и преобразующей аппаратуры (от - 50 до + 60 °C) используются всепогодные прочные корпуса. Такие корпуса отличаются высокой стоимостью в отличие от обычных пылевлагозащищенных корпусов и в случае потери герметичности и целостности тепловой защиты, такая система имеет риск не только остановки работы оборудования, но и утраты работоспособности из-за выхода из строя устанавливаемых кислотных или литиево-ионных аккумуляторов. Кроме того, литиево-ионный или кислотный аккумулятор имеет склонность к потере емкости в процессе длительной эксплуатации в условиях экстремальных температур, что обуславливает необходимость эпизодической замены аккумуляторных батарей, вследствие чего увеличивается стоимость обслуживания и эксплуатации систем, устанавливаемых в труднодоступных местах, что в свою очередь приводит к увеличению стоимости оборудования для спутникового мониторинга, а значит, в целом существенно снижается эффективность и надежность работы данной системы. Известна система высокоточного мониторинга смещений инженерных сооружений по патенту РФ № 2496124, МПК G01S 19/42 (2010.01), G01S 5/14 (2006.01), опубликовано 20.10.2013 г. в БИ № 29, взятая в качестве прототипа.

Сущность данной системы состоит в том, что для определения пространственных координат контролируемых элементов конструкций инженерных сооружений при помощи аппаратуры, принимающей сигналы глобальных навигационных спутниковых систем, на контролируемых точках инженерных сооружений устанавливают измерительные модули с активной ГНСС-антенной и фазовым ГНСС-приемником. Одновременно с этим обеспечивают функционирование приемной аппаратуры ГНСС в одной опорной точке, обеспечивая одновременный прием сигналов одних и тех же спутников на навигационной аппаратуре на контролируемых точках инженерных сооружений и на приемной аппаратуре ГНСС на фиксированных опорных точках. Далее в течение заданного времени производят сеанс одновременного набора спутниковых измерений на навигационной и приемной аппаратуре ГНСС. Результаты спутниковых геодезических измерений по сигналам одних и тех же навигационных КА ГНСС передают в ПЭВМ с общим и прикладным программным обеспечением, с помощью компьютерной программы выполняют обработку данных, получают пространственные координаты x, y, z элементов конструкций инженерных сооружений.

Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются: устройство для определения пространственных координат контролируемых элементов инженерных или природных объектов при геодезическом мониторинге в режиме реального времени в условиях экстремальных температур окружающей среды посредством навигационной аппаратуры, принимающей сигналы КА ГНСС, включая сигналы КА ГЛОНАСС/GPS (в прототипе - система высокоточного мониторинга смещений инженерных сооружений), устройство содержит электрически связанные между собой измерительный модуль, включающий активную ГНСС-антенну и фазовый ГНСС-приемник, контроллер с энергонезависимой памятью, приемо-передающий модуль связи, источник питания, устройство зарядки, средство связи для передачи данных геопространственных измерений по сигналам КА ГНСС в удаленный сервер, выполненный в виде системы сбора, хранения, обработки данных геопространственных измерений на базе ПЭВМ с общим и прикладным программным обеспечением, с возможностью посредством компьютерной программы обработки данных геопространственных измерений и получения пространственных координат x, y, z контролируемых элементов инженерных или природных объектов (в прототипе - система содержит измерительный модуль, включающий навигационную антенну ГЛОНАСС/GPS, навигационный приемник ГЛОНАСС/GPS, контроллер с энергонезависимой памятью, приемо-передающий модуль связи, аккумуляторную батарею, устройство зарядки аккумуляторной батареи, автоматизированное рабочее место оператора на базе ПЭВМ).

