《GNSS控制网设计》课件

控制网设计GNSS控制网设计简介控制网定义基础测量作用精度保障控制网是由一系列坐标已知的控制控制测量是大地测量学的重要分点按一定几何图形连接而成的网支，为地形测图、工程建设、资源络，为各种测量工作提供统一的坐调查等提供精确的空间位置基准标基准根据测定要素不同，可分在国家基础设施建设、城市规划、为平面控制网、高程控制网和三维资源开发等领域发挥着不可替代的控制网三大类型基础性作用传统控制网方法回顾传统测量技术技术局限性传统控制网主要依靠水准仪进行高程测量，全站仪进行角度和距传统控制网存在明显的技术缺陷需要相邻点间通视，作业效率离测量这些方法在相当长的历史时期内为测绘事业做出了重要低，受天气影响大，误差累积严重在大范围测量中，传统方法贡献，建立了完整的国家控制网体系的局限性尤为突出传统方法具有测量精度高、技术成熟、成本相对较低等优点，在GNSS技术的出现彻底改变了这一状况，实现了全天候、高精局部区域的精密工程测量中仍然发挥重要作用度、高效率的三维定位，为现代控制网设计带来了革命性变化技术基础GNSSGPS系统GLONASS系统北斗系统美国全球定位系统，由24俄罗斯全球导航卫星系统，中国自主建设的全球卫星颗工作卫星组成，是目前采用不同于GPS的频分多导航系统，具有导航定位、应用最广泛的卫星导航系址技术，为全球用户提供短报文通信、精密授时等统提供全球覆盖的高精独立的导航定位服务多重功能，服务精度达到度定位服务世界先进水平Galileo系统欧洲联盟建设的民用全球卫星导航系统，注重民用服务，提供高精度、高可靠性的定位服务系统组成GNSS地面段监控站和上注站网络•主控站负责系统运行空间段用户段•监测站实时跟踪卫星由导航卫星组成的星座各类GNSS接收设备•上注站更新导航数据•卫星轨道高度约20200公里•测量型接收机•轨道倾角55度•导航型接收机•运行周期约12小时•授时型接收机信号与观测值GNSS载波观测伪距观测GNSS载波相位观测是最精确的伪距是接收机到卫星的距离观测观测量，精度可达毫米级载波值，包含时钟误差虽然精度低观测值包含整周模糊度，需要通于载波观测，但可直接用于定位过特殊技术进行解算载波观测解算，是实时导航定位的主要观是高精度GNSS测量的基础测量导航电文卫星播发的导航电文包含卫星轨道参数、时钟改正数、电离层参数等重要信息导航电文是定位解算不可缺少的数据源GNSS测量模式GNSS静态测量接收机长时间静止观测，观测时间小时，精度最高，适用于高等级1-4控制网建立快速静态观测时间分钟，适用于中短基线测量，在保证精度前提下提高作5-20业效率RTK模式实时动态测量，厘米级精度，适用于工程放样、地形测图等需要实时结果的作业网络RTK基于参考站网络的实时测量，扩大作业范围，提高可靠性和精度控制网等级与参数设计国家一等网最高等级控制网，精度5mm+1ppm国家二等网区域基础控制网，精度10mm+2ppm省市级控制网地方基础控制网，精度15mm+2ppm工程控制网专用工程控制网，精度根据工程需要确定控制网的布设原则均匀分布控制点应在测区内均匀分布，避免点位过于集中或稀疏，确保对整个测区的有效控制闭合互控网形应构成若干闭合图形，增强网的几何强度和检核能力，提高成果可靠性选址要求选择地势较高、视野开阔、稳定性好的地点，避开高大建筑物和强电磁干扰源环境考虑充分考虑多路径效应、电磁干扰等环境因素对GNSS观测的影响，确保观测质量设计主要技术参数基线长度设计网型选择策略基线长度直接影响观测精度和作业效率一等网基线长度一般为网型设计包括链状网、环