Спутниковый мониторинг деформаций морской стационарной платформы ЛСП-1

Автор: Горбунов Олег Николаевич
В данной публикации представлены основные результаты тестового спутникового мониторинга морской платформы ЛСП-1 с помощью сервиса Leica CrossCheck. 

Морская ледостойкая стационарная платформа ЛСП-1 (рис.1) месторождения им. Ю.Корчагина установлена в центре мелководной Северной части Каспийского моря на глубине 11,3 м в 110 км от ближайшего берега. ЛСП-1 – сооружение, предназначенное для круглогодичного бурения эксплуатационных скважин, транспортировки нефти и газа по морскому подводному трубопроводу на пункты отгрузки с оперативным учетом отгруженной продукции. Морская платформа ЛСП-1 является опасным и технически сложным инженерным сооружением, которое подвержено постоянному воздействию статических и динамических нагрузок, вызванных собственным весом, давлением воды и грунта, внешних условий в которых эксплуатируется. При произвольном пространственном воздействии нагрузок, воздействующих на морскую платформу, возникают деформации конструкции на изгиб, сдвиг и кручение, которые могут стать причиной повреждений конструктивных элементов и коммуникаций, нарушения целостности конструкции, повлиять на работу оборудования.

Морская ледостойкая стационарная платформа им. Ю.Корчагина

Рисунок 1 – Морская ледостойкая стационарная платформа им. Ю.Корчагина, состоящая

из производственного блока ЛСП-1 и жилого блока ЛСП-2, соединенных переходным мостом

Следовательно, важно проводить мониторинг и оценку величины деформации ЛСП-1 с целью определения величины допустимой степени повреждения конструкции для снижения вероятности аварий и обеспечения допустимого уровня безопасности. Мониторинг технического состояния ЛСП-1 должен выполняться в течение всего расчетного срока службы конструкции по программе мониторинга, которую проектной организации следует разрабатывать одновременно с проектной документацией [1].


Для мониторинга деформаций и осадок ЛСП-1 в течение всего срока эксплуатации в 2010 году смонтирована и введена в эксплуатацию система спутникового мониторинга, состоящая из трех спутниковых приемников геодезического класса Leica GRX1200, а также средств коммуникации, вычислительной аппаратуры, программного обеспечения, которое в автоматическом режиме ведет сбор и расчет деформаций [2]. Приемники Leica GRX1200 установлены в контрольных точках на трех углах платформы (рис.3). Управление спутниковой системой обеспечивается программным обеспечением Leica GNSS Spider, совмещающим в себе передовые сетевые алгоритмы RTK (Real Time Kinematics). Программное обеспечение Leica GNSS Spider автоматически вычисляет координаты контрольных точек, а в сочетании с программным обеспечением Leica SpiderQC выполняет мониторинг взаимного положения контрольных точек в режиме реального времени и в режиме пост-обработки.

Контрольная точка спутникового мониторинга деформаций ЛСП-1

Рисунок 3 – Контрольная точка спутникового мониторинга деформаций ЛСП-1

При создании системы спутникового мониторинга ЛСП-1 ставилась задача создания системы дистанционного мониторинга, способной определять смещения антенн, установленных стационарно на морской платформе, непрерывно в динамике развития в реальном времени и в автоматизированном режиме [2]. Непрерывный автоматизированный мониторинг позволяет выполнять наблюдения в любое время суток и при любой погоде, регистрировать знакопеременные кратковременные деформации. Спутниковые приемники, работающие в автоматическом режиме, без участия оператора, с установленной дискретностью одновременно определяют все три координаты контрольной точки. Кроме того, контрольными точками и исходными пунктами образуется геодезическая сеть, состоящая из треугольников – жестких геометрических фигур, координаты которых надежно определяются за счет необходимого количества избыточных измерений.

Деформации ЛСП-1, выражаются через линейные вертикальные и горизонтальные смещения контрольных точек. Спутниковый мониторинг деформаций позволяет выполнять контроль пространственного положения и геометрии корпуса морской платформы ЛСП-1.