Недостатком этой системы является то, что в ней для обеспечения возможности всепогодной эксплуатации аппаратно-программного комплекса датчиковой и преобразующей аппаратуры (от - 50 до + 60 °C) для них также, как в аналоге, используются всепогодные прочные корпуса, которые отличаются высокой стоимостью в отличие от обычных пылевлагозащищенных корпусов и в случае потери герметичности и целостности тепловой защиты, такая система имеет риск не только остановки работы оборудования, но и утраты работоспособности из-за выхода из строя устанавливаемых кислотных или литиево-ионных аккумуляторов. Также использование всесепогодных защищенных корпусов обуславливает необходимость установки большого количества источников питания высокой мощности для обеспечения оптимального уровня температуры внутри корпуса, что также приводит к увеличению стоимости оборудования для спутникового мониторинга, а значит, в целом, существенно снижается эффективность и надежность работы данной системы.

Решаемая техническая проблема заключается в повышении эффективности и надежности геодезического мониторинга планово-высотных смещений контролируемых элементов инженерных или природных объектов в режиме реального времени в условиях экстремальных температур окружающей среды посредством навигационной аппаратуры, принимающей сигналы КА ГНСС, включая сигналы КА ГЛОНАСС/GPS, за счет снижения энергопотребления и повышения энергонезависимости устройства в целом при его эксплуатации в режиме реального времени при работе в полевых условиях, а также за счет повышения оперативности доступа к предоставляемой информации для анализа и оценки состояния контролируемых элементов инженерных или природных объектов путем использования устройства интерфейсно-модульного исполнения и организации взаимосвязи посредством электрических, цифровых и программно-логических каналов связи, снижению зависимости от человеческого фактора по энергоснабжению устройства, что в конечном счете позволяет повысить эффективность и надежность геодезического мониторинга планово-высотных смещений контролируемых элементов инженерных или природных объектов.

Технический результат заключается в снижении энергопотребления устройства при его эксплуатации, повышении его энергонезависимости при эксплуатации в процессе геодезического мониторинга в режиме реального времени в условиях экстремальных температур окружающей среды, кроме того, в повышении оперативности доступа к представляемой информации для анализа и оценки состояния контролируемых элементов инженерных или природных объектов.

Поставленная техническая проблема решается тем, что в устройстве для определения пространственных координат контролируемых элементов инженерных или природных объектов при геодезическом мониторинге в режиме реального времени в условиях экстремальных температур окружающей среды посредством навигационной аппаратуры, принимающей сигналы КА ГНСС, включая сигналы КА ГЛОНАСС/GPS, которое содержит электрически связанные между собой измерительный модуль, включающий активную ГНСС-антенну и фазовый ГНСС-приемник, контроллер с энергонезависимой памятью, приемо-передающий модуль связи, источник питания, устройство зарядки, средство связи для передачи данных геопространственных измерений по сигналам КА ГНСС в удаленный сервер, выполненный в виде системы сбора, хранения, обработки данных геопространственных измерений на базе ПЭВМ с общим и прикладным программным обеспечением, с возможностью посредством компьютерной программы обработки данных геопространственных измерений и получения пространственных координат x, y, z контролируемых элементов инженерных или природных объектов, согласно техническому решению в упомянутом измерительном модуле контроллер с энергонезависимой памятью выполнен в виде интерфейсного модуля управления напряжением питания с возможностью при снижении уровня напряжения питания ниже порогового значения автоматически отключать напряжение питания на упомянутом приемо-передающем модуле связи, который выполнен в виде интерфейсного модуля передачи цифровых данных геопространственных измерений с возможностью записи, хранения, чтения коротких сеансов ГНСС-измерений и передачи через указанное средство связи цифровых данных геопространственных измерений по сигналам КА ГНСС в упомянутый удаленный сервер. Причем указанные интерфейсный модуль управления напряжением питания и программный блок интерфейсного модуля передачи цифровых данных соединены между собой посредством цифровой программно-логической связи в программе упомянутого интерфейсного модуля управления напряжением питания соответственно. Упомянутое устройство зарядки выполнено в виде последовательно соединенных между собой при помощи электрической связи понижающего преобразователя напряжения питания, балансира зарядки суперконденсаторов, накопителя заряда, выполненного в виде, по меньшей мере, двух суперконденсаторов, последовательно соединенных между собой, и датчика тока и напряжения, электрически соединенного с интерфейсным модулем управления напряжением питания, а понижающий преобразователь напряжения питания электрически соединен с упомянутым источником питания, который выполнен в виде источника возобновляемой энергии. При этом упомянутые активная ГНСС-антенна и фазовый ГНСС-приемник образуют измерительный блок, выполненный в виде единой платформы, закрепленной в заранее выбранных точках на контролируемых элементах инженерных или природных объектов, представляющих собой набор опорных пунктов геодезической сети, включающей геодезические реперы и сеть постоянно действующих базовых станций ГНСС, принимающих сигналы КА ГНСС, КА ГЛОНАСС/GPS, при геодезическом мониторинге контролируемых элементов инженерных или природных объектов в режиме реального времени в условиях экстремальных температур окружающей среды. При этом в измерительном блоке аналоговый выход активной ГНСС-антенны подключен к аналоговому входу фазового ГНСС-приемника, цифровой выход которого соединен с цифровым входом программного блока интерфейсного модуля передачи цифровых данных, в котором цифровой вход-выход программного блока соединен с цифровым входом-выходом блока памяти, а другой цифровой выход программного блока соединен с цифровым входом блока передачи цифровых данных с возможностью через указанное средство связи передачи данных геопространственных измерений по сигналам КА ГНСС в упомянутый удаленный сервер.