状网和网状网三种基本形式链状网适20-70公里，二等网为8-40公里，三等网为2-15公里基线长度用于带状测区，环状网适用于面状测区，网状网则适用于大面积的选择需要综合考虑精度要求、仪器性能和作业成本高精度测区过长的基线会导致大气延迟误差增大，过短的基线则会降低网的实际工程中多采用混合网型，结合测区形状、精度要求和经济条几何强度合理的基线长度设计是保证控制网质量的关键因素件等因素综合确定最优网型方案观测误差源GNSS卫星相关误差包括卫星轨道误差和卫星钟差现代精密星历的轨道精度约为厘米，钟5差精度约为纳秒，这些误差对长基线测量影响较大

0.1大气传播误差电离层和对流层延迟是测量的主要误差源电离层延迟与频率GNSS平方成反比，对流层延迟与高程角和气象条件相关，需要采用适当的模型进行改正接收机误差包括多路径效应、接收机钟差、天线相位中心变化等多路径效应是短基线测量的主要误差源，需要通过合理选址和信号处理技术减小影响误差处理与消除方法差分观测模型改正通过同步观测相同卫星，利用差分技术建立各种误差源的数学模型，通过模型消除或削弱共同误差源的影响，是改正减小误差影响，提高定位精度高精度测量的基本方法GNSS大气建模数据平滑利用气象数据和经验模型，对电离层和采用卡尔曼滤波等数据平滑技术，提取对流层延迟进行精确建模和改正有用信号，抑制随机噪声坐标参考系与转换1984WGS-84建立世界大地坐标系统，GPS系统采用的标准坐标系2000CGCS2000启用中国大地坐标系统，我国法定的大地坐标系7转换参数坐标转换需要确定的基本参数个数1cm转换精度高精度坐标转换可达到的精度水平控制网设计案例导引国家一级控制网覆盖全国的基础控制网，点间距公里50-100区域加密控制网省市级控制网，点间距公里10-25工程专用控制网大型工程项目专用控制网，满足特定精度需求网型构成与设计实例三角网形经典的控制网形式，具有良好的几何强度和检核条件适用于山区和丘陵地带，能够有效控制角度观测误差的传播四边形网在三角网基础上增加对角线观测，提高网的冗余度和可靠性是GNSS控制网常用的基本图形单元链状网形适用于带状测区，如公路、铁路、河流等线状工程通过增加横向连接提高网的几何强度基准与起算点选择稳定性评估历史点利用选择地质稳定、远离活动断层的区域建立起算点通过长充分利用已有的高等级控制点，通过联测纳入新建控制期观测验证点位稳定性，确保基准的可靠性网既节约成本又保持了与国家控制网的统一性网络连接精度匹配确保起算点在网中分布合理，避免基准缺陷一般要求至起算点精度应与新建控制网精度要求相匹配，避免精度不少3个起算点且分布均匀匹配导致的系统误差控制点选址要点控制点选址是控制网设计的关键环节理想的控制点应具备地势高、视野开阔、地质稳定、交通便利等条件要避开高大建筑物、高压线路、大面GNSS积水域等可能产生多路径效应和电磁干扰的环境外业测量准备点位标志仪器准备控制点埋设应符合相关技术规范要求永久性标志采用钢筋混凝GNSS接收机使用前应进行全面检查和校准检查内容包括天线土结构，临时标志可采用钢钎或木桩标志顶部应设置强制对中相位中心偏差、接收机时钟稳定性、载波相位观测精度等关键技装置，确保天线准确对中术指标标志埋设深度不少于

