日本全球定位系统永久性跟踪站网的现代化

施建平,楼　楠

(西安测绘总站,陕西 西安 710054)

日本全球定位系统永久性跟踪站网的现代化

施建平,楼楠

(西安测绘总站,陕西 西安 710054)

摘要：日本是全球定位系统永久性跟踪站网(GEONET)建立时间早、点位密度高且开发应用广泛的国家。介绍了日本GEONET的发展历史和从全球定位系统(GPS)到全球导航卫星系统(GNSS)现代化的总体发展规划及接收机和天线的更新、数据分发格式和实时数据传输的情况,分析了执行GNSS后不同星座组合观测的基线精度及其在智慧建设方面的应用情况,总结了对日本的GEONET发展的几点认识。

关键词：GPS;GNSS;数据格式;数据传输

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.022

中图分类号：P228.4

文献标志码：码： A

文章编号：号： 1008-9268(2015)03-0087-05

收稿日期：2015-03-18

作者简介

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年以来,为开展精密定位和地壳变形监测,日本国土地理院(GSI)建立了GPS永久性跟踪站网GEONET[1]。2013年5月10日,国土地理院除提供全国范围的GPS观测数据外还提供近天顶卫星系统(QZSS)和GLONASS观测数据,开启了日本的全球导航卫星系统(GNSS)时代[2],实现了全球定位系统永久性跟踪站网的现代化。日本在GEONET由GPS向GNSS转换中,制定了长期发展规划,有步骤地进行了接收机和天线的更新,测试了GNSS时代网络RTK的精度及在智慧建设中的应用问题,解决了因观测星座增多导致的数据传递过程中的时间延迟问题。

日本作为发达国家,在GEONET的现代化过程中作出了开创性研究。本文介绍了日本全球定位系统永久性跟踪站网的发展概况、由GPS向GNSS转换情况及在智慧建设方面的应用情况。

1日本全球定位系统永久性跟踪站网的发展概况

日本GEONET的历史可追溯到1993年国土地理院利用GPS的连续张力监测系统(COSMOS-G2),该系统由110个GPS站组成,站点分布于关东南部和东海地区,1994年增加了100个站并开始运行,形成了覆盖全日本的精密测量/地球物理科学(GRAPES)GPS区域阵列。1995年整合两个分离的系统COSMOS-G2和GRAPES并增加了400个站。1996年整合后的网络开始运行,被称为GEONET[3];之后,为加强观测网络增加了少量观测站[4];截止2013年4月1日,包括地壳变形监测站点共1273个GNSS基本控制点,平均距离20 km,日本成为世界上连续GPS观测网密度最高的国家之一。验潮站的GNSS站建设正在考虑之中,2014年广义的GNSS基本控制点将增加约30%,图1示出了日本GNSS站的站点分布。

GEONET已用于多种目的。起初是为了检测地壳的长期板块运动,此后的GRAPES显示了其在探测地震引发的地面位移和探测火山爆发的能力。2002年4月1日生效的测量法修正案使测量人员能够使用GPS数据直接开展公共测量,GEONET对日本大地基准的建立和维护及气象学、电离层研究等发挥了重要作用。

2日本全球定位系统永久性跟踪站网的现代化[2-4]

2.1　对GNSS的期望

美国发展全球卫星定位系统GPS时,前苏联在1980年跟随其开发了GLONASS,利用卫星定位的GPS系统被公认为重要的基础设施后,欧洲迅速启动开发了自己的卫星定位系统,2000年起该系统被称为Galileo,日本也随后开发了类似于GPS的QZSS。若这些全球导航卫星系统都投入使用,将有更多的卫星可以同步观测,使受建筑物和树木阻挡接收信号的城市和山区开展卫星定位测量成为可能。因GPS播发新的L5(1 176.45 MHz)信号,预计可缩短观测时间。基于这些原因,用户要求尽早在GEONET中添加新导航系统的观测数据。

联系人： 施建平 E-mail: 13379257361@163.com

图1　日本GEONET网的站点分布图

为促进利用GEONET实时数据,2001年成立了基于GPS基站实时定位促进委员会,该组织是一民间组织,成员单位包括测量公司、接收机制造商、基本定位服务提供商、移动通讯公司、大学等。2010年6月该委员会向国土地理院提交报告,要求在GEONET中推行GNSS,理由是:

