施建平,樓　楠

(西安測(cè)繪總站,陜西 西安 710054)

日本全球定位系統(tǒng)永久性跟蹤站網(wǎng)的現(xiàn)代化

施建平,樓楠

(西安測(cè)繪總站,陜西 西安 710054)

摘要：日本是全球定位系統(tǒng)永久性跟蹤站網(wǎng)(GEONET)建立時(shí)間早、點(diǎn)位密度高且開發(fā)應(yīng)用廣泛的國(guó)家。介紹了日本GEONET的發(fā)展歷史和從全球定位系統(tǒng)(GPS)到全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)現(xiàn)代化的總體發(fā)展規(guī)劃及接收機(jī)和天線的更新、數(shù)據(jù)分發(fā)格式和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r,分析了執(zhí)行GNSS后不同星座組合觀測(cè)的基線精度及其在智慧建設(shè)方面的應(yīng)用情況,總結(jié)了對(duì)日本的GEONET發(fā)展的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：GPS;GNSS;數(shù)據(jù)格式;數(shù)據(jù)傳輸

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.022

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼： A

文章編號(hào)：號(hào)： 1008-9268(2015)03-0087-05

收稿日期：2015-03-18

作者簡(jiǎn)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(jiān)測(cè),日本國(guó)土地理院(GSI)建立了GPS永久性跟蹤站網(wǎng)GEONET[1]。2013年5月10日,國(guó)土地理院除提供全國(guó)范圍的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)外還提供近天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(QZSS)和GLONASS觀測(cè)數(shù)據(jù),開啟了日本的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)時(shí)代[2],實(shí)現(xiàn)了全球定位系統(tǒng)永久性跟蹤站網(wǎng)的現(xiàn)代化。日本在GEONET由GPS向GNSS轉(zhuǎn)換中,制定了長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃,有步驟地進(jìn)行了接收機(jī)和天線的更新,測(cè)試了GNSS時(shí)代網(wǎng)絡(luò)RTK的精度及在智慧建設(shè)中的應(yīng)用問題,解決了因觀測(cè)星座增多導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳遞過程中的時(shí)間延遲問題。

日本作為發(fā)達(dá)國(guó)家,在GEONET的現(xiàn)代化過程中作出了開創(chuàng)性研究。本文介紹了日本全球定位系統(tǒng)永久性跟蹤站網(wǎng)的發(fā)展概況、由GPS向GNSS轉(zhuǎn)換情況及在智慧建設(shè)方面的應(yīng)用情況。

1日本全球定位系統(tǒng)永久性跟蹤站網(wǎng)的發(fā)展概況

日本GEONET的歷史可追溯到1993年國(guó)土地理院利用GPS的連續(xù)張力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(COSMOS-G2),該系統(tǒng)由110個(gè)GPS站組成,站點(diǎn)分布于關(guān)東南部和東海地區(qū),1994年增加了100個(gè)站并開始運(yùn)行,形成了覆蓋全日本的精密測(cè)量/地球物理科學(xué)(GRAPES)GPS區(qū)域陣列。1995年整合兩個(gè)分離的系統(tǒng)COSMOS-G2和GRAPES并增加了400個(gè)站。1996年整合后的網(wǎng)絡(luò)開始運(yùn)行,被稱為GEONET[3];之后,為加強(qiáng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)增加了少量觀測(cè)站[4];截止2013年4月1日,包括地殼變形監(jiān)測(cè)站點(diǎn)共1273個(gè)GNSS基本控制點(diǎn),平均距離20 km,日本成為世界上連續(xù)GPS觀測(cè)網(wǎng)密度最高的國(guó)家之一。驗(yàn)潮站的GNSS站建設(shè)正在考慮之中,2014年廣義的GNSS基本控制點(diǎn)將增加約30%,圖1示出了日本GNSS站的站點(diǎn)分布。

GEONET已用于多種目的。起初是為了檢測(cè)地殼的長(zhǎng)期板塊運(yùn)動(dòng),此后的GRAPES顯示了其在探測(cè)地震引發(fā)的地面位移和探測(cè)火山爆發(fā)的能力。2002年4月1日生效的測(cè)量法修正案使測(cè)量人員能夠使用GPS數(shù)據(jù)直接開展公共測(cè)量,GEONET對(duì)日本大地基準(zhǔn)的建立和維護(hù)及氣象學(xué)、電離層研究等發(fā)揮了重要作用。

2日本全球定位系統(tǒng)永久性跟蹤站網(wǎng)的現(xiàn)代化[2-4]