1.2米，在冻土地区应深于冻土层标志周准备充足的备用电池、数据存储设备、通讯工具等辅助设备制围应设置保护设施，防止人为破坏定详细的作业计划和应急预案，确保外业工作顺利进行观测方案设计GNSS测量模式观测时间卫星数要求适用基线长度静态测量1-4小时≥4颗＞20公里快速静态5-20分钟≥5颗＜20公里RTK测量实时≥5颗＜10公里网络RTK实时≥5颗＜50公里外业观测实施流程站点布设仪器设置观测作业质量检查按设计方案到达观测点，架配置接收机参数，开始同步按规定时间进行连续观测实时监控观测质量，记录作设GNSS天线观测业信息数据采集与记录规范记录表格数据管理详细记录观测时间、天气条件、观测数据应及时备份，建立多重仪器型号、天线高等关键信息备份机制防止数据丢失数据文记录表应字迹清晰、内容完整，件命名应规范统一，便于后续处避免涂改所有记录都要有观测理和归档管理员签名确认现场文档拍摄点位照片，绘制点位略图，详细描述点位周边环境特征这些文档对于点位复测和维护具有重要价值原始观测数据获取GNSSRINEX格式观测码类型采样间隔国际标准的包括码、码、通常设置为秒，GNSS C/A P1-30数据交换格式，包载波相位等多种观静态测量可采用较含观测文件、导航测量不同观测码大间隔，动态测量文件和气象文件，的精度和特性不同，需要较小间隔以捕便于不同软件间的需要根据测量要求获载体运动信息数据交换选择合适的观测码数据质量通过信噪比、多路径参数、周跳检测等指标评估数据质量，剔除异常观测值检查与异常点处理现场检测通过接收机显示的卫星数量、信号强度、定位精度等指标初步判断观测质量异常识别发现信号中断、多路径严重、卫星数不足等异常情况时，及时分析原因并采取对策补测决策对于质量不合格的观测数据，制定补测方案，必要时调整观测时间或更换点位作业调整根据现场情况灵活调整观测计划，确保最终获得满足精度要求的观测数据现场质量控制多路径检测通视检查现场评估比重现场评估比重25%30%•信号强度监测•卫星高度角验证•载噪比分析•遮挡物影响评估•反射源识别•观测环境优化精度监控时间管理现场评估比重35%现场评估比重10%•实时差分检查•观测时段优化•基线解算验证•卫星几何强度•坐标重复性分析内业数据预处理数据导入检查将外业采集的原始数据导入处理软件，检查文件完整性和格式正确性验证观测时间、测站信息、天线高等基本参数是否准确记录初步质量评估分析观测数据的连续性、卫星可见性、信号质量等指标识别数据缺失、信号中断、异常跳变等问题，为后续处理提供依据有效性验证检查观测时段内的卫星几何分布、天气影响、仪器工作状态等因素确保观测数据满足控制网精度要求和技术规范标准数据格式转换与检查格式转换将不同厂家的专用格式转换为标准格式，确保数据在各种处理软RINEX件间的兼容性验证转换过程中数据的完整性和准确性数据整理按照测站、观测时段、卫星系统等要素对数据进行分类整理建立清晰的文件目录结构，便于数据管理和处理备份策略建立多级备份机制，包括本地备份、网络备份和离线备份制定数据恢复预案，确保重要数据的安全性质量控制通过批量处理工具检查数据质量，识别异常数据并进行标记建立数据质量评估报告，为后续处理提供参考基线解算流程GNSS精密定位最终基线向量输出参数估计坐标和模糊度解算载波平滑相位观测值处理观测值配对同步观测数据选择数据预处理原始观测数据准备约束平差原理平差方法选择误差分布模型自由网平差不加入任何坐标约束，仅利用观测值之间的几何关GNSS观测值的误差分布一般假设为正态分布，方差随基线长度系，适用于网形分析和粗差检测约束网平差引入已知点坐标作和观测时间变化建立合理的随机模型是平差计算的基础为起算数据，适用于实际工程应用法方程组的构建基于最小二乘原理，通过迭代计算求解未知参在实际控制网处理中，通常先进行自由网平差检查网的内在质数权矩阵的确定直接影响平差结果的可靠性量，再进行约束网平差获得最终坐标成果网络平差