Программный модуль Leica GNSS Spider в режиме реального времени ежесекундно автоматически выполняет обработку «сырых» данных, поступающих с приемников, и вычисляет пространственные координаты контрольной точки на сантиметровом уровне точности. Смещения контрольных точек вычисляются относительно одной из точек, назначенной в качестве базовой (рис.4). По каждой из контрольных точек относительно базовой точки программой выполняется контроль целостности сети путем периодического расчета взаимного положения контрольных точек – высоты, планового положения и планово-высотного положения. Вычисленные величины смещений находятся в пределах ±50-100 мм. Вместе с тем, из-за влияния многопутности, вследствие неправильного расположения антенны, вычисленная величина смещения контрольной точки может превышать 400 мм.

Вычисленные величины деформаций контрольных точек отображаются в виде графиков смещений. На основании графиков смещений делается предварительная оценка о стабильности местоположения контрольных точек на ЛСП-1, при условии, если тренд временного ряда определяется линией, близкой к прямой. При пост-обработке 24-х часовых файлов, выполняемой программным обеспечением автоматическом режиме, точность вычисления координат антенн составляет ±50-70 мм.

График ежесекундного вычисления смещений контрольных точек

Рисунок 4 – График ежесекундного вычисления смещений контрольных точек

При пост-обработке спутниковых измерений используются 24-х часовые файлы наблюдений, а для повышения точности и надежности получения результатов мониторинга – файлы точных эфемерид. Точные эфемериды предоставляются специализированными службами через сеть Интернет в формате *.sp3 и становятся доступными через несколько недель после завершения сбора данных. По окончании обработки по разности координат оценивается величина смещений контрольных точек между циклами наблюдений. Точность определения координат ±30-50 мм.

Используемое программное обеспечение и алгоритмы обработки не позволяют качественно обрабатывать базовые линии длиной в несколько сот или тысяч километров с точностью на уровне миллиметров, следовательно, вычисленные значения горизонтальных и вертикальных смещений контрольных точек нельзя использовать для решения задач высокоточного мониторинга по определению величин пространственных деформаций и оценке целостности конструкции. Для повышения точности вычисления смещений и решения задач мониторинга ЛСП-1 необходима специальная технология обработки сверхдлинных пространственных векторов.

Для высокоточного определения деформаций морской стационарной платформы на миллиметровом уровне точности компаниями «Навгеоком» (г.Москва) и Leica Geosystems (Швейцария) был предложен, а в июле-августе 2012 года реализован, тестовый проект деформационного мониторинга ЛСП-1 с использованием сервиса CrossCheck.

Leica CrossCheck – это специализированный сервис высокоточного определения координат и деформационного мониторинга с использованием данных глобальных навигационных спутниковых систем. В сервисе CrossCheck для обработки спутниковых наблюдений используются специализированное научное программное обеспечение Bernese GPS Software 5.0 и алгоритмы обработки спутниковых данных для гарантированного получения высокоточных и надежных результатов даже при сверхдлинных базовых линиях. Программное обеспечение Bernese GPS отвечает наивысшим стандартам качества в области высокоточной спутниковой геодезии при обработке наблюдений ГНСС и широко используется в научной среде для определения координат, параметров орбит, изучения ионосферы, тропосферы, движения земной коры и определения множества других параметров. Данное программное обеспечение позволяет исключить ошибки и устранить неясность в обработке базовых линий, чем достигается высокая точность результатов.

Файлы спутниковых наблюдений с ЛСП-1 передавались на удаленный FTP-сервер Leica Geosystems в автоматическом режиме. Доступ к результатам деформационного мониторинга предоставлялся через специальный интернет-портал (рис.5).

Веб-страница для просмотра данных спутникового мониторинга

Рисунок 5 – Веб-страница для просмотра данных спутникового мониторинга

При обработке данных спутниковых наблюдений в сервисе Leica CrossCheck используется информация службы IGS (International GNSS Service) Международной службы вращения Земли (IERS) об уточнённых элементах орбит спутников и ориентации полюсов, предоставляемая для Международной земной отсчетной основы ITRF (International Terrestrial Reference Frame [3]. Параметры орбит спутников и ориентация полюсов вычисляются постоянно действующими станциями службы IGS с использованием данных глобальных сетей, точных методов расчёта и комбинированных решений различных исследовательских центров. Точные эфемериды доступны с задержкой в 12-18 дней и имеют высокую точность. Служба IGS предоставляет эфемериды также и в кратчайшие сроки, но с менее высокой точностью. В сервисе CrossCheck используется средняя эпоха наблюдений реализации данной ITRF, гарантирующая согласованность между координатами станций и точными элементами орбит спутников.