2.1　對(duì)GNSS的期望

美國(guó)發(fā)展全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS時(shí),前蘇聯(lián)在1980年跟隨其開發(fā)了GLONASS,利用衛(wèi)星定位的GPS系統(tǒng)被公認(rèn)為重要的基礎(chǔ)設(shè)施后,歐洲迅速啟動(dòng)開發(fā)了自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng),2000年起該系統(tǒng)被稱為Galileo,日本也隨后開發(fā)了類似于GPS的QZSS。若這些全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)都投入使用,將有更多的衛(wèi)星可以同步觀測(cè),使受建筑物和樹木阻擋接收信號(hào)的城市和山區(qū)開展衛(wèi)星定位測(cè)量成為可能。因GPS播發(fā)新的L5(1 176.45 MHz)信號(hào),預(yù)計(jì)可縮短觀測(cè)時(shí)間?；谶@些原因,用戶要求盡早在GEONET中添加新導(dǎo)航系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

聯(lián)系人： 施建平 E-mail: 13379257361@163.com

圖1　日本GEONET網(wǎng)的站點(diǎn)分布圖

為促進(jìn)利用GEONET實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),2001年成立了基于GPS基站實(shí)時(shí)定位促進(jìn)委員會(huì),該組織是一民間組織,成員單位包括測(cè)量公司、接收機(jī)制造商、基本定位服務(wù)提供商、移動(dòng)通訊公司、大學(xué)等。2010年6月該委員會(huì)向國(guó)土地理院提交報(bào)告,要求在GEONET中推行GNSS,理由是:

1) 可擴(kuò)大開展衛(wèi)星測(cè)量的區(qū)域,增加可觀測(cè)時(shí)間。

2) 刺激GNSS接收機(jī)市場(chǎng)需求。

3) 促進(jìn)GEONET在智慧建設(shè)中的應(yīng)用,特別是山區(qū)站點(diǎn)的建設(shè)。

4) 實(shí)現(xiàn)城區(qū)移動(dòng)設(shè)備精密定位,使移動(dòng)制圖系統(tǒng)可以很容易生產(chǎn)三維地圖,降低使用三維地圖的難度。

5) 在多數(shù)地區(qū),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(shí)時(shí)移動(dòng)(RTK)定位是實(shí)時(shí)完成流動(dòng)站定位的一種技術(shù),有兩種實(shí)時(shí)移動(dòng)定位方法:1)用戶在控制點(diǎn)上設(shè)參考站,由無線傳輸方法將數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅鲃?dòng)站;2)用戶通過蜂窩電話接收周圍GEONET站的改正數(shù)據(jù),計(jì)算流動(dòng)站的位置。

實(shí)時(shí)定位中獲得厘米級(jí)精度需要至少同步觀測(cè)5顆衛(wèi)星。因此,在智慧建設(shè)方面,實(shí)時(shí)定位將控制和引導(dǎo)建筑場(chǎng)地機(jī)械,例如,在觀測(cè)條件差的山區(qū),配有GPS和GLONASS的推土機(jī)通過觀測(cè)大量衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)定位;在GEONET中可使用GLONASS數(shù)據(jù),用戶將不需要自己建立參考站。這就是智慧建設(shè)領(lǐng)域GEONET實(shí)施GNSS的原因,這也反映了基于GPS基站實(shí)時(shí)定位促進(jìn)委員會(huì)的要求。

2.2　執(zhí)行GNSS的初始計(jì)劃

美國(guó)GPS現(xiàn)代化后,現(xiàn)有的GEONET接收機(jī)將不能跟蹤L2信號(hào),針對(duì)2020年GPS的現(xiàn)代化,日本于2009年修訂了GEONET計(jì)劃,決定安裝新的接收機(jī)。2008、2009財(cái)年更新了450個(gè)站的舊式接收機(jī),當(dāng)時(shí)計(jì)劃用十年完成其它800個(gè)站的更新,2019年實(shí)現(xiàn)所有GEONET站的GNSS運(yùn)行。2010年9月,日本的第1顆近天頂衛(wèi)星“Michibiki”成功發(fā)射。同期,俄羅斯的GLONASS完成衛(wèi)星部署,國(guó)土地理院根據(jù)用戶需求,決定觀測(cè)和提供QZSS和GLONASS數(shù)據(jù),附加到現(xiàn)代化后的GPS和Galileo,但2019年所有GEONET站才能完成這一計(jì)劃。

