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この資料は測地学研究室HPに掲載します
http://goo.gl/Ly5m4O

観測地球物理学A
2015年9月6-7日

測地学~GPS測量とデータ解析~京都大学 理学研究科
地球惑星科学専攻 地球物理学教室
准教授 宮崎 真一
助教 風間 卓仁

今日の内容導入: GPSとは？
実習: GPS測量 (固定点 & 移動点)

見学: 国土地理院連続GNSS観測点
解析: RTKLIBによる座標値の決定

発展: GPSを用いた最新の研究

1

GPSとは？

2

Global Positioning Systemの略：アメリカによって打ち上げられた測位用人工衛星
GLONASS (ロシア), Galileo (EU)  総称：GNSS

原子時計を搭載、2種類のマイクロ波を発射

図：homel.vsb.cz, 日本測地学会

受信側のしくみ

3地上のGPSアンテナ・受信機でマイクロ波を受
信  送信~受信にかかった時間を測定
()個のGPS衛星からの情報を使って、受信側の()を決定
類似例：地震震源位置の決定
()個の地震計で得られた初期微動継続時間の情報を使って、震源の()を決定

パルス波によるイメージ図

マイクロ波の伝播速度
299 792 458 m/s (ただし真空中)
電離層(60-800 km)：電子による電波の遅延遅延量は電子密度や電波の波長に依存する
2つの波長の搬送波を発射することで遅延量を補正

対流圏(0-11 km)：空気・水蒸気による遅延
大気構造のモデルや事後解析によって補正
真空中の搬送波

実際の搬送波4位置決定方法(1)：単独測位

5最低()個のGPS衛星のコード(GPS衛星の位置や時刻に関する情報)を受信し、受信側の位置等を決定する
利点：地上観測点は1個だけでOK  カーナビ

写真：Pioneer…

※地図情報はGPS衛星から送信されていないことに注意！

位置決定方法(2)：相対測位
最低()個のGPS衛星の搬送波を2観測点で受信：片方の観測点の座標は既知

6…

両観測点で得られた波の差を取ることで、既知点に対する相対的な座標を決める
既知点

利点：電離層・対流圏の遅延効果が出にくい、単独測位より位置決定精度が高い
未知点

位置決定方法(3)：精密単独測位

7…

未知点で得られた搬送波の位相情報と、衛星の位置情報（暦）を用いて、未知点の座標を決定する
利点：既知点の情報なしに精密な座標値を得られる

既知点

欠点：精密な暦はIGSサイ
ト等からDLが必要、最終解の発表まで半月程度かかる
未知点今回実施するGPS測量
固定観測 (, アンテナ高:移動観測 (8cm))

解析の流れ9GPS受信機で観測データを取得
解析に必要なデータをIGSサイトよりDL

観測データ等を各PCに取り込む
RTKLIBを用いたGPSデータ解析
http://www.rtklib.com/ から誰でもDL可移動観測点の単独測位 (Sampling rate: 1 s)
固定観測点の精密単独測位 (Sampling rate: 30 s)

得られた結果の考察準備 (1)

10GPS生データをRINEX形式に変換する
ASOL2490.15o および ASOL2490.15n
ASOL: 観測点名
249: Day of year (2015年の場合9月6日)
0: 1日でいくつもファイルが作成される場合には0以外の文字が入ることがある15: 年の下2桁

o: 受信機で記録されたGPS電波の位相情報
n: GPS衛星から送られた衛星位置情報 (放送暦)準備 (2)

11

IGSサイトから各種データをダウンロード
ftp://igscb.jpl.nasa.gov/pub/product/1861/
igu18610_00.sp3.Z および igu18610_00.erp.Z
igu: 超速報解 (igr: 速報解, igs: 最終解)1861: GPS week (2015年9月6日から始まる週)

0: 日曜日は0, 月曜日は1, …, 土曜日は6
_00:超速報解の更新時 (UTC, 6時間毎)
.sp3: 精密暦 ／ .erp: 地球回転軸の情報 (最終解では1週間分が1個のファイルになっている).Z: 圧縮形式を示す拡張子準備 (3)12