Указанная совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет повысить эффективность и надежность геодезического мониторинга планово-высотных смещений контролируемых элементов инженерных или природных объектов в режиме реального времени в условиях экстремальных температур окружающей среды посредством навигационной аппаратуры, принимающей сигналы КА ГНСС, включая сигналы КА ГЛОНАСС/GPS, за счет снижения энергопотребления работы устройства, то есть обеспечения энергоэкономичности устройства в целом при его эксплуатации в режиме реального времени при работе в полевых условиях, при экстремальных температурах окружающей среды, путем использования интерфейсного модуля управления напряжением питания, который обеспечивает при снижении уровня напряжения питания ниже порогового значения автоматическое отключение напряжения питания на интерфейсном модуле передачи цифровых данных, то есть позволяет снизить энергопотребление устройства в целом, переводить его в «спящий» режим. Это, во-первых, позволяет повысить срок службы электронных частей устройства, а значит, повысить эффективность эксплуатации устройства, и, во-вторых, позволяет автоматически накапливать энергию до необходимого значения, а значит, повысить экономичность и надежность эксплуатации устройства в целом при его работе в режиме реального времени в тяжелых полевых условиях, особенно, в условиях экстремальных температур окружающей среды. Кроме того, указанная совокупность признаков предлагаемого технического решения позволяет повысить эффективность геодезического мониторинга инженерных или природных объектов в режиме реального времени за счет снижения зависимости от человеческого фактора, так как применение устройства зарядки предложенной конструкции с использованием в качестве накопителей заряда суперконденсаторов в устройстве зарядки и питания позволяет отказаться от всепогодных защищенных корпусов, так как диапазон их рабочих температур от - 40 до + 60 °C значительно превышает диапазон рабочих температур кислотных и литиево-ионных аккумуляторов от - 10 до + 50 °C, которые используются в известных устройствах. Также суперконденсаторы не имеют эффекта снижения емкости со временем, что также повышает надежность и экономичность эксплуатации предлагаемого устройства. Использование в качестве фазовых ГНСС-приемников ГЛОНАСС/GPS сигналов в измерительном блоке, например, энергоэффективных модулей типа Ublox m8p или Ublox ZedF9P, а в качестве интерфейсного модуля управления напряжением питания, например, контроллера типа Attiny фирмы Microchip, а также в качестве интерфейсного модуля передачи цифровых данных связки энергоэффективных модулей, например, типа SX1262 (Lora) компании Ebyte и ESP8266/ESP32 компании Espressif Systems совместно, позволяет значительно снизить энергопотребление предлагаемого устройства и, соответственно, использовать небольшое количество суперконденсаторов в качестве накопителей заряда. Это позволяет повысить экономичность и надежность эксплуатации устройства в целом при его работе в режиме реального времени в тяжелых полевых условиях, особенно, при экстремальных температурах окружающей среды. Также указанная совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет повысить эффективность и надежность геодезического мониторинга инженерных или природных объектов в режиме реального времени за счет повышения его энергонезависимости при эксплуатации в процессе геодезического мониторинга путем применения источника питания, который выполнен в виде источника возобновляемой энергии, то есть с помощью автономной энергосберегающей технологии, который позволяет эффективно и автономно эксплуатировать устройство предложенной конструкции в тяжелых полевых условиях, особенно, в районах Крайнего Севера, где, в основном, построены крупные технологические комплексы, требующие постоянного геодезического мониторинга, а также на контролируемых участках земной поверхности в районах вечной мерзлоты, тем самым повышая безопасность эксплуатации инженерных или природных объектов. Кроме того, указанная совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет повысить оперативность доступа к предоставляемой информации для анализа и оценки состояния контролируемых элементов инженерных или природных объектов с целью предиктивной диагностики целостности сооружений, а также оперативного обнаружения первичных признаков потери устойчивости сооружений для выработки четких превентивных управляющих решений и предотвращения аварийных ситуаций на контролируемых объектах за счет применения в блоке передачи цифровых данных, например, модуля SX1262 (LoRa) и современного протокола коммуникации автоматизированных устройств MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), что позволяет определять смещения контролируемых элементов инженерных или природных объектов в режиме реального времени в условиях редкой сети устройств мониторинга (с расстояниями между устройствами до 20 км), тем самым повышая безопасность эксплуатации инженерных или природных объектов.