日本全球定位系統永久性跟蹤站網的現代化

施建平,樓　楠

(西安測繪總站,陜西 西安 710054)

日本全球定位系統永久性跟蹤站網的現代化

施建平,樓楠

(西安測繪總站,陜西 西安 710054)

摘要：日本是全球定位系統永久性跟蹤站網(GEONET)建立時間早、點位密度高且開發應用廣泛的國家。介紹了日本GEONET的發展歷史和從全球定位系統(GPS)到全球導航衛星系統(GNSS)現代化的總體發展規劃及接收機和天線的更新、數據分發格式和實時數據傳輸的情況,分析了執行GNSS后不同星座組合觀測的基線精度及其在智慧建設方面的應用情況,總結了對日本的GEONET發展的幾點認識。

關鍵詞：GPS;GNSS;數據格式;數據傳輸

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.022

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：碼： A

文章編號：號： 1008-9268(2015)03-0087-05

收稿日期：2015-03-18

作者簡介

Abstract:GEONET of Japan has been established early and the density of station is high,and it has been applied extensively. Development of GEONET,modernization from GPS to GNSS, receiver and antenna updating, data format of distribution and real time data transmission of GEONET have been introduced in this paper.Baseline precision between different constellation combination after application of GNSS has been analyzed,and some cognition for development of GEONET of Japan has been concluded.

0引言

1994年以來,為開展精密定位和地殼變形監測,日本國土地理院(GSI)建立了GPS永久性跟蹤站網GEONET[1]。2013年5月10日,國土地理院除提供全國范圍的GPS觀測數據外還提供近天頂衛星系統(QZSS)和GLONASS觀測數據,開啟了日本的全球導航衛星系統(GNSS)時代[2],實現了全球定位系統永久性跟蹤站網的現代化。日本在GEONET由GPS向GNSS轉換中,制定了長期發展規劃,有步驟地進行了接收機和天線的更新,測試了GNSS時代網絡RTK的精度及在智慧建設中的應用問題,解決了因觀測星座增多導致的數據傳遞過程中的時間延遲問題。

日本作為發達國家,在GEONET的現代化過程中作出了開創性研究。本文介紹了日本全球定位系統永久性跟蹤站網的發展概況、由GPS向GNSS轉換情況及在智慧建設方面的應用情況。

1日本全球定位系統永久性跟蹤站網的發展概況

日本GEONET的歷史可追溯到1993年國土地理院利用GPS的連續張力監測系統(COSMOS-G2),該系統由110個GPS站組成,站點分布于關東南部和東海地區,1994年增加了100個站并開始運行,形成了覆蓋全日本的精密測量/地球物理科學(GRAPES)GPS區域陣列。1995年整合兩個分離的系統COSMOS-G2和GRAPES并增加了400個站。1996年整合后的網絡開始運行,被稱為GEONET[3];之后,為加強觀測網絡增加了少量觀測站[4];截止2013年4月1日,包括地殼變形監測站點共1273個GNSS基本控制點,平均距離20 km,日本成為世界上連續GPS觀測網密度最高的國家之一。驗潮站的GNSS站建設正在考慮之中,2014年廣義的GNSS基本控制點將增加約30%,圖1示出了日本GNSS站的站點分布。

GEONET已用于多種目的。起初是為了檢測地殼的長期板塊運動,此后的GRAPES顯示了其在探測地震引發的地面位移和探測火山爆發的能力。2002年4月1日生效的測量法修正案使測量人員能夠使用GPS數據直接開展公共測量,GEONET對日本大地基準的建立和維護及氣象學、電離層研究等發揮了重要作用。

2日本全球定位系統永久性跟蹤站網的現代化[2-4]

2.1　對GNSS的期望

美國發展全球衛星定位系統GPS時,前蘇聯在1980年跟隨其開發了GLONASS,利用衛星定位的GPS系統被公認為重要的基礎設施后,歐洲迅速啟動開發了自己的衛星定位系統,2000年起該系統被稱為Galileo,日本也隨后開發了類似于GPS的QZSS。若這些全球導航衛星系統都投入使用,將有更多的衛星可以同步觀測,使受建筑物和樹木阻擋接收信號的城市和山區開展衛星定位測量成為可能。因GPS播發新的L5(1 176.45 MHz)信號,預計可縮短觀測時間?；谶@些原因,用戶要求盡早在GEONET中添加新導航系統的觀測數據。

聯系人： 施建平 E-mail: 13379257361@163.com

圖1　日本GEONET網的站點分布圖

為促進利用GEONET實時數據,2001年成立了基于GPS基站實時定位促進委員會,該組織是一民間組織,成員單位包括測量公司、接收機制造商、基本定位服務提供商、移動通訊公司、大學等。2010年6月該委員會向國土地理院提交報告,要求在GEONET中推行GNSS,理由是:

