Documento sobre tecnología de medición del sistema global de navegación por satélite
Aplicación de la tecnología de medición GNSS en la medición urbana
El contenido técnico de la medición urbana GNSS incluye principalmente la construcción del sistema CORS urbano, la red GNSS urbana, la medición RTK GNSS urbana, la medición de elevación GNSS urbana, etc. . Este artículo realiza principalmente un breve análisis de la aplicación de estas aplicaciones tecnológicas.
Palabras clave: sistema global de navegación por satélite; sistema CORS; medición de red RTK; resumen del artículo: la tecnología de medición GNSS incluye principalmente construcción urbana, construcción de red GNSS urbana CORS, Urbano Medición GNSS RTK, medición de elevación GNSS urbana, este artículo realiza principalmente un breve análisis de la aplicación de esta tecnología desde estos aspectos.
Palabras clave: sistema GNSSCORS; red de control; medición RTK; medición de altitud
Número de clasificación de la biblioteca china: P224
Tecnología del sistema global de navegación por satélite (GNSS) Ha cambiado fundamentalmente los métodos tradicionales de diseño de la red de medición, los métodos operativos y los procedimientos operativos internos y externos, proporcionando un nuevo medio técnico y método para la topografía urbana. El sistema de posicionamiento y navegación global tiene las características de global, para todo clima, alta eficiencia, multifunción y alta precisión. Cuando se utilizan para el posicionamiento geodésico, las estaciones de medición no necesitan mirarse entre sí, no necesitan estar marcadas y no se ven afectadas por las condiciones climáticas. Las coordenadas tridimensionales del sitio se pueden obtener a partir de una sola observación. La tecnología de medición urbana de posicionamiento por satélite incluye la construcción del sistema CORS urbano, la construcción de redes GNSS urbanas, la medición RTK GNSS urbana, la medición de elevación GNSS urbana, etc. Es adecuado para estudios de control urbano, estudios de ingeniería, estudios de deformación y estudios topográficos en todos los niveles. La tecnología GNSS servirá a la construcción urbana con alta velocidad, alta precisión y bajo costo, y brindará apoyo topográfico y cartográfico para la planificación, construcción y gestión urbanas de manera rápida, oportuna y precisa.
1. Construcción del sistema CORS urbano
La tecnología GNSS se ha utilizado ampliamente en la navegación doméstica, el posicionamiento y la investigación científica. Solo se puede construir un sistema CORS en una ciudad para evitar la duplicación de la construcción y el desperdicio de recursos. La construcción del sistema no solo debe satisfacer las necesidades de posicionamiento de los departamentos de topografía y cartografía urbana, sino que también debe considerar de manera integral las necesidades del sistema de las industrias sísmica, meteorológica, terrestre y otras [1]. La implementación específica puede completarse de una sola vez o en etapas según las condiciones de desarrollo urbano y económico. Como una de las infraestructuras de datos espaciales más importantes de la ciudad, el sistema CORS urbano debe primero satisfacer las diferentes necesidades de servicios de posicionamiento espacial de la ciudad.
El diseño de las redes CORS urbanas es diferente del diseño de las redes GNSS urbanas regulares. La longitud lateral de las redes GNSS convencionales es generalmente más corta y la distancia entre los sitios CORS se puede ampliar adecuadamente según el diseño de la función del sistema. La Tabla 1 a continuación enumera las longitudes laterales promedio de las redes CORS que se han construido en algunas ciudades y regiones.
Tabla 1 Algunas ciudades y regiones con redes CORS
Según el análisis estadístico de la longitud lateral promedio de las redes CORS construidas en algunas ciudades y regiones, la longitud lateral promedio de las CORS urbanas redes es de 40 kilómetros. Para cumplir con la precisión del servicio de posicionamiento en tiempo real a nivel de centímetros del sistema CORS. En el diseño específico, la densidad de las estaciones CORS se puede determinar en función de la ubicación geográfica, el tamaño de la ciudad y las aplicaciones de construcción. Sin embargo, la distancia máxima entre estaciones CORS adyacentes no debe exceder los 80 kilómetros. Debido a la deformación de la corteza terrestre, los desastres naturales, la sobreexplotación de las aguas subterráneas y otras razones, el sitio de la estación CORS en la ciudad puede ser inestable. Las coordenadas de la red CORS deben calcularse periódicamente y el período de cálculo no debe exceder un año. El cambio de posición del plano de coordenadas de la estación CORS no debe exceder los 1,5 cm; el cambio de altura no debe exceder los 3 cm. Cuando las coordenadas de la estación CORS cambian de manera inconsistente, se deben analizar las razones y las coordenadas de la estación CORS deben actualizarse de manera oportuna o se debe seleccionar una nueva estación. Para áreas con hundimiento severo del terreno, los límites de cambio para cambios de elevación se pueden formular por separado.