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется примером конструктивного исполнения устройства для определения пространственных координат контролируемых элементов инженерных или природных объектов при геодезическом мониторинге в режиме реального времени в условиях экстремальных температур окружающей среды посредством навигационной аппаратуры, принимающей сигналы КА ГНСС, включая сигналы КА ГЛОНАСС/GPS (далее - устройство), и чертежом, на котором представлена блок-схема предлагаемого устройства. Устройство (см. чертеж), содержит электрически связанные между собой измерительный модуль 1, включающий активную ГНСС-антенну 2 и фазовый ГНСС-приемник 3, интерфейсный модуль 4 управления напряжением питания (далее - интерфейсный модуль 4), интерфейсный модуль передачи цифровых данных 5 (далее - интерфейсный модуль 5), источник питания 6, устройство зарядки 7, средство связи для передачи данных геопространственных измерений по сигналам КА ГНСС 8 (далее - средство связи 8) в удаленный сервер 9. Удаленный сервер 9 выполнен в виде системы сбора, хранения, обработки данных геопространственных измерений на базе ПЭВМ с общим и прикладным программным обеспечением через средство связи 8, с возможностью посредством компьютерной программы обработки данных геопространственных измерений и получения пространственных координат x, y, z контролируемых элементов инженерных или природных объектов. Интерфейсный модуль 4 выполнен с возможностью автоматически отключать напряжение питания на интерфейсном модуле 5 при снижении уровня напряжения питания ниже порогового значения. Интерфейсный модуль 4 выполнен, например, в виде контроллера типа Attiny, фирмы Microchip. Интерфейсный модуль 5 выполнен, например, в виде контроллера типа Lora SX1262 фирмы Ebyte и ESP8266 фирмы Espressif Systems с возможностью записи, хранения, чтения коротких сеансов ГНСС-измерений и передачи посредством средства связи 8 данных геопространственных измерений по сигналам КА ГНСС в упомянутый удаленный сервер 9. Интерфейсный модуль 4 и интерфейсный модуль 5 соединены между собой посредством цифрового программно-логического канала связи в программе упомянутого интерфейсного модуля 4 соответственно. Использование в качестве фазового ГНСС-приемника 3, например, приемника ГЛОНАСС/GPS сигналов на базе энергоэффективных модулей типа Ublox m8p или Ublox ZedF9P, а в качестве интерфейсного модуля 4 контроллера типа Attiny, а также в качестве интерфейсного модуля 5 связки энергоэффективных модулей типа Lora SX1262 и ESP8266 совместно, позволяет значительно снизить энергопотребление предлагаемого устройства и, соответственно, использовать в качестве накопителей заряда небольшое количество суперконденсаторов. Устройство зарядки 7 выполнено в виде последовательно соединенных между собой посредством электрической связи понижающего преобразователя напряжения питания 10 (далее - понижающий преобразователь 10), балансира зарядки суперконденсаторов 11 (далее - балансир 11), накопителя заряда 12, выполненного в виде, по меньшей мере, двух суперконденсаторов, последовательно соединенных между собой, и датчика тока и напряжения 13 (далее - датчик 13), электрически соединенного с интерфейсным модулем 4. Использование в качестве накопителя заряда суперконденсаторов 12 в устройстве зарядки 7 с источником питания 6 позволяет отказаться от всепогодных защищенных корпусов, так как их диапазон рабочих температур от - 40 до + 60°C значительно превышает диапазон рабочих температур кислотных и литиево-ионных аккумуляторов (от - 10 до + 50 °C), которые используются в известных устройствах. Также суперконденсаторы практически свободны от эффекта снижения емкости со временем, что также повышает надежность и экономичность эксплуатации предлагаемого устройства. При этом понижающий преобразователь 10 электрически соединен с упомянутым источником питания 6, который выполнен в виде источника возобновляемой энергии, например, в виде монокристаллической солнечной батареи малой мощности, от 30 Вт. При этом работа устройства гарантируется в зимний период в средних широтах при постоянной установке солнечной панели под углом 90° к горизонту. К чему такая установка солнечной панели снижает вероятность потери источника питания 6 из-за обледенения и образования снежного покрова. Активная ГНСС-антенна 2 и фазовый ГНСС-приемник 3 образуют измерительный блок 14, выполненный в виде единой платформы, закрепленной в заранее выбранных точках на контролируемых элементах инженерных или природных объектов и представляющих собой набор опорных пунктов геодезической сети, включающей геодезические реперы и сеть постоянно действующих базовых станций ГНСС, принимающих сигналы КА ГНСС, КА ГЛОНАСС/GPS, при геодезическом мониторинге контролируемых элементов инженерных или природных объектов в режиме реального времени в условиях экстремальных температур окружающей среды. Аналоговый выход активной ГНСС-антенны 2 подключен к аналоговому входу фазового ГНСС-приемника 3, цифровой выход которого соединен с цифровым входом программного блока 15 интерфейсного модуля 5, в котором цифровой вход-выход программного блока 15 соединен с цифровым входом-выходом блока памяти 16, а другой цифровой выход программного блока 15 соединен с цифровым входом блока передачи цифровых данных 17 (далее - блок 17) с возможностью через указанное средство связи 8 передачи данных геопространственных измерений по сигналам КА ГНСС в упомянутый удаленный сервер 9.

