Towards daily-based local ties at Fundamental Geodetic Sites - Development of local tie processes as a part of the renovations at Metsähovi Geodetic Research Station

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2023-10-06
Date
2023
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
119 + app. 53
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 133/2023, FGI publications No 169
Abstract
In order to function, modern society requires reliable and up-to-date spatial information. Current positioning methods work in a global reference frame, which is the result of a decades-long time series of space geodetic observations, updated approximately every five years. The reference frames of different space geodetic techniques are connected to each other by local ties, the vectors between the reference points of space geodetic instruments. An important role is played by geodetic stations with more than one space geodetic instrument, one of which is the Metsähovi Geodetic Research Station. The accuracy requirement for local tie vectors is 1mm/200m. In addition, the vectors must be oriented to the global reference frame. In this dissertation, two different techniques to measure and calculate the local tie vectors between the reference points of space geodetic instruments was investigated. The first technique is based on kinematic GPS, while the second is based on the precise angle and distance measurements. The GPS antennas, prisms or targets on the structure of the VLBI telescope rotate with the telescope. The coordinates of the reference point were estimated using the coordinates of the prisms or antennas with the mathematical model developed in this work. Although local tie measurements are field survey measurements, the accuracy requirements are the same as in precise industrial measurements or metrology. Moreover, this research includes investigations of measurement and analysis methods of local small terrestrial geodetic networks, and how to connect the networks to the global reference frame. Since GPS is a central part of the measurements in this work, the variation of the phase centre of the GPS antennas during the measurements constitutes a source of uncertainty that must be taken into account. This is handled in the data processing with calibration tables. The method to validate the calibrations of GPS antennas was developed in this dissertation, and the dedicated test field for this purpose was built at Metsähovi. The most important result of this dissertation that affects the combination of global reference frames, is the set of local tie vectors which are in the global ITRF2014 reference frame and meets the accuracy requirements of local ties needed in combinating the global reference frames. In addition, up-to-date automatic methods for measuring and calculating GNSS-based and terrestrial local ties were developed. Accurate local tie vectors improve the quality of global coordinate systems and are an important part, one technique, of global coordinate system integration. In addition to the global impact, this research benefits normal field measurements.

Toimiakseen moderni yhteiskunta tarvitsee luotettavaa ja ajantasaista paikkatietoa. Nykyiset paikannusmenetelmät toimivat globaalissa vertauskehyksessä, joka on vuosikymmeniä pitkien avaruusgeodeettisten havaintojen aikasarjojen tulos ja päivitetään noin viiden vuoden välein. Eri avaruusgeodeettisten tekniikoiden vertauskehykset yhdistetään toisiinsa paikallisilla sidoksilla. Tällöin keskeisessä asemassa ovat geodeettiset asemat, joilla on useampi kuin yksi avaruusgeodeettinen havaintolaite. Metsähovin geodeettinen tutkimusasema on yksi näistä. Tarkkuusvaatimus sidosvektoreille on 1mm/200m. Lisäksi vektorien tulee olla orientoitu globaalissa vertauskehyksessä. Tässä väitöstutkimuksessa tutkittiin kahta tekniikaltaan erilaista tapaa mitata ja laskea paikalliset sidosvektorit avaruusgeodeettisten havaintolaitteiden referenssipisteiden välille. Toinen perustuu kinemaattiseen GPS-mittaukseen ja toinen tarkkoihin kulma- ja etäisyysmittauksiin. GPS-antennit VLBI radioteleskoopin lautasen vastakkaisilla puolilla tai prismat sekä tähykset teleskoopin rakenteessa pyörivät teleskoopin mukana. Referenssipisteen estimointiin kehitettiin tässä työssä uusi matemaattinen malli. Vaikka sidosmittaukset ovat paikallisia maastomittauksia, tarkkuusvaatimukset ovat samat kuin tarkoissa teollisuusmittauksissa tai metrologiassa. Työssä tutkittiin myös pienten paikallisten verkkojen kolmiulotteista tasoitusta ja liittämistä globaaliin vertauskehykseen. GPS-antennien vaihekeskipisteen muuttumista mittausten aikana hallitaan laskennassa kalibrointitaulukoilla. Koska GPS on keskeinen osa tämän työn mittauksissa, kyseinen vaihtelu muodostaa epävarmuuslähteen, joka on otettava huomioon. Väitöstutkimuksessa kehitettiin mittaus- laskenta- ja analyysimenetelmät validoida GPS-antennien kalibrointeja. Metsähoviin rakennettiin tätä varten testikenttä jossa kehitettyä menetelmää voidaan käyttää. Tämän väitöstutkimuksen tärkein globaalien vertauskehysten yhdistämiseen vaikuttava tulos on Metsähovin geodeettisen tutkimusaseman sidosvektorien joukko, joka on globaalissa ITRF2014 vertauskehyksessä ja täyttää globaalien vertauskehysten yhdistämiseen tarvittavien sidosvektorien tarkkuusvaatimukset. Lisäksi kehitettiin ajantasaiset automaattiset menetelmät GNSS-pohjaisten ja terrestristen sidosten mittaamiseen ja laskentaan. Tarkat paikalliset sidosvektorit parantavat globaalien vertauskehysten laatua ja ovat tärkeä osa, yksi tekniikka, globaalien vertauskehysten yhdistämisessä. Globaalin vaikutuksen lisäksi mittaus-, instrumentointi- ja analyysimenetelmien tutkimus hyödyttää normaalia kenttämittausta.
Description
Supervising professor
Nordman, Maaria, Prof., Aalto University, Department of Built Environment, Finland
Thesis advisor
Poutanen, Markku, Prof., Finnish Geospatial Research Institute, Finland
Keywords
geodesy, datum problem, local tie, network adjustment, geodesia, datum problem, paikallissidokset, verkkotasoitus
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Kallio, U., and Poutanen, M. Can We Really Promise a mm-Accuracy for the Local Ties on a Geo-VLBI Antenna. In Kenyon, S., Pacino, M., Marti, U. (Eds.), Geodesy for Planet Earth, International Association of Geodesy Symposia, vol. 136. Springer, pp. 35-42, July 2012.
    DOI: 10.1007/978-3-642-20338-1_5 View at publisher
  • [Publication 2]: Kallio, U., and Poutanen, M. Local Ties at Fundamental Stations. In Altamimi, Z., Collilieux, X. (Eds.), Reference Frames for Applications in Geosciences, International Association of Geodesy Symposia, vol. 138, pp. 147–152, November 2013.
    DOI: 10.1007/978-3-642-32998-2_23 View at publisher
  • [Publication 3]: Kallio, U., Koivula, H., Lahtinen, S., Nikkonen, V., and Poutanen, M. Validation and comparing GNSS antenna calibrations. Journal of Geodesy 93, 2019, pp 1–18, March 2018.
    DOI: 10.1007/s00190-018-1134-2 View at publisher
  • [Publication 4]: Kallio, U., Klügel, T., Marila, S., Mähler, S., Poutanen, M., Saari, T., Schüler, T. and Suurmäki, H. Datum Problem Handling in Local Tie Surveys at Wettzell and Metsähovi. In International Association of Geodesy Symposia, pp 1–11, July 2022.
    DOI: 10.1007/1345_2022_155 View at publisher
Citation