2. Construcción de la red de control GNSS urbana
El diseño de la red GNSS debe seguir el principio de diseño de la red desde lo global a lo parcial y jerárquico. Las redes GNSS a nivel de ciudad deben implementarse en su totalidad al mismo tiempo, mientras que las redes GNSS cifradas se pueden implementar paso a paso, en todos los niveles o en el mismo nivel.
Características del diseño de la red GNSS: Si una red GNSS consta de N puntos, el número de estaciones en cada punto es m y el número de períodos de observación es c: c = n-m/n cuando se utilizan N receptores GNSS para observación sincrónica en uno período, el número de vectores de referencia dependientes que se pueden formar: N(N-1)/2. Por lo tanto, existe un vector de línea base dependiente en esta red GPS: j=C﹒ N(N-1)/2, el número de vectores de referencia independientes medibles en cada período de tiempo es N-1, por lo que el número total de vectores de referencia independientes en esta red es j único = c ﹒ (n-65438).
En una red GNSS compuesta por n puntos, sólo se necesitan (n-1) vectores de línea base para determinar la posición relativa de estos n puntos (si se conocen las coordenadas de un punto, se puede determinar la coordenadas de otros n-1 puntos). Por lo tanto, el número de vectores de referencia necesarios en la red GNSS: j debe = n-1. El número de vectores de referencia independientes realmente medidos en la red es C﹒ (N-1), por lo tanto, el número de vectores de línea de base redundantes en la red es j múltiplos = J único - J debe = c ﹒. (n-65438+). Entonces el número de períodos de observación c para toda la red es: C=n﹒ m/N=80? 4/5=64 Toda la red* * *El número de vectores de referencia: j total=C﹒ N(N-1)/2=64? 5?4/2=640 artículos
El número de vectores de línea de base independientes en la red es: j único = c ~ (n-1) = 64? 4=256. El número de vectores de línea base requeridos por la red GNSS: j = n-1=80-1=79. El número de vectores de línea de base redundantes en la red es: J Duo = J Du-J Bi = 256-79 = 177. 3. Tecnología de medición RTK GNSS urbano y su aplicación
La medición RTK puede utilizar medición RTK de estación base única y medición RTK de red. Las ciudades que han establecido sistemas CORS deberían adoptar mediciones RTK de red. Durante las operaciones reales, hay algunas áreas difíciles donde las señales de comunicación son débiles o no pueden cubrirse, lo que hace imposible realizar mediciones RTK de estación base única y RTK de red en tiempo real. El modo de medición dinámica posprocesado está disponible para mediciones RTK in situ. Configurar una estación base para mediciones RTK de base única es un primer paso fundamental. La elección de la estación de referencia afecta directamente al radio de trabajo y a la eficiencia. Si la estación de referencia se selecciona incorrectamente, no se puede garantizar la calidad de los datos de observación en la estación de referencia ni la calidad de propagación de las señales de comunicación inalámbrica. Todas las estaciones móviles compatibles con la estación base no pueden funcionar sin problemas o la estación base se mueve con frecuencia, lo que afecta el proceso de trabajo. La configuración de la estación de referencia debe coincidir con el modo operativo actual y el modo móvil.
La medición de la red de control GNSS estática puede verificar los resultados a través de la precisión de la línea de base, la diferencia de línea de base repetida, la diferencia de cierre y la diferencia. Los puntos de medición RTK son independientes entre sí y no existe una relación directa entre los puntos, por lo que no se pueden encontrar errores graves causados por accidentes [2]. Por lo tanto, para mejorar la confiabilidad de la medición RTK y garantizar la configuración correcta del instrumento, se debe seleccionar una cierta cantidad de puntos de coordenadas conocidos para la verificación de la medición durante el proceso de medición para verificar la confiabilidad del equipo de la estación del usuario y la precisión de los parámetros de conversión de coordenadas.