IGSからDLしたデータを解凍する
> uncompress igu18610_00.sp3.Z
igu18610_00.sp3ができる

ここまでの作業はこちらでやりますデスクトップ上に YYMMDD フォルダを作り、観測データ (固定点／移動点の15o, 15nファイル) とIGSデータ (精密暦, 地球回転軸の情報)をそこに入れてください解析ソフトRTKLIBの起動
デスクトップの13をダブルクリック

実際には以下のファイルを使用している
C:¥Users¥ASO¥Downloads¥rtkilb_2.4.2¥rtklib_2.4.2¥bin¥rtkpost.exe

単独測位: 設定 (1)移動観測データ *.15o を読み込む
出力結果 *.pos のファイル名が自動的に設定

14単独測位: 設定 (2)暦データ *.15n, *.sp3 を読み込む

15

単独測位: 設定 (3)Optionsの設定: まずはデフォルトのままで

16

単独測位: 設定 (4)Optionsの設定: まずはデフォルトのままで17

単独測位: 設定 (5)Options: ほとんどはデフォルトのままで
EOP data file: *.erp を読み込む

18

単独測位: 実行Execute  *.pos が出力される
View で *.pos を表示、Plot でグラフ表示

To KML で Google Earth 互換出力19

単独測位: 質問

20

Google Earth で単独測位の結果を表示させ、GPSの軌跡が道路と一致しているか確認する
 一致していない部分があれば、それはどんな理由によるものか？

軌跡がところどころ途切れている箇所があるが、それはどんな理由によるものか？

精密単独測位: 設定 (1)21以下の項目を変更する
*.sp3 は変更の必要なし

*.pos のファイル名が自動変更されたのを確認精密単独測位: 設定 (2)以下の項目を変更する

22

精密単独測位: 設定 (3)以下の項目を変更する

23

精密単独測位: 設定 (4)ここは特に変更の必要なし
*.erp も先ほど設定したファイルでOK

24

精密単独測位: 実行Execute  *.pos が出力される
View で *.pos を表示

To KML で Google Earth 互換出力25

精密単独測位: 質問

26

Options > Output > Solution for Static
Mode の設定を Single から All に変更し、30s 毎の測位解を出力させる
測位解は時間的に安定しているか？安定していないのであれば、それはなぜか？
時間があれば設定値をいろいろ変更して測位を実行し、安定した解を見つける。その後、過去の座標値と比較し、地殻変動量を調べる。

GPSを使うことのメリット
アンテナ・受信機の設置場所
に従い、地球の様々な情報を得られる
大地の動き、海の流れ、etcマイクロ波の伝搬経路に従い、地球の様々な情報を得られる
電離層、対流圏、地表面、etc

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GPSで地震時の地殻変動を見る
2011年東北地震時に得られた地面の動き（宮崎准教授ほか） 断層すべり分布の解明へ

電子基準点（稚内3）28

GPSで地震後の余効変動を見る
東北地震後の海底の基準点の動き（海上保安庁） 余効変動の原因として、地震後断層すべり(afterslip)・粘弾性変形の解明へ

29

GPSで火山を見る30

桜島周辺の長期的な地面の動き（京都大学桜島火山観測所） 将来の火山活動予測

GPSで氷河を見る
東南極・ラングホブデ氷河の動き（日本南極地域観測隊） 氷河流動/融解プロセスの解明へ

31

GPSで海を見る

32

GPS波浪計という海洋ブイを設置（国土交通省） 波浪や津波のリアルタイム監視2011年3月11日東北地震(14:46発生)の津波警報更新(15:14)に利用された

GPS電波で対流圏を見る

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国土地理院の電子基準点のデータを使い、大気中の電波遅延量から水蒸気量(可降水量)を計算（気象庁） 気象予報モデルの改善へ

GPS電波で電離層を見る

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国土地理院の電子基準点のデータを使い、電離層での電波遅延量から全電子数(TEC)を計算（斉藤准教授ほか） 固体地球―大気の相互作用の解明へ

GPS電波で火山を見る

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GPS電波強度(SNR)の時間変化から火山噴煙位置を特定（コロラド大・東北大） 噴煙密度監視や降灰予測の高精度化へ