1) 可擴大開展衛星測量的區域,增加可觀測時間。

2) 刺激GNSS接收機市場需求。

3) 促進GEONET在智慧建設中的應用,特別是山區站點的建設。

4) 實現城區移動設備精密定位,使移動制圖系統可以很容易生產三維地圖,降低使用三維地圖的難度。

5) 在多數地區,不建立自己的GNSS站也可使用精密GNSS定位,降低GNSS定位的難度。

實時移動(RTK)定位是實時完成流動站定位的一種技術,有兩種實時移動定位方法:1)用戶在控制點上設參考站,由無線傳輸方法將數據傳輸到流動站;2)用戶通過蜂窩電話接收周圍GEONET站的改正數據,計算流動站的位置。

實時定位中獲得厘米級精度需要至少同步觀測5顆衛星。因此,在智慧建設方面,實時定位將控制和引導建筑場地機械,例如,在觀測條件差的山區,配有GPS和GLONASS的推土機通過觀測大量衛星實現定位;在GEONET中可使用GLONASS數據,用戶將不需要自己建立參考站。這就是智慧建設領域GEONET實施GNSS的原因,這也反映了基于GPS基站實時定位促進委員會的要求。

2.2　執行GNSS的初始計劃

美國GPS現代化后,現有的GEONET接收機將不能跟蹤L2信號,針對2020年GPS的現代化,日本于2009年修訂了GEONET計劃,決定安裝新的接收機。2008、2009財年更新了450個站的舊式接收機,當時計劃用十年完成其它800個站的更新,2019年實現所有GEONET站的GNSS運行。2010年9月,日本的第1顆近天頂衛星“Michibiki”成功發射。同期,俄羅斯的GLONASS完成衛星部署,國土地理院根據用戶需求,決定觀測和提供QZSS和GLONASS數據,附加到現代化后的GPS和Galileo,但2019年所有GEONET站才能完成這一計劃。

2.3　2011年福島地震后計劃的變更

2011年太平洋沿岸福島地區發生9.0級地震,GEONET詳細記錄了地震引發的板塊變形,對震后減災、地震研究和恢復測量發揮了重要作用,使整個情況發生了變化。盡管各跟蹤站網的蜂窩電話備份通信和增強UPS系統避免了震后福島地區GEONET立即關閉,但震后長時間停電和通信中斷損毀了一些重要觀測數據,導致2011財年補充預算修訂GEONET接收機和天線的更新計劃,目的是恢復地震損壞的GEONET站,確保對減災有重要作用的板塊變形監測的連續性。這樣,幾乎所有GEONET站的設備于2012年全部更新完畢。然而,因開發收集/分發GNSS數據系統需要一定時間,2013年才能完成這一計劃,GEONET執行GNSS需要推遲到2014年。為進一步支持震后恢復,日本決定在設備更新的地區提供QZSS和GLONASS數據,2012年7月起提供福島地區GNSS數據,2013年4月起提供日本東部地區541個站的數據,2013年5月提供所有站的數據。

2.4　設備更新

2013年4月,GEONET使用接收機和天線的情況如表1所示。因沖之鳥島和福島第一核電站附近沒有完成更新,GEONET站的總數與圖1所示的存在差別。

表1　更新后的GNSS設備(2013年4月)

所有接收機支持現代化后的GPS、QZSS、GLONASS和Galileo.圖2示出了更新后的天線和GNSS接收機。

圖2　更新后的天線和GNSS接收機

2.5　RINEX數據

2013年4月建立的公共測量標準實施程序實現了GPS與GLONASS和QZSS的組合使用?？捎蓢恋乩碓壕W站(http://terras.gsi.go.jp/ja/index.html)下載GEONET的GNSS數據。

網站針對不同用戶提供了三種數據文件,具體情況如表2所示。數據包括RINEX格式的30 s采樣間隔觀測數據和廣播星歷,新公布的RINEX3.02版支持QZSS,2014年起將使用該格式提供數據。

表2　國土地理院提供的文件類型

2.6　實時數據

2002年5月起,200個站點向位于筑波的國土地理院中央站傳輸1 s間隔的實時觀測數據,2002年10月,931個站點向中央站傳輸觀測數據;目前,1 220個站點實時傳輸1 s間隔觀測數據以及30 s間隔RINEX原始數據,部分位于孤島和深山的站點沒有實現數據實時傳輸。實時觀測數據可用于地震和火山活動分析。數據也分發給為網絡RTK定位服務提供改正數的私有單位。不能使用IP-VPN的站點通過ISDN、蜂窩電話或衛星蜂窩電話線每小時收集一次30 s間隔觀測數據,起初使用了接收機生產商的實時數據格式,如RT17、JPS;從2009年起,使用了RINEX的數據格式。