1) 可扩大开展卫星测量的区域,增加可观测时间。

2) 刺激GNSS接收机市场需求。

3) 促进GEONET在智慧建设中的应用,特别是山区站点的建设。

4) 实现城区移动设备精密定位,使移动制图系统可以很容易生产三维地图,降低使用三维地图的难度。

5) 在多数地区,不建立自己的GNSS站也可使用精密GNSS定位,降低GNSS定位的难度。

实时移动(RTK)定位是实时完成流动站定位的一种技术,有两种实时移动定位方法:1)用户在控制点上设参考站,由无线传输方法将数据传输到流动站;2)用户通过蜂窝电话接收周围GEONET站的改正数据,计算流动站的位置。

实时定位中获得厘米级精度需要至少同步观测5颗卫星。因此,在智慧建设方面,实时定位将控制和引导建筑场地机械,例如,在观测条件差的山区,配有GPS和GLONASS的推土机通过观测大量卫星实现定位;在GEONET中可使用GLONASS数据,用户将不需要自己建立参考站。这就是智慧建设领域GEONET实施GNSS的原因,这也反映了基于GPS基站实时定位促进委员会的要求。

2.2　执行GNSS的初始计划

美国GPS现代化后,现有的GEONET接收机将不能跟踪L2信号,针对2020年GPS的现代化,日本于2009年修订了GEONET计划,决定安装新的接收机。2008、2009财年更新了450个站的旧式接收机,当时计划用十年完成其它800个站的更新,2019年实现所有GEONET站的GNSS运行。2010年9月,日本的第1颗近天顶卫星“Michibiki”成功发射。同期,俄罗斯的GLONASS完成卫星部署,国土地理院根据用户需求,决定观测和提供QZSS和GLONASS数据,附加到现代化后的GPS和Galileo,但2019年所有GEONET站才能完成这一计划。

2.3　2011年福岛地震后计划的变更

2011年太平洋沿岸福岛地区发生9.0级地震,GEONET详细记录了地震引发的板块变形,对震后减灾、地震研究和恢复测量发挥了重要作用,使整个情况发生了变化。尽管各跟踪站网的蜂窝电话备份通信和增强UPS系统避免了震后福岛地区GEONET立即关闭,但震后长时间停电和通信中断损毁了一些重要观测数据,导致2011财年补充预算修订GEONET接收机和天线的更新计划,目的是恢复地震损坏的GEONET站,确保对减灾有重要作用的板块变形监测的连续性。这样,几乎所有GEONET站的设备于2012年全部更新完毕。然而,因开发收集/分发GNSS数据系统需要一定时间,2013年才能完成这一计划,GEONET执行GNSS需要推迟到2014年。为进一步支持震后恢复,日本决定在设备更新的地区提供QZSS和GLONASS数据,2012年7月起提供福岛地区GNSS数据,2013年4月起提供日本东部地区541个站的数据,2013年5月提供所有站的数据。

2.4　设备更新

2013年4月,GEONET使用接收机和天线的情况如表1所示。因冲之鸟岛和福岛第一核电站附近没有完成更新,GEONET站的总数与图1所示的存在差别。

表1　更新后的GNSS设备(2013年4月)

所有接收机支持现代化后的GPS、QZSS、GLONASS和Galileo.图2示出了更新后的天线和GNSS接收机。

图2　更新后的天线和GNSS接收机

2.5　RINEX数据

2013年4月建立的公共测量标准实施程序实现了GPS与GLONASS和QZSS的组合使用。可由国土地理院网站(http://terras.gsi.go.jp/ja/index.html)下载GEONET的GNSS数据。

网站针对不同用户提供了三种数据文件,具体情况如表2所示。数据包括RINEX格式的30 s采样间隔观测数据和广播星历,新公布的RINEX3.02版支持QZSS,2014年起将使用该格式提供数据。

表2　国土地理院提供的文件类型

2.6　实时数据

2002年5月起,200个站点向位于筑波的国土地理院中央站传输1 s间隔的实时观测数据,2002年10月,931个站点向中央站传输观测数据;目前,1 220个站点实时传输1 s间隔观测数据以及30 s间隔RINEX原始数据,部分位于孤岛和深山的站点没有实现数据实时传输。实时观测数据可用于地震和火山活动分析。数据也分发给为网络RTK定位服务提供改正数的私有单位。不能使用IP-VPN的站点通过ISDN、蜂窝电话或卫星蜂窝电话线每小时收集一次30 s间隔观测数据,起初使用了接收机生产商的实时数据格式,如RT17、JPS;从2009年起,使用了RINEX的数据格式。