Предлагаемое устройство работает следующим образом (см. чертеж). До начала спутниковых геодезических измерений на территории, где находится инженерный или природный объект, выбранной для проведения геодезического мониторинга, создают или используют уже готовый эталонный геодезический полигон, на котором создают трехмерную координатную основу (КО) с применением технологии высокоточного спутникового позиционирования (ГНСС), включая ГЛОНАСС/GPS, в заданной общеземной геоцентрической системе координат (ОГСК), которая представляет собой набор опорных пунктов объединенной геодезической сети, включающей геодезические реперы и региональную сеть постоянно действующих базовых станций (ПДБС) ГНСС (далее - региональная сеть ПДБС ГНСС), координаты которых определяют в ОГСК на текущую эпоху посредством уравнивания упомянутой объединенной геодезической сети с опорой на пункты глобальной сети ПДБС (CORS IGS), реализующей международную земную отсчетную основу (International Terrestrial Reference Frame - ITRF) (далее - глобальная сеть ПДБС (CORS IGS)). При создании КО исходными пунктами являются пункты глобальной сети ПДБС (CORS IGS). Далее на контролируемых элементах инженерных или природных объектов устанавливают измерительный блок 14 в виде единой платформы, закрепленной в заранее выбранных точках на контролируемых элементах инженерных или природных объектов, представляющих собой набор опорных пунктов геодезической сети, включающей геодезические реперы и сеть постоянно действующих базовых станций ГНСС, принимающих сигналы КА ГНСС, включая сигналы КА ГЛОНАСС/GPS, при геодезическом мониторинге контролируемых элементов инженерных или природных объектов в режиме реального времени в условиях экстремальных температур окружающей среды. При включении кнопки питания инициализируются интерфейсный модуль 4 и блок 17 интерфейсного модуля 5. Включенный интерфейсный модуль 4 определяет достаточность уровня заряда на суперконденсаторах в накопителе заряда 12 для выполнения сеанса спутниковых ГНСС-измерений путем опроса датчика 13. В случае недостаточности уровня заряда суперконденсаторов, интерфейсный модуль 5 отключается, а сам модуль 4 переключается в режим низкого энергопотребления на 8 секунд. Через 8 секунд интерфейсный модуль 5 выходит из режима низкого энергопотребления и вновь опрашивает датчик 13. Во время данного цикла происходит зарядка суперконденсаторов в накопителе заряда 12 от источника питания 6. Когда значение напряжения на суперконденсаторах в накопителе заряда 12 преодолевает установленный порог, интерфейсный модуль 4 включает интерфейсный модуль 5 и уходит в режим пониженного энергопотребления на 8 секунд. Значение порога заряда на суперконденсаторах, и их емкость в накопителе заряда 12 выбирается в соответствии с требуемой минимальной продолжительностью сеанса спутниковых ГНСС-измерений. По умолчанию значение минимальной продолжительности сеанса измерений устанавливается равным 20 минут. В свою очередь интерфейсный модуль 5 посредством программного блока 15 включает фазовый ГНСС-приемник 3 и передает ему необходимые для конфигурации команды. Начинается сеанс спутниковых ГНСС-измерений, в которых сигнал глобальных спутниковых навигационных систем принимается активной ГНСС-антенной 2 геодезического класса. Принятый сигнал глобальных навигационных систем обрабатывается в фазовом ГНСС-приемнике 3 геодезического класса. Измеренные и оцифрованные значения фазы сигнала ГНСС с дискретностью 1-30 секунд (в зависимости от предполагаемой скорости контролируемого деформационного процесса) передаются в виде сообщений на программный блок 15 интерфейсного модуля 5. Программный блок 15 интерфейсного модуля 5 производит запись принимаемых сообщений с ГНСС-приемника 3 в блок памяти 16. Каждые 8 секунд интерфейсный модуль 4 выходит из режима пониженного энергопотребления и определяет уровень заряда на суперконденсаторах в накопителе заряда 12. В случае уменьшения напряжения на суперконденсаторах в накопителе заряда 12 ниже определенного значения интерфейсный модуль 4 дает команду модулю 5 на выключение ГНСС-приемника 3. После этого интерфейсный модуль 5 включает блок 17 и начинает последовательно читать записанные на блок памяти 16 сообщения с ГНСС-приемника 3. Читаемые сообщения из блока памяти 16 интерфейсного модуля 5 последовательно передаются в блок 17, например, через УКВ (Lora SX1262) или Wi-Fi (ESP8266/ESP32) модули, для их отправки посредством средства связи 8 на удаленный сервер 9.