GPS多重反射を有効活用する

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観測データ = 直達波 + 反射波
反射面の状態変化で反射強度等が変化  土壌
水分・積雪・潮位を監視（コロラド大・北大）

再解析時の参考資料
2014-15年のデータは測地学研究室HPに置くhttp://goo.gl/Ly5m4O

ソフトウェアRTKLIBは以下からDLできる
http://www.rtklib.com/

ZIPファイルを解凍し、以下のプログラムを使用: rtklib_2.4.2¥bin¥rtkpost.exe
RTKLIBでエラーが出たら、以下のファイルを消してみる: rtklib_2.4.2¥bin¥rtkpost.ini

37

2014年以降の全データ

38

14/09/01

14/09/02

15/09/06

15/09/07

Day of Year244245249

250

GPS week

1808-1

1808-2

1861-01861-1

○

○

○

○

ASO1
ASO2

○ASO3
ASOL

移動観測点

○
○

○

○

○
○

○

GEMB

GEMA

2014年9月1日の固定観測点

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ASO2 (1.489m), ASOL (1.355m)
括弧内はアンテナ高を示している

精密暦 (最終解): igs18081.sp3
地球回転軸情報 (最終解): igs18087.erp
回転軸情報の最終解は7日分がまとめられているため、GPS weekの日番号が「7」になっている。

測位モード: PPP static
RTKLIBの設定はスライド21-24頁に準ずる

2014年9月2日の固定観測点
ASO2 (1.486m), ASO3 (1.558m), ASOL(1.355m)
精密暦 (最終解): igs18082.sp3
地球回転軸情報 (最終解): igs18087.erp

測位モード: PPP static
RTKLIBの設定はスライド21-24頁に準ずる

40

2015年9月6日の固定観測点

41

 ASO1 (1.484m), ASO2 (1.484m), ASOL (1.504m)
 精密暦 (超速報解): igu18610_00.sp3
 地球回転軸情報 (超速報解): igu18610_00.erp
 上記2つに関しては、2日程度で速報解 (igr*.Z) が、2週間程度で最終解(igs*.Z) が以下にUPされる
 ftp://igscb.jpl.nasa.gov/pub/product/1861/
 .Zファイルの解凍は、Unixコマンド「uncompress」やWindowsソフト「解凍レンジ」などで行う (解凍レンジはVectorで入手できる)

 測位モード (ASOL以外): PPP static
 RTKLIBの設定はスライド21-24頁に準ずる

 測位モード (ASOL): Single
 受信機不調により1個の周波数の搬送波しか受信できなかったため。設定はスライド14-18頁に準ずる。

2015年9月7日の固定観測点

42

 ASO1 (1.610m), ASO2 (1.474m), ASO3 (0.000m), ASOL (1.504m)
 ASO3は他の観測点とアンテナ・整準台の規格が異なるため、アンテナ高を測定せず。RTKLIBで得られる緯度経度のみは正しい。

 精密暦 (超速報解): igu18611_00.sp3

 地球回転軸情報 (超速報解): igu18611_00.erp
 上記2つに関しては、2日程度で速報解 (igr*.Z) が、2週間程度で最終解(igs*.Z) が以下にUPされる
 ftp://igscb.jpl.nasa.gov/pub/product/1861/

 測位モード (ASOL以外): PPP static
 RTKLIBの設定はスライド21-24頁に準ずる

 測位モード (ASOL): Single
 受信機不調により1個の周波数の搬送波しか受信できなかったため。設定はスライド14-18頁に準ずる。

2015年9月の移動観測点43

 9月6日: GEMB, 9月7日: GEMA
 アンテナ高は簡単のため0.000mでよい 精密暦 (超速報解): igu1861i_00.sp3
 地球回転軸情報 (超速報解): igu1861i_00.erp
 9月6日: i=0, 9月7日: i=1
 上記2つのファイルは2日程度で速報解 (igr*.Z) が、2週間程度で最終解 (igs*.Z) が以下にUPされる
 ftp://igscb.jpl.nasa.gov/pub/product/1861/

 測位モード: Single (or) PPP Kinematic Singleの場合は14-18頁を、PPP Kinematicの場合は21-24
頁を参考にするべし