推動提供GNSS數據的最后障礙是實時傳輸數據增加了延遲,分發者以RINEX流將實時數據提供給私有部門,各站點采用64 kbps IP-VPN通信。因GPS觀測數據小于等于3 kbps,QZSS和GLONASS約為7 kbps,但更新接收機并作數據分發增加了延遲。接收機的1 s觀測信號有確定的時間標簽,通過比較信號包到達新宿數據中心分配服務器的時間可以確定各站到達新宿的延遲時間,分配器有一個專用時間服務器收集服務時間,保持測量延遲時間的精度優于0.1 s;只用GPS時,延遲時間約為0.3 s,因數據增多和GNSS站點增加,幾個小時后的延遲時間可接近1 s,某些站點的延遲甚至超過1 s的限度。因此,通過認真檢查數據傳輸線路發現和確定通信服務傳輸程序中隱藏的病毒,修改了數據流的時間,減少了數據瞬間流量;這樣,平均延遲時間縮短到0.2到0.3 s,2013年5月,實現了所有站GNSS數據的分發。

3執行GNSS的影響

3.1　基線精度分析

利用GEONET精密測量數據進行了GPS組合QZSS或GLONASS簡單基線分析。首先,利用2012年9月20日東北地區的數據、廣播星歷和RTKLIB.2.4.1版軟件對30 s采樣間隔數據作動態分析,分析了10至30 km范圍的同類型接收機之間的16條基線(最小高度角15°)。GPS組合GLONASS得到的日坐標的標準偏差比只用GPS減少10%～30%,對可觀測衛星數量少的地區改進重復性有重要影響;因僅有一顆QZSS衛星,GPS組合QZSS沒有明顯改進,但可提高衛星的最小高度角,即,當觀測條件較差時,組合使用效果較好,如表3所示。

表3　GEONET站間動態基線的標準偏差

利用2012年11月26日Tsukuba的GNSS校準基線和2013年5月10日GEONET數據對GPS組合QZSS的影響作了進一步分析。表4示出了稚內、秋田、筑波、大阪和高知附近同類型接收機GEONET站間36條基線(10～70 km)動態解的標準偏差,GPS組合QZSS時沒有發現系統誤差。若最小高度角是30°,利用QZSS將改進整數模糊度固定率和垂直方向的可重復性。

表4　GEONET站間動態基線的標準偏差

總之,在觀測條件好的地方,GPS能夠得到足夠精度,但在觀測條件差的地方,GNSS的組合使用能得到相同或較高的精度。

3.2　智慧建設的應用

2012年10月,利用GEONET的GLONASS數據的網絡RTK在震后恢復智慧建設工程中得到使用,降低了衛星觀測條件限制,贏得了聲譽。

根據國土交通省2013年3月編制的智慧建設戰略規劃,智慧建設將進入基于網絡RTK的衛星定位技術時代,GNSS的組合使用比單獨使用GPS會更穩定。因基于網絡的RTK不要求每個建設工地設置參考站,這一技術將在智慧建設中得到廣泛應用。

目前,日本有兩個基于網絡的RTK服務商,分別是Jenoba有限公司和Nippon GPS數據服務公司。2013年5月兩個公司開始利用GEONET的GLONASS數據的網絡RTK,約1/3的用戶已測試GLONASS數據。

4結束語

1) 早在1994年日本就建立和運行了全球定位系統永久跟蹤站網GEONET,從初期的110個點發展到目前的近1 300點,從單獨使用GPS到GPS與GLONASS、QZSS等組合使用,其觀測數據在實時精密定位、地殼變形監測和防災減災方面發揮了基礎作用。

2) 2008年起,為適應2020年GPS現代化和組合使用GNSS的需要,日本全部更新了GEONET的接收機和天線,實現了GEONET的現代化。2013年5月,國土地理院除提供全國范圍的GPS觀測數據外還提供近天頂衛星系統(QZSS)和GLONASS觀測數據,開啟了日本的GNSS時代。

3) 在觀測條件好的地區,單獨使用GPS即可滿足精度,組合使用GNSS對精度沒有明顯提高;但在受建筑物、樹木等阻擋衛星信號嚴重的市區和山區,組合使用GNSS將會明顯降低對觀測條件的要求,提高定位精度,減少觀測時間。

參考文獻

[1]陳俊勇,日本大地基準及其現代化的思考[J].測繪工程,2005,14 (4):1-3.

[2]TSUJI H.Modernization of GEONET from GPS to GNSS[J].Bulletin of the Geospatial Information Authority of Japan，2013,61(12):9-20.

[3]HATANAKA Y.Improvement of the analysis strategy of GEONET[J].Bulletin of Geogrephical Survey Institute,2003,49(5):11-37.

[4]YAMAGIWA A. Real-time of GEONET system and its application to crust monitoring[J].Bulletin of Geogrephical Survey Institute,2006,53(3):27-33.

施建平(1964-),男,高級工程師,主要從事大地測量數據處理。

樓楠(1982-),男,碩士,工程師,主要從事大地測量數據處理。

Modernization of GEONET of Japan

SHI Jianping,LOU Nan

(Xi’anDivisionofSurveyingandMapping,Xi’an710054,China)

Key words: GPS; GNSS; data format; data transmission