Al medir puntos de control utilizando RTK existente, se deben verificar las coordenadas o la geometría. Los puntos de control RTK existentes se pueden utilizar como puntos de control en la medición RTK o como puntos de control del mismo nivel. Si se utiliza un punto de control como punto de control, se debe unificar con el punto de control recién establecido. Verifique uniformemente las longitudes de los lados, los ángulos y las coordenadas entre los puntos de control, que deben cumplir con los requisitos de precisión. La precisión de las mediciones RTK se ve afectada por varios factores. Debido a la naturaleza multivalor de la medición de la fase de la portadora, varios errores en el proceso de inicialización y la influencia del entorno externo y la interferencia de ondas electromagnéticas durante el proceso de transmisión del enlace de datos, la solución entera desconocida puede no ser confiable. Al mismo tiempo, la independencia de los puntos de medición RTK es esencialmente diferente de la relación relativa entre puntos adyacentes enfatizada por la medición tradicional.
IV. Tecnología de medición de elevación GNSS urbana y su aplicación
Según el flujo de trabajo, la medición de elevación GNSS debe dividirse en el establecimiento de modelos de anomalías de elevación, medición GNSS y procesamiento de datos. El modelo de anomalía de elevación puede utilizar un modelo existente. Los sistemas de elevación comúnmente utilizados incluyen el sistema de altura normal (con el geoide como dato de referencia) y el sistema de altura normal (con el geoide como dato de referencia). El sistema de altitud utilizado en China es el sistema de altitud normal. El uso de la tecnología GNSS para medir la elevación de un punto terrestre es la altura h del elipsoide de la Tierra según las coordenadas geocéntricas. Existen diferencias de altura entre el geoide y el pseudogeoide en relación con el elipsoide de la Tierra, que se denominan diferencia de geoide n y anomalía de elevación respectivamente. .
¿La altura de la Tierra es h, la altura positiva es Hg y la altura normal es h? Según la siguiente fórmula: H=Hg+NH=H? +?Si la anomalía de altura de un punto del terreno se puede determinar con precisión, entonces la altura normal del punto del terreno se puede determinar con precisión mediante mediciones GNSS.
Análisis de los requisitos técnicos de medición estática de GNSS
Se introducen los requisitos técnicos para la medición estática de posicionamiento por satélite en especificaciones comunes y se comparan y analizan los diferentes requisitos técnicos de cada especificación.
Comparación y análisis de requisitos técnicos GNSS en medición estática GNSS Especificaciones generales de medición GNSS
Clasificación de Bibliotecas Chinas. :P258] Código de identificación de archivo: A Número de producto:
La tecnología de posicionamiento por satélite tiene las características de globalización, alta eficiencia, multifunción y alta precisión. La precisión de posicionamiento de la medición estática del posicionamiento por satélite es tan alta como 10-6 ~ 10-7, y se usa ampliamente en el establecimiento de varios tipos y niveles de redes de control. Existen muchas especificaciones de uso común para las mediciones de posicionamiento por satélite (en lo sucesivo, mediciones GNSS). Cada especificación formula requisitos técnicos detallados para las mediciones GNSS a partir de los estándares profesionales correspondientes, lo que hace que la aplicación de las mediciones GNSS sea altamente operable y desempeñe un papel muy importante. El siguiente es un análisis comparativo de los requisitos técnicos para la medición estática GNSS en especificaciones comunes:
1. El sistema de coordenadas
satisface la deformación longitudinal causada por la proyección del área de medición. no es superior a 2,5 cm/km, que es la premisa y los criterios básicos para establecer o seleccionar un sistema de coordenadas planas; determinar el datum de posición de la red de control es el tema principal en el diseño de datum de la red GNSS. Se puede seleccionar el sistema de coordenadas apropiado. basado en la ubicación geográfica y la elevación promedio del área de estudio. El vector de línea de base espacial o vector de coordenadas tridimensionales obtenido mediante medición GNSS pertenece a su correspondiente sistema de coordenadas espaciales (sistema de coordenadas WGS-84). De acuerdo con las especificaciones, debe convertirse al sistema de coordenadas rectangulares del plano de tira de proyección conforme gaussiano unificado nacional (Sistema de coordenadas geodésicas nacionales 2000, Sistema de coordenadas de Beijing 1954, Sistema de coordenadas Xian 1980) u otros sistemas de coordenadas independientes, como los sistemas de coordenadas de construcción. Por lo general, es el elipsoide de referencia y los parámetros básicos correspondientes al sistema de coordenadas, la longitud del meridiano central del sistema de coordenadas, la elevación de la superficie de proyección del sistema de coordenadas y el valor anormal de elevación promedio del área de estudio, las coordenadas del punto inicial y el acimut inicial. ángulo, las constantes de suma vertical y horizontal, etc. Debe proporcionarse durante la conversión.