2.3　2011年福島地震后計(jì)劃的變更

2011年太平洋沿岸福島地區(qū)發(fā)生9.0級(jí)地震,GEONET詳細(xì)記錄了地震引發(fā)的板塊變形,對(duì)震后減災(zāi)、地震研究和恢復(fù)測(cè)量發(fā)揮了重要作用,使整個(gè)情況發(fā)生了變化。盡管各跟蹤站網(wǎng)的蜂窩電話備份通信和增強(qiáng)UPS系統(tǒng)避免了震后福島地區(qū)GEONET立即關(guān)閉,但震后長(zhǎng)時(shí)間停電和通信中斷損毀了一些重要觀測(cè)數(shù)據(jù),導(dǎo)致2011財(cái)年補(bǔ)充預(yù)算修訂GEONET接收機(jī)和天線的更新計(jì)劃,目的是恢復(fù)地震損壞的GEONET站,確保對(duì)減災(zāi)有重要作用的板塊變形監(jiān)測(cè)的連續(xù)性。這樣,幾乎所有GEONET站的設(shè)備于2012年全部更新完畢。然而,因開發(fā)收集/分發(fā)GNSS數(shù)據(jù)系統(tǒng)需要一定時(shí)間,2013年才能完成這一計(jì)劃,GEONET執(zhí)行GNSS需要推遲到2014年。為進(jìn)一步支持震后恢復(fù),日本決定在設(shè)備更新的地區(qū)提供QZSS和GLONASS數(shù)據(jù),2012年7月起提供福島地區(qū)GNSS數(shù)據(jù),2013年4月起提供日本東部地區(qū)541個(gè)站的數(shù)據(jù),2013年5月提供所有站的數(shù)據(jù)。

2.4　設(shè)備更新

2013年4月,GEONET使用接收機(jī)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(shù)與圖1所示的存在差別。

表1　更新后的GNSS設(shè)備(2013年4月)

所有接收機(jī)支持現(xiàn)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(jī)。

圖2　更新后的天線和GNSS接收機(jī)

2.5　RINEX數(shù)據(jù)

2013年4月建立的公共測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施程序?qū)崿F(xiàn)了GPS與GLONASS和QZSS的組合使用。可由國(guó)土地理院網(wǎng)站(http://terras.gsi.go.jp/ja/index.html)下載GEONET的GNSS數(shù)據(jù)。

網(wǎng)站針對(duì)不同用戶提供了三種數(shù)據(jù)文件,具體情況如表2所示。數(shù)據(jù)包括RINEX格式的30 s采樣間隔觀測(cè)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

表2　國(guó)土地理院提供的文件類型

2.6　實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

2002年5月起,200個(gè)站點(diǎn)向位于筑波的國(guó)土地理院中央站傳輸1 s間隔的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù),2002年10月,931個(gè)站點(diǎn)向中央站傳輸觀測(cè)數(shù)據(jù);目前,1 220個(gè)站點(diǎn)實(shí)時(shí)傳輸1 s間隔觀測(cè)數(shù)據(jù)以及30 s間隔RINEX原始數(shù)據(jù),部分位于孤島和深山的站點(diǎn)沒有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)可用于地震和火山活動(dòng)分析。數(shù)據(jù)也分發(fā)給為網(wǎng)絡(luò)RTK定位服務(wù)提供改正數(shù)的私有單位。不能使用IP-VPN的站點(diǎn)通過ISDN、蜂窩電話或衛(wèi)星蜂窩電話線每小時(shí)收集一次30 s間隔觀測(cè)數(shù)據(jù),起初使用了接收機(jī)生產(chǎn)商的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)格式,如RT17、JPS;從2009年起,使用了RINEX的數(shù)據(jù)格式。

推動(dòng)提供GNSS數(shù)據(jù)的最后障礙是實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)增加了延遲,分發(fā)者以RINEX流將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供給私有部門,各站點(diǎn)采用64 kbps IP-VPN通信。因GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)小于等于3 kbps,QZSS和GLONASS約為7 kbps,但更新接收機(jī)并作數(shù)據(jù)分發(fā)增加了延遲。接收機(jī)的1 s觀測(cè)信號(hào)有確定的時(shí)間標(biāo)簽,通過比較信號(hào)包到達(dá)新宿數(shù)據(jù)中心分配服務(wù)器的時(shí)間可以確定各站到達(dá)新宿的延遲時(shí)間,分配器有一個(gè)專用時(shí)間服務(wù)器收集服務(wù)時(shí)間,保持測(cè)量延遲時(shí)間的精度優(yōu)于0.1 s;只用GPS時(shí),延遲時(shí)間約為0.3 s,因數(shù)據(jù)增多和GNSS站點(diǎn)增加,幾個(gè)小時(shí)后的延遲時(shí)間可接近1 s,某些站點(diǎn)的延遲甚至超過1 s的限度。因此,通過認(rèn)真檢查數(shù)據(jù)傳輸線路發(fā)現(xiàn)和確定通信服務(wù)傳輸程序中隱藏的病毒,修改了數(shù)據(jù)流的時(shí)間,減少了數(shù)據(jù)瞬間流量;這樣,平均延遲時(shí)間縮短到0.2到0.3 s,2013年5月,實(shí)現(xiàn)了所有站GNSS數(shù)據(jù)的分發(fā)。