Ошибки, связанные с элементами приведения спутниковых антенн, приводят к систематическим ошибкам, которые зависят от угла возвышения, азимута и частоты спутникового сигнала. Для учета положения фазового центра антенн в сервисе CrossCheck используются средние параметры абсолютных калибровок антенн приемников в геоцентрической системе координат ITRF 2008.

Определение координат контрольных точек выполнено в ITRF 2008, что обусловлено отсутствием точно установленных параметров связи с системой координат СК-95 и необходимостью использования точной координатной основы для обеспечения высокой точности и единства измерений. Кроме того, ITRF имеет реализацию в виде опорных пунктов, закрепленных на земной поверхности. Вследствие постоянной динамики тектонических плит, регионального оседания почвы и т.д., координаты опорных пунктов относят к определенной временной эпохе и постоянно уточняют. Таким образом, все опорные станции также имеют скорость движения, которая зависит от данной тектонической плиты. ITRF задана как «неподвижная» отсчетная основа, поэтому координаты IGS-станций постоянно уточняются. В результате сумма всех смещений опорных пунктов, вследствие движения тектонических плит равняется нулю.

При обработке спутниковых наблюдений в качестве опорных пунктов использовались IGS-станции (рис.6), которые выбирались по следующим критериям:

- кратчайшее расстояние до ЛСП-1;

- известные координаты в ITRF 2008;

- постоянное наличие данных.

Контрольные точки и исходные IGS-станции

Рисунок 6 – Контрольные точки и исходные IGS-станции

На первом этапе обработка данных заключалась в вычислении фиксированных координат контрольных точек с использованием минимально ограниченного уравнивания по суточным/недельным файлам данных. Для разрешения неоднозначности координаты IGS-станций жестко фиксировались. В обработку принимались базовые линии между IGS-станциями и контрольными точками длиной до 5000 км. При обработке спутниковых измерений учитывалась модель тектонического движения земной коры для исключения влияния тектонических смещений на местоположение IGS-станций и результаты мониторинга.

На следующих этапах в режиме пост-обработки обрабатывались данные с часовым интервалом в течение 24 часов в сутки. Смещение каждой контрольной точки проверялось уровнем значимости 95%. В графическом окне специализированного веб-портала отображались смещения контрольных точек в плане и по высоте с течением времени в виде графиков смещений по осям координат (рис.7-9). Доступ к результатам мониторинга предоставлялся через закрытый интернет-портал по индивидуальному логину и паролю.

График смещений по оси X

Рисунок 7 – График смещений по оси X

График смещений по оси Y

Рисунок 8 – График смещений по оси Y

График осадок

Рисунок 9 – График осадок

Результаты выполненного исследования подтвердили возможность использования сервиса Leica CrossCheck для деформационного мониторинга морской платформы ЛСП-1. В данном случае решены задачи непрерывного и автоматизированного отслеживания состояния ЛСП-1 с целью предотвращения аварийных ситуаций. С помощью данного сервиса вычислялись трехмерные координаты контрольных точек в определенный момент времени, позволяющие определить деформации платформы – осадки, смещения, растяжения, сжатия и изгибы, которые могут возникнуть в связи с изменением геометрии корпуса или пространственного положения платформы.

Основные результаты деформационного мониторинга:

- спутниковый мониторинг с помощью сервиса Leica CrossCheck показал достаточно высокую надежность и эффективность контроля деформаций и геометрии корпуса для обеспечения безопасной эксплуатации морской платформы;

- система мониторинга позволяет выявлять смещения контрольных точек с точностью до 5 мм в трехмерном пространстве с вероятностью 95%;

- система спутникового мониторинга функционировала как сервис, что позволило избежать сложной инсталляции и настройки программного обеспечения, обучения персонала и поддержки системы в работоспособном состоянии;

- мониторинг выполнялся круглосуточно в полностью автоматизированном режиме.

Таким образом, технология спутникового мониторинга с помощью сервиса CrossCheck позволяет осуществлять контроль деформаций морской платформы, возникающих при воздействии сил и нагрузок, изменяющихся во времени по величине и направлению. Сравнение измеренных величин деформаций с установленными проектом предельными величинами дает возможность оценивать степень повреждения конструкции и определять техническое состояние платформы.

Автор: Горбунов Олег Николаевич

Возврат к списку