流程协方差建模权重分配根据基线长度、观测时间、仪器精度等基于协方差矩阵确定各观测值的权重，因素建立观测值协方差矩阵，反映观测高精度观测值赋予较大权重，低精度观值的精度和相关性测值赋予较小权重质量评定参数估计分析残差分布、精度指标、可靠性指利用最小二乘法求解坐标参数，通过迭标，评估平差结果的质量和可信度代计算获得最优估值和精度指标平差计算与成果生成3D1mm坐标维度精度水平输出三维坐标成果，包括X、Y、Z坐标或经纬度坐标高等级控制网可达到毫米级定位精度95%σ置信水平中误差精度指标通常以95%置信度表示坐标中误差是重要的精度评定指标质量评定与限差判别点位精度检查各控制点的坐标中误差是否满足规范要求一等网点位中误差应小于3厘米，二等网应小于厘米超限点位需要分析原因并采取改正措施5基线精度评估基线向量的精度和可靠性基线长度中误差应符合相应等级的技术要求，基线重复性检验不应超过规定限差闭合差检验检查各种闭合差是否在允许范围内三角形闭合差、附合路线闭合差等几何检验是控制网质量的重要指标可靠性分析分析网的几何强度和观测值冗余度计算最弱点位精度、最弱基线精度等指标，评估控制网的整体可靠性坐标系验算与控制参考系对比转换参数拟合将控制网成果与国家或地方坐标利用重合点坐标计算坐标转换参系进行对比分析，检查坐标系统数，包括平移、旋转、缩放等七的一致性通过公共点坐标比参数或四参数转换评估转换参较，验证坐标转换参数的正确性数的精度和稳定性和精度精度验证通过独立检核点验证坐标转换精度，确保转换后坐标的可靠性建立坐标转换精度评估报告，为后续应用提供参考网点稳定性复核定期复测建立控制点定期复测制度，一般每年进行一次全面复测，重2-3要点位可缩短复测周期数据对比将复测数据与原始数据进行对比分析，检查点位坐标变化量是否超过允许范围维护更新对发生位移的点位进行分析，必要时更新坐标或重新埋设标志，确保控制网的长期稳定性数据成果汇总与归档成果整理按规范要求整理各类成果资料图表制作制作控制网图、精度分析图等分类归档按照档案管理要求分类存档技术报告撰写要点报告结构技术报告应包含项目概况、设计方案、实施过程、质量分析、成果总结等主要章节每个章节都要有明确的主题和逻辑关系图表制作制作控制网布点图、精度分析图、质量评定表等技术图表图表应清晰准确地反映控制网的技术特征和质量状况数据分析深入分析观测数据、平差结果、精度指标等关键信息通过数据分析得出科学合理的技术结论和建议质量结论基于全面的技术分析，给出控制网质量评定结论明确指出控制网是否满足设计要求和规范标准常见问题与处理建议设计阶段问题作业实施问题常见设计误区包括网型选择不当、基线长度设计不合理、起算点外业观测中容易出现天线高量错、点号记录错误、观测时间不足选择不当等这些问题会直接影响控制网的几何强度和精度分等人为错误数据处理中常见整周模糊度固定失败、基线解算精布度低等技术问题建议在设计阶段充分考虑测区特点、精度要求、作业条件等因应建立严格的质量控制制度，加强现场检查和数据验证对于技素，采用网形设计软件进行优化设计，避免经验主义和主观判术问题要分析原因，采用多种方法验证结果的可靠性断控制网在工程中的典型应用GNSS大坝工程大坝建设需要建立高精度控制网进行施工放样和变形监测GNSS控制网能够提供毫米级定位精度，满足大坝建设的严格要求通过长期观测还可监测大坝的微小变形桥梁工程大跨度桥梁建设对控制网精度要求极高，特别是主塔定位和主梁合龙等关键工序GNSS控制网能够实现跨越江河海峡的高精度定位，为桥梁建设提供可靠的测量基准铁路工程高速铁路对线路平顺性要