3執(zhí)行GNSS的影響

3.1　基線精度分析

利用GEONET精密測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了GPS組合QZSS或GLONASS簡(jiǎn)單基線分析。首先,利用2012年9月20日東北地區(qū)的數(shù)據(jù)、廣播星歷和RTKLIB.2.4.1版軟件對(duì)30 s采樣間隔數(shù)據(jù)作動(dòng)態(tài)分析,分析了10至30 km范圍的同類型接收機(jī)之間的16條基線(最小高度角15°)。GPS組合GLONASS得到的日坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)偏差比只用GPS減少10%～30%,對(duì)可觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)量少的地區(qū)改進(jìn)重復(fù)性有重要影響;因僅有一顆QZSS衛(wèi)星,GPS組合QZSS沒有明顯改進(jìn),但可提高衛(wèi)星的最小高度角,即,當(dāng)觀測(cè)條件較差時(shí),組合使用效果較好,如表3所示。

表3　GEONET站間動(dòng)態(tài)基線的標(biāo)準(zhǔn)偏差

利用2012年11月26日Tsukuba的GNSS校準(zhǔn)基線和2013年5月10日GEONET數(shù)據(jù)對(duì)GPS組合QZSS的影響作了進(jìn)一步分析。表4示出了稚內(nèi)、秋田、筑波、大阪和高知附近同類型接收機(jī)GEONET站間36條基線(10～70 km)動(dòng)態(tài)解的標(biāo)準(zhǔn)偏差,GPS組合QZSS時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差。若最小高度角是30°,利用QZSS將改進(jìn)整數(shù)模糊度固定率和垂直方向的可重復(fù)性。

表4　GEONET站間動(dòng)態(tài)基線的標(biāo)準(zhǔn)偏差

總之,在觀測(cè)條件好的地方,GPS能夠得到足夠精度,但在觀測(cè)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(shè)的應(yīng)用

2012年10月,利用GEONET的GLONASS數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)RTK在震后恢復(fù)智慧建設(shè)工程中得到使用,降低了衛(wèi)星觀測(cè)條件限制,贏得了聲譽(yù)。

根據(jù)國(guó)土交通省2013年3月編制的智慧建設(shè)戰(zhàn)略規(guī)劃,智慧建設(shè)將進(jìn)入基于網(wǎng)絡(luò)RTK的衛(wèi)星定位技術(shù)時(shí)代,GNSS的組合使用比單獨(dú)使用GPS會(huì)更穩(wěn)定。因基于網(wǎng)絡(luò)的RTK不要求每個(gè)建設(shè)工地設(shè)置參考站,這一技術(shù)將在智慧建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。

目前,日本有兩個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的RTK服務(wù)商,分別是Jenoba有限公司和Nippon GPS數(shù)據(jù)服務(wù)公司。2013年5月兩個(gè)公司開始利用GEONET的GLONASS數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)RTK,約1/3的用戶已測(cè)試GLONASS數(shù)據(jù)。

4結(jié)束語

1) 早在1994年日本就建立和運(yùn)行了全球定位系統(tǒng)永久跟蹤站網(wǎng)GEONET,從初期的110個(gè)點(diǎn)發(fā)展到目前的近1 300點(diǎn),從單獨(dú)使用GPS到GPS與GLONASS、QZSS等組合使用,其觀測(cè)數(shù)據(jù)在實(shí)時(shí)精密定位、地殼變形監(jiān)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)方面發(fā)揮了基礎(chǔ)作用。

2) 2008年起,為適應(yīng)2020年GPS現(xiàn)代化和組合使用GNSS的需要,日本全部更新了GEONET的接收機(jī)和天線,實(shí)現(xiàn)了GEONET的現(xiàn)代化。2013年5月,國(guó)土地理院除提供全國(guó)范圍的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)外還提供近天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(QZSS)和GLONASS觀測(cè)數(shù)據(jù),開啟了日本的GNSS時(shí)代。

3) 在觀測(cè)條件好的地區(qū),單獨(dú)使用GPS即可滿足精度,組合使用GNSS對(duì)精度沒有明顯提高;但在受建筑物、樹木等阻擋衛(wèi)星信號(hào)嚴(yán)重的市區(qū)和山區(qū),組合使用GNSS將會(huì)明顯降低對(duì)觀測(cè)條件的要求,提高定位精度,減少觀測(cè)時(shí)間。

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施建平(1964-),男,高級(jí)工程師,主要從事大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理。

樓楠(1982-),男,碩士,工程師,主要從事大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理。

Modernization of GEONET of Japan

SHI Jianping,LOU Nan

(Xi’anDivisionofSurveyingandMapping,Xi’an710054,China)

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