Пороговый уровень для выключения ГНСС-приемника 3 и начала передачи данных геопространственных измерений блоком 17, например, через УКВ или Wi-Fi модули, определяется на основе оценки необходимого времени на отправку записанного сеанса спутниковых ГНСС-измерений на УКВ/ Wi-Fi маршрутизатор, с учетом скорости передачи цифровых данных, значение которой зависит от дальности расположения друг от друга ГНСС-приемника 3, блока 17 и средства связи 8, например, в виде УКВ/ Wi-Fi-маршрутизатора (определяется на этапе проектирования сети геодезического мониторинга). Также возможна установка определенной периодичности передачи сообщений ГНСС-приемника 3 в случае постоянного питания устройства за счет источника питания 6, который выполнен в виде источника возобновляемой энергии, например, солнечной панели с возможностью в солнечные дни через понижающий преобразователь 10 и балансир зарядки 11 и на активных элементах суперконденсаторов накопителя заряда 12 накапливать избыточное количество энергии и передавать ее через датчик 13 для последующего питания измерительного блока 1. После завершения отправки записанного сеанса спутниковых ГНСС-измерений возобновляется цикл зарядки суперконденсаторов в накопителе заряда 12, интерфейсный модуль 4 отключает интерфейсный модуль 5 и уходит в режим низкого энергопотребления. Переданные через программный блок 15 и блок 17 посредством средства связи 8, например, УКВ-маршрутизатор, данные сеанса спутниковых ГНСС-измерений передаются на удаленный сервер 9, где выполняется обработка данных для записи, конвертирования, решения навигационной задачи относительным методом, наполнения базы данных системы геодезического мониторинга, оценка и прогноз состояния контролируемых элементов инженерных или природных объектов, оповещение пользователя системы о состоянии контролируемых элементов инженерных или природных объектов в режиме реального времени в условиях экстремальных температур окружающей среды, например, в районах вечной мерзлоты, с целью предиктивной диагностики целостности сооружений, а также оперативного обнаружения первичных признаков потери устойчивости сооружений и выработки четких превентивных управляющих решений для предотвращения аварийных ситуаций на контролируемых объектах.