2. Clasificación de precisión y diseño técnico
El índice de precisión de la red GNSS generalmente se mide mediante la fórmula de error de la longitud de la línea de base de los puntos adyacentes. no exceder su valor teórico. La especificación de medición del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) (en adelante, el estándar nacional GNSS) divide las mediciones GNSS en cinco niveles: A, B, C, D y E según la precisión y el propósito, y según el componente horizontal del error en el vector de línea base de puntos adyacentes y componentes verticales para medir la precisión del nivel correspondiente. Entre otras especificaciones, las redes de triangulación tradicionales se clasifican en función de la longitud y la precisión del borde, y la precisión se mide por el error medio relativo del borde indirecto más débil. En comparación, el primero es más abstracto y el segundo es más intuitivo, pero desafortunadamente, la mayoría del software aleatorio GPS ofrece la precisión de observar directamente el borde. El diseño técnico consiste en obtener el plan de distribución óptimo, que debe basarse en la situación real del proyecto, el propósito de la red GNSS, los requisitos de precisión, la densidad de los puntos de control, el estado de los satélites, el tipo y cantidad de receptores, las condiciones del tráfico en la carretera. el área de estudio y los datos de medición existentes, y el diseño integral basado en las normas (regulaciones) nacionales relevantes y los principios de diseño de optimización.
Requisitos de especificación: La red GNSS debe estar compuesta por uno o varios anillos de observación independientes, y cada diagrama de sincronización debe estar conectado por bordes o redes para evitar líneas de base libres. Dado que la línea de base libre no participa en la formación de figuras geométricas cerradas, no tiene la capacidad de verificar y descubrir errores graves en los resultados de la observación. El propósito de limitar el número de bordes del anillo independiente más simple es evitar que los errores de línea de base se cubran entre sí y que los bordes con errores grandes no se puedan seleccionar de manera efectiva, lo que resulta en una confiabilidad reducida de la red. Para verificar la calidad de la observación y evaluar la precisión, es necesario verificar la diferencia de cierre del bucle sincrónico y el bucle asíncrono compuesto por bordes de observación independientes.
3. Seleccione un punto para enterrar la piedra.
Si el punto no cumple con los requisitos de medición GNSS, provocará pérdida de bloqueo, deslizamiento del ciclo y errores de efecto multitrayectoria, además de errores graves. aumentarán los errores en las observaciones GNSS y las observaciones de mala calidad. En primer lugar, se requiere que el espacio superior de la estación de trabajo esté abierto. Dado que la señal del satélite GNSS en sí es muy débil, también debe prestar atención a: evitar fuentes de interferencia electromagnética circundantes para garantizar el funcionamiento normal del receptor GNSS; limitar el ángulo de altitud del satélite para reducir el impacto de la troposfera; Reflejan fuertemente las señales de los satélites para debilitar muchos efectos de trayectoria. Según la especificación, primero se debe realizar el diseño técnico y la optimización del gráfico y se debe estimar la precisión.
Finalmente, realice mediciones in situ de acuerdo con los requisitos de diseño técnico y aproveche al máximo los puntos de control antiguos que cumplan con los requisitos. Es necesario que los puntos de referencia y señales de los puntos GNSS estén firmemente enterrados para su conservación y uso a largo plazo.
