Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

SURVEY COMPARISON USING GNSS AND ME5000 FOR ONE
KILOMETER RANGE
Sakuo Matsui, Hiroaki Kimura
RIKEN, Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo, 679-5148 JAPAN
Abstract
The accuracy 1mm of GNSS is possible by averaging one day for 1km range. The measurement fluctuations ofreceiver were almost same which distances were 1m to 1 km. The measurement comparison of distance using
Mekometer ME5000 and GNSS were done for 200m up to 1km. The differences were 0.0 to 0.3mm. The influence due
to weather conditions was negligible although the wavelength is sensitive to the water vapor pressure. Eight survey
monuments were made around the SPring-8 storage ring for the construction at seventeen years ago. These monuments
were surveyed again using GNSS. The three monuments are shifted. The displacements are 15, 5, and 5mm.

GNSSによる1km程度での干渉測位の精度—光学距離計ME5000 との比較—
１．はじめに衛星

GNSS(Global Navigation Satellite System)に使われている衛星の数はGPS 24個（6軌道各４個）以上、位相差
GLONASS は現在10個程度で、今後ヨーロッパの,θ1lu
GALILEOが加わる。また携帯電話の普及に見られ10〜40kmるようにRFの技術は大きく進歩してきている。こθ2のような状況から今後GNSSは精密測量に用いられldると考えられる。そこで測定値の変動を調べ、また精度の見積もりにレーザー距離計Kern ME5000と比図１．大気圏による屈折較測定を行った。さらにSPring-8では蓄積リング建設時に設置した基準点が現在は互いにはず通常の測３．測定量は困難なのでGNSSで17年間の移動を測定した。
時間をかければ精度1mm程度ならば将来の大型加速3.1 測定器器の基準点測量に使用の可能性がでてくる。
受信機はNET G3、カタログ仕様は精度水平3mm+0.5ppm×距離、垂直 5mm+0.5ppm×距離、２．干渉測位
アンテナはG3-A1、解析ソフトは「Pinacle」いずれ
GNSSの測位で２台の受信機で一つの衛星からのもTopcon製で、バッテリー駆動でデータは512MBの電波の位相差を測定する方法を干渉測位と言う。今CFカードに記録した。サンプリング周波数は主に回は狭い範囲で相対位置さえ正確に測れれば良いの１Hzで、１台を基準にし６時間連続記録でもう一台でこの方法を用いる。実際には２個の衛星からの電は１時間ごとにファイルをつくる形式で測定を行っ波を２台の受信機で受け受信機間の時計の差を補正た。垂直方向はレベルN３などでつないでいけるのし２台の衛星の各ペアーが解析データとなる。デーで今回は水平方向のみの解析にとどめた。
タはそれぞれの受信機内のカードに記録されオフラ3.2 衛星のマスク角インで解析する。搬送波の周波数は1.2〜1.6GHzなので波長は200mm程度となり位相差0.2度が距離は水平から数度以上の仰角に0.1mm に 対 応 す る 。 （ Topcon NetG3 の ス ペ ッ ク に障害物がない見通しの良いと
carrier phase precision 0.1mmとある。）
ころで受信機を約１ｍ離し１衛星の周期は12時間程度だが地球の回転を考える日測定を行った（図２）。水と約1日で衛星の位置が再現するので測定時間は１平から５度以上上の衛星から日とした。マイクロウェーブは可視光と異なり水分の電波を記録するように設定の影響は大きい。300K付近では水蒸気圧10hPaの変しておき、解析時に使う衛星化は屈折率40ppmの変化になる。しかし大気圏でのの角度を変えて２点間の距離屈折は上空10〜40kmと見られ測定範囲が1km程度でのデータのｒｍｓ値を求めた。
あれば気象は同等とみなせるので図1のように屈折10〜25°で大きな変化は無い
図２GPSアンテナがあっても位相差から求めた距離はlu=ldとなるとで通常15°で解析した。（図３）考えられる。（大気補正はNiell(2005)model使用）-183-

Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

Length North‑South(m)401.827401.826401.825Time

2分間

15:00:00

16:00

12:00

8:00

20:00

16:00

12:00

8:00

4:00

20:00

サンプリング間隔と平均値

４．距離測定比較

20:02:00

20:01:45

20:01:30

20:01:15

20:01:00

20:00:45

20:00:30

1050.625

Time

4.1 距離100~670m
20:00:15

08/2/7 20:00:00

19:02:00

19:01:45

19:01:30

19:01:15

19:01:00

19:00:45

Time0

雨や雷の時は値のばらつきが大きくなるので長時間測定の場合は注意が必要である。

5mm

1050.630

19:00:30

2624.636

3.7 雨などの影響

Length(m)100.000

19:00:15

Time41050.635

Length08/1/19 19:00:00

14:50:00

14:40:00

LengthLength(m)

図６2分間

5mm
100.0050Time

1050.640

100.010

14:30:00

14:20:00

14:10:00

1/31 14:00:00

14:00:00

8:00:00

11:00:00

5:00:00

23:00:00

2/1 2:00:00

20:00:00

17:00:00

8/1/31 14:00:00

05

Number5

Number

0.885

10

N

624.638

7/26 0:00

08/7/29 1:00:00

100.890N86

8/7/25 16:00

401.8255mm

10624.640

08/7/29 1:10:00

401.830401.820

0.890

Length(m)150.895

rms(1s)rms(15s)rms(60s)

Average=624.6383m

08/7/29 1:08:00

0.895

Length(1s)Length(15s)
Length(60s)
Average 1s,15s,60s

624.64208/7/29 1:06:00

0.900

401.835

NS(10Hz̲10sec)
NS(10Hz̲1min)
NS(1Hz̲1min)

08/7/29 1:02:00

0.900

624.644401.840

North‑South(m)Length0.905

4:00

この受信機は10Hzまで（オプションで20Hz）測定できる。図6左に10Hzで10秒間、１分間、１Hzで１分間の各平均値を示した。10秒間でもゆらいでいる事がわかる。しかし１分間の平均値になると１Hzと10Hzであまり差は無い。さらに１秒、15秒、60秒間隔でデータをサンプリングし１時間ごとに平均した結果を示す。１日平均では600mの距離で差は0.1mm以内であった。rms値は図のようにサンプリングの間隔とともに大きくなっているがデータの数がそれぞれ86400、5760、1440個と多いために最終値はほとんど変わらないことを示している。

Time

図４．測定値の変動（上、0.9m、下左100、右1km）
3.5 マスク角と最終結果
通常15°で解析を行うが、SR9‑SR4の南北間距離を角度を変化させ解析した結果を図５に示す。１時間程度では角度により結果が異なってくるが１日平均すると10〜25°で差は0.1mmにとどまる。

XFEL建設中の建物に沿って100m間隔で５箇所地盤変化測定用のモニュメントを設置した。そこにレーザー
距離計ME5000（精度0.2mm+距離×0.2ppm）の測定器とターゲットを設置し距離を測定し気温、気圧の補正を 図7.ME5000による測定-184-

rms(mm)Length(m)0.910

7/26 0:00

3.6 サンプル周波数と最終結果

3.4 測定距離と測定値の変動

LengthTime

図５．仰角マスク角による解析結果の変化

アンテナ受信点と軸中心とのずれを測定するため２台のアンテナで一方を90度ずつ回転し各状態で１日測定した。測定値は東西、南北各±0.5mmの中でばらつきオフセット値は測定誤差より小さかった。

１Hz１日のデータを解析し１秒ごとのアンテナ距離（0.9m）と衛星の数を図４上左で１日分、上右で最初の１時間を示す。２〜３分でも5mm程度変化している時もある。さらに距離を100m、1kmと変えて２分みても変動の幅はあまり変わらない（図４下左、右）。つまり受信機のノイズなど含めた１回の測定のばらつきが3mmほどあることを示している。また1mでも1kmでも差が無いところから1kmの距離による影響は測定のエラーの中に入る程度と見積もれる。ただ、どの場合も１時間毎に平均した値はほぼ±1mm内に入った。

20:00

08/7/25 16:00

401.824

3.3 アンテナのオフセット

0.905

average
10=401.8269m
15.8269
20.8269
25.8268
30.8265401.828

図３．仰角マスク角とrms値

0.910

1mm

401.829

08/7/29 1:04:00

rms (mm)