Предлагаемое устройство для определения пространственных координат контролируемых элементов инженерных или природных объектов при геодезическом мониторинге в режиме реального времени в условиях экстремальных температур окружающей среды посредством навигационной аппаратуры, принимающей сигналы КА ГНСС, включая сигналы КА ГЛОНАСС/GPS, дает возможность:

- выполнять оценку состояния контролируемых элементов инженерных или природных объектов в режиме реального времени в условиях экстремальных температур окружающей среды;

- выполнять предиктивную диагностику целостности контролируемых элементов инженерных или природных объектов;

- получить информацию о первичных признаках потери устойчивости инженерных или природных объектов;

- на основании прогноза вырабатывать превентивные управляющие решения для предотвращения аварийных ситуаций на контролируемых объектах;

- повышать безопасность эксплуатации инженерных или природных объектов в условиях экстремальных температур окружающей среды.

Изобретение относится к области спутниковых геодезических измерений и может быть использовано для определения пространственных координат контролируемых элементов инженерных или природных объектов при геодезическом мониторинге в режиме реального времени в условиях экстремальных температур окружающей среды. Сущность: устройство содержит измерительный модуль (1), источник (6) питания, устройство (7) зарядки, средство (8) связи для передачи данных геопространственных измерений. Измерительный модуль (1) содержит интерфейсный модуль (4) управления напряжением питания, интерфейсный модуль (5) передачи цифровых данных, измерительный блок (14). Интерфейсный модуль (5) передачи цифровых данных измерительного модуля (1) содержит программный блок (15), блок (16) памяти, блок (17) передачи цифровых данных. Измерительный блок (14) измерительного модуля (1) содержит активную ГНСС-антенну (2) и фазовый ГНСС-приемник (3). Устройство (7) зарядки содержит понижающий преобразователь (10) напряжения питания, балансир (11) зарядки суперконденсаторов, накопитель (12) заряда, датчик (13) тока и напряжения. Технический результат: снижение энергопотребления устройства при его эксплуатации, повышение энергонезависимости устройства при эксплуатации в процессе геодезического мониторинга в режиме реального времени в условиях экстремальных температур окружающей среды, повышение оперативности доступа к представляемой информации для анализа и оценки состояния контролируемых элементов инженерных или природных объектов. 1 ил.