4. Observación del sistema global de navegación por satélite
Los receptores GNSS deben utilizarse dentro del período de validez de calibración y su precisión nominal debe ser superior a los requisitos de especificación de la red GNSS correspondiente. Dado que el receptor de doble frecuencia utiliza tecnología de corrección de doble frecuencia, puede eliminar bien la influencia del error de refracción ionosférica. Por lo tanto, las redes GNSS de línea de base larga o de alto nivel utilizan observaciones del receptor de doble frecuencia, y la precisión mejora particularmente. Para garantizar la precisión relativa de los puntos adyacentes en la red GNSS, los puntos cercanos entre sí en la red deben observarse simultáneamente para obtener una línea base de observación directa entre ellos.
La especificación también estipula el ángulo de altitud de corte del satélite, el número de satélites efectivos observados simultáneamente, la duración del período de tiempo, la tasa de intervalo de muestreo de datos, el valor PDOP y el número de receptores. observando simultáneamente.
A medida que disminuye la altitud del satélite, la relación señal-ruido de la recepción de la señal del satélite disminuye, el impacto en la troposfera aumenta y el error de medición aumenta. Las especificaciones generales requieren que el ángulo de altitud del satélite no sea inferior a 15°. Esto garantiza la precisión de medición requerida al tiempo que simplifica el modelo.
El número de satélites efectivos se especifica porque cuantos más satélites se observen sincrónicamente, más observaciones redundantes serán y la precisión de los resultados mejorará en consecuencia.
La limitación de la duración del período de observación y la tasa del intervalo de muestreo de datos es obtener suficientes datos, lo que es beneficioso para la resolución de la ambigüedad de enteros y la detección de deslizamiento del ciclo de las observaciones de la fase portadora.
El valor de PDOP está relacionado con la distribución geométrica de los satélites de observación en el espacio. El propósito de limitar PDOP es seleccionar el mejor período de tiempo de observación para obtener valores de observación de alta precisión.
¿A diferencia de otras especificaciones, las "Especificaciones de Topografía de Ingeniería" (en adelante, las "Especificaciones de Trabajo") proponen? ¿El número total de líneas de base independientes no es inferior a 65438 + 0,5 veces el número de líneas de base necesarias? regulaciones. El autor cree que la raíz de estas dos formulaciones es agregar líneas de base de observación redundantes. Durante el funcionamiento normal, según la precisión nominal del instrumento, un error de cierre de aproximadamente el 3% al 5% se considera no calificado. Con líneas de base redundantes, se pueden descartar líneas de base no calificadas, asegurando así la calidad de observación de la red. Con respecto a la determinación del tiempo de observación del GNSS, el autor encontró que cuando la señal satelital GNSS es buena, es factible usar receptores de doble frecuencia para medir GNSS urbanos de cuarto y primer nivel porque sus longitudes laterales son relativamente cortas y la observación El tiempo es de 30 a 40 minutos y de 20 a 30 minutos, lo que mejora la eficiencia del trabajo.
5. Información de resultados
Las mediciones GNSS son resultados de medición básicos y deben almacenarse durante mucho tiempo. Los datos completos de los resultados deben enviarse al finalizar el trabajo. Incluyendo: tareas o contratos, diseño técnico, utilización de resultados existentes, registros de calibración de instrumentos, notas, registros de observación de campo originales, manual de cálculo de ajuste, resumen técnico, informe de inspección, diagrama de red de diseño, diagrama de red de observación, diagrama de procesamiento de datos, datos de resultados y descripciones tales como mapas de resultados y coordenadas, así como archivos electrónicos y CD-ROM de los datos anteriores.
Lo anterior es sólo un simple análisis comparativo de los requisitos técnicos de medición estática GNSS en especificaciones de uso común. Al realizar mediciones estáticas GNSS, el diseño y la medición deben realizarse de acuerdo con las características, precisión y densidad del proyecto y las especificaciones correspondientes para aprovechar al máximo el avance y la superioridad de la tecnología GNSS.
Referencia
[1] Especificaciones de medición del sistema de posicionamiento global (GPS) (GB/T18314-2009), Surveying and Mapping Press, 2009.
[2] "Especificaciones técnicas para la topografía urbana con posicionamiento por satélite" (CJJ/T73-2010), China Construction Industry Press, 2010.
[3] "Especificaciones de medición de posicionamiento de satélites para ingeniería ferroviaria" (TB10054-2010), China Railway Press, 2010.
[4] Li, Medición GPS y procesamiento de datos Wuhan University Press, 2010.