求很高，需要建立沿线控制网保证施工精度GNSS技术能够建立统一的坐标系统，实现无缝轨道的精密施工控制复杂环境下的控制网设计GNSS山区峡谷城市峡谷环境挑战比重环境挑战比重30%35%•卫星信号遮挡严重•高楼密集遮挡•多路径效应复杂•电磁干扰强烈•通视条件受限•多路径效应显著多系统融合技术优化解决方案比重25%解决方案比重10%3•北斗+GPS组合•观测策略调整•增强观测冗余度•数据处理优化提高定位可靠性•与其他测量技术集成GNSS全站仪组合GNSS+在信号受限区域，采用全站仪进行局部加密测量通过控制GNSS GNSS点建立测站，利用全站仪的高精度角距观测能力，实现无缝数据融合水准仪联合GNSS+提供平面坐标和概略高程，精密水准测量提供精确高程数据GNSS两种技术优势互补，建立高精度三维控制网多技术协同作业在精密工程控制中，综合运用、全站仪、水准仪等多种技GNSS术，形成立体化测量体系，确保各个方向的测量精度要求智能化与信息化变革云平台处理远程监控基于云计算平台的数据通过移动通信网络实现GNSS GNSS处理系统实现了远程数据上接收机的远程监控和数据传传、自动化处理、实时质量监输操作人员可以在办公室实控等功能大大提高了数据处时查看现场观测状态，及时发理效率和质量控制水平现和处理异常情况自动化作业智能化接收机具备自主观测、自动质量检测、异常报警等功能GNSS减少了人工干预，提高了作业的标准化和规范化水平北斗综合利用/GPS/GLONASS/Galileo4卫星系统同时接收四大全球卫星导航系统信号100+可见卫星多系统组合可见卫星数量大幅增加50%精度提升多系统融合相比单系统精度提升幅度24/7可用性全天候高精度定位服务保障软件与自动化工具应用现代数据处理软件如、等提供了完整的自动化处理流程这些软件集成了GNSS TrimbleBusiness CenterTBCLeica GNSSSolutions基线解算、网络平差、质量控制、成果输出等全部功能模块，大大简化了数据处理工作自动化工具能够进行批量数据处理，提高工作效率和处理质量的一致性近期标准与政策动态规范名称发布时间主要内容GB/T18314-2009全球定位系统GPS测量规范2009年GPS测量技术要求和作业方法CH/T2009-2010全球导航卫星系统连续运行参2010年CORS站建设技术标准考站网建设规范GB/T39267-2020全球导航卫星系统测量规范2020年多系统GNSS测量技术规范自然资源部相关技术指导文件2019-2023年北斗系统推广应用指导意见创新案例分析精密基准站网建设覆盖全国的高精度基准站网络，站间距离公里，实现厘米级50-70实时定位服务北斗地基增强利用北斗系统特色功能，建设地基增强网络，提供高精度位置服务和短报文通信全球服务北斗系统已具备全球服务能力，在一带一路国家推广应用，服务全球用户技术创新在芯片技术、算法优化、系统集成等方面不断创新，推动技术发GNSS展经济效益与社会效益经济效益分析社会效益贡献控制网建设相比传统测量方法可节约成本主要体控制网为国土资源调查、环境监测、防灾减灾等公共服务GNSS30-50%GNSS现在减少人工投入、缩短作业周期、降低复测频率等方面一次提供基础支撑在智慧城市建设中发挥重要作用，支撑城市规性建设投入可长期使用，经济效益显著划、交通管理、公共安全等应用在大型工程项目中，高精度控制网能够减少施工误差，避免返工高精度位置服务促进了位置服务产业发展，催生了新的商业模式损失，其间接经济效益往往数倍于建设成本和应用场景，为社会经济发展注入新动力。