Устройство для определения пространственных координат контролируемых элементов инженерных или природных объектов при геодезическом мониторинге в режиме реального времени в условиях экстремальных температур окружающей среды посредством навигационной аппаратуры, принимающей сигналы космических аппаратов (КА) глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), включая сигналы КА ГЛОНАСС/GPS, которое содержит электрически связанные между собой измерительный модуль, включающий активную ГНСС-антенну и фазовый ГНСС-приемник, контроллер с энергонезависимой памятью, приемо-передающий модуль связи, источник питания, устройство зарядки, средство связи для передачи данных геопространственных измерений по сигналам КА ГНСС в удаленный сервер, выполненный в виде системы сбора, хранения, обработки данных геопространственных измерений на базе ПЭВМ с общим и прикладным программным обеспечением, с возможностью посредством компьютерной программы обработки данных геопространственных измерений и получения пространственных координат x, y, z контролируемых элементов инженерных или природных объектов, отличающееся тем, что в упомянутом измерительном модуле контроллер с энергонезависимой памятью выполнен в виде интерфейсного модуля управления напряжением питания с возможностью при снижении уровня напряжения питания ниже порогового значения автоматически отключать напряжение питания на упомянутом приемо-передающем модуле связи, который выполнен в виде интерфейсного модуля передачи цифровых данных геопространственных измерений с возможностью записи, хранения, чтения коротких сеансов ГНСС-измерений и передачи через указанное средство связи цифровых данных геопространственных измерений по сигналам КА ГНСС в упомянутый удаленный сервер, причем указанные интерфейсный модуль управления напряжением питания и программный блок интерфейсного модуля передачи цифровых данных соединены между собой посредством цифровой программно-логической связи в программе упомянутого интерфейсного модуля управления напряжением питания, а упомянутое устройство зарядки выполнено в виде последовательно соединенных между собой посредством электрической связи понижающего преобразователя напряжения питания, балансира зарядки суперконденсаторов, накопителя заряда, выполненного в виде по меньшей мере двух суперконденсаторов, последовательно соединенных между собой, и датчика тока и напряжения, электрически соединенного с интерфейсным модулем управления напряжением питания, при этом понижающий преобразователь напряжения питания электрически соединен с упомянутым источником питания, который выполнен в виде источника возобновляемой энергии, при этом упомянутые активная ГНСС-антенна и фазовый ГНСС-приемник образуют измерительный блок, выполненный в виде единой платформы, закрепленной в заранее выбранных точках на контролируемых элементах инженерных или природных объектов, представляющих собой набор опорных пунктов геодезической сети, включающей геодезические реперы и сеть постоянно действующих базовых станций ГНСС, принимающих сигналы КА ГНСС, включая сигналы КА ГЛОНАСС/GPS, при геодезическом мониторинге контролируемых элементов инженерных или природных объектов в режиме реального времени в условиях экстремальных температур окружающей среды, при этом в измерительном блоке аналоговый выход активной ГНСС-антенны подключен к аналоговому входу фазового ГНСС-приемника, цифровой вход-выход которого соединен с цифровым входом-выходом программного блока интерфейсного модуля передачи цифровых данных, в котором другой цифровой вход-выход программного блока соединен с цифровым входом-выходом блока памяти, а другой цифровой выход программного блока соединен с цифровым входом блока передачи цифровых данных с возможностью через указанное средство связи передачи данных геопространственных измерений по сигналам КА ГНСС в упомянутый удаленный сервер.