推动提供GNSS数据的最后障碍是实时传输数据增加了延迟,分发者以RINEX流将实时数据提供给私有部门,各站点采用64 kbps IP-VPN通信。因GPS观测数据小于等于3 kbps,QZSS和GLONASS约为7 kbps,但更新接收机并作数据分发增加了延迟。接收机的1 s观测信号有确定的时间标签,通过比较信号包到达新宿数据中心分配服务器的时间可以确定各站到达新宿的延迟时间,分配器有一个专用时间服务器收集服务时间,保持测量延迟时间的精度优于0.1 s;只用GPS时,延迟时间约为0.3 s,因数据增多和GNSS站点增加,几个小时后的延迟时间可接近1 s,某些站点的延迟甚至超过1 s的限度。因此,通过认真检查数据传输线路发现和确定通信服务传输程序中隐藏的病毒,修改了数据流的时间,减少了数据瞬间流量;这样,平均延迟时间缩短到0.2到0.3 s,2013年5月,实现了所有站GNSS数据的分发。

3执行GNSS的影响

3.1　基线精度分析

利用GEONET精密测量数据进行了GPS组合QZSS或GLONASS简单基线分析。首先,利用2012年9月20日东北地区的数据、广播星历和RTKLIB.2.4.1版软件对30 s采样间隔数据作动态分析,分析了10至30 km范围的同类型接收机之间的16条基线(最小高度角15°)。GPS组合GLONASS得到的日坐标的标准偏差比只用GPS减少10%～30%,对可观测卫星数量少的地区改进重复性有重要影响;因仅有一颗QZSS卫星,GPS组合QZSS没有明显改进,但可提高卫星的最小高度角,即,当观测条件较差时,组合使用效果较好,如表3所示。

表3　GEONET站间动态基线的标准偏差

利用2012年11月26日Tsukuba的GNSS校准基线和2013年5月10日GEONET数据对GPS组合QZSS的影响作了进一步分析。表4示出了稚内、秋田、筑波、大阪和高知附近同类型接收机GEONET站间36条基线(10～70 km)动态解的标准偏差,GPS组合QZSS时没有发现系统误差。若最小高度角是30°,利用QZSS将改进整数模糊度固定率和垂直方向的可重复性。

表4　GEONET站间动态基线的标准偏差

总之,在观测条件好的地方,GPS能够得到足够精度,但在观测条件差的地方,GNSS的组合使用能得到相同或较高的精度。

3.2　智慧建设的应用

2012年10月,利用GEONET的GLONASS数据的网络RTK在震后恢复智慧建设工程中得到使用,降低了卫星观测条件限制,赢得了声誉。

根据国土交通省2013年3月编制的智慧建设战略规划,智慧建设将进入基于网络RTK的卫星定位技术时代,GNSS的组合使用比单独使用GPS会更稳定。因基于网络的RTK不要求每个建设工地设置参考站,这一技术将在智慧建设中得到广泛应用。

目前,日本有两个基于网络的RTK服务商,分别是Jenoba有限公司和Nippon GPS数据服务公司。2013年5月两个公司开始利用GEONET的GLONASS数据的网络RTK,约1/3的用户已测试GLONASS数据。

4结束语

1) 早在1994年日本就建立和运行了全球定位系统永久跟踪站网GEONET,从初期的110个点发展到目前的近1 300点,从单独使用GPS到GPS与GLONASS、QZSS等组合使用,其观测数据在实时精密定位、地壳变形监测和防灾减灾方面发挥了基础作用。

2) 2008年起,为适应2020年GPS现代化和组合使用GNSS的需要,日本全部更新了GEONET的接收机和天线,实现了GEONET的现代化。2013年5月,国土地理院除提供全国范围的GPS观测数据外还提供近天顶卫星系统(QZSS)和GLONASS观测数据,开启了日本的GNSS时代。

3) 在观测条件好的地区,单独使用GPS即可满足精度,组合使用GNSS对精度没有明显提高;但在受建筑物、树木等阻挡卫星信号严重的市区和山区,组合使用GNSS将会明显降低对观测条件的要求,提高定位精度,减少观测时间。

参考文献

[1]陈俊勇,日本大地基准及其现代化的思考[J].测绘工程,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,高级工程师,主要从事大地测量数据处理。

楼楠(1982-),男,硕士,工程师,主要从事大地测量数据处理。

Modernization of GEONET of Japan

SHI Jianping,LOU Nan

(Xi’anDivisionofSurveyingandMapping,Xi’an710054,China)

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