401.830

rms EWrms NS

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Minimum Elevation Angle (deg)99.9950

NS(10)
NS(15)
NS(20)
NS(25)
NS(30)
av.NS(10)av.NS(15)
av.NS(20)av.NS(25)
av.NS(30)401.831

43.5
32.5
2
1.5
10.5
0Proceedings of the 5th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 33rd Linear Accelerator Meeting in Japan (August 6-8, 2008, Higashihiroshima, Japan)

行い距離を求めた（図７）。測定器をGPSのアンテナに置換え一箇所に約１日をかけ測定した。結果を比べると0.3mm以内で一致している。（表１）
表１ ME5000とGPS距離測定の比較
距離(m)GPS(m)1day ME5000 (m)200.0049
200.0049
200300300.0061
300.0060
400
400.0025
400.0028
670
670.8335
670.8337

差 (mm)
0.00.1‑0.3‑0.25mm程度移動しているように見える。SR1は盛土の上でかつすぐ南が道路であったため移動しやすかったと考えられる。SR6は整地前にリング棟との間に深さ数mの窪みがあり不安定な場所と考えられる。SR4は北北東に傾斜するのり面上に設置してあり移動方向はうなずける。(図9,10)

4.2 距離1km
SPring8サイト内で1000m直線が見通せる２点に三脚を設置し２つの方法で距離を測定した。図8 に示すようにGPSの大気補正後の値を１日平均すると差は0.1mmであった。

1050.634

Mekometer ME5000
without troposphere correction
Goad‑Goodman troposphere model
Neil(2005) troposphere modelUNBabc(2003) troposphere model

図9．SR基準点の17年間のシフト
5.3 光学測量による確認

Average=1050.6320.632

あまり移動していないように見えるSR2と3を基準にSR4の角度をセオドライトT3000で、SR3‑4の距離をME5000で測定した。結果は表３のようにGPS測量の結果を再現していた。

.631

Time

2/8 18:00.628

2/8 12:00.629

2/8 6:00.630

2/9 0:00

1050.6302
1050.6301
08/2/8 0:00

Length (m).633

北

図8．1kmGPSとME5000の測定比較

表３

光学測量によるチェック
SR2-SR3-SR4

５．基準点のシフト測定

測量器
17年前
今回
変化

5.1 17年前の測量
蓄積リングの建物、電磁石のアライメントのためにまだ見通しがきく時期にセオドライトT3000と距離計ME5000を用い基準点SR1〜SR10や偏向電磁石の位置に設置したモニュメント20箇所を誤差楕円1mm以下で測量した。
5.2 GPS測量
SR9に設置したGPSを基準にSR1、2、3、4、6、7、10にも設置し各箇所ほぼ１日かけて測定した。三脚にはXYステージを取り付けて鉛直器NLを用い 表2. 17年間の基準点移動て 調 整 し た 。 17 年 前 (mm) EW NSｼﾌﾄの 測 量 は 南 北 が は っ SR1
6.7 ‑12.914.5
き り し て い な か っ た SR2
0.9 0.00.9
ので得られた結果をSR3
0.7 0.3
0.8
SR9を重ね、移動の可SR44.4 0.94.5
能 性 の 小 さ い SR2,SR6
2.1 ‑4.2
4.7
SR3が重なるように回SR71.4 1.11.8
転した。結果は表２SR90.00.00.0のようにSR1が15mm程SR10 0.6 ‑1.2
1.3
度南にSR4, SR6が4〜

図10.受信機とSR4角度
T3000
168.05535°
168.05641°
0.00106°=
3.6mm東へ

SR3-SR4
水平距離ME5000193.1476m
193.1490
1.4 mm北へ

６．まとめ
１ｋｍ程度の範囲内であれば雨などの時でない限り気象の影響は無視できる。
ノイズも含めた１回の測定精度は揺らぎの大きさから１回3mm程度ありアンテナ間距離が1mでも1kmでも変わらなかった。
GPS干渉測位で1mm程度の精度が可能である。ただし変動があるので１時間の測定では難しい。１日の平均をとるのが良い。
固定点の測量ではサンプリングレートを１Hz以上にあげてもあまり意味は無い。１日平均では15秒間隔でも60秒間隔でも大きな差はない。
距離計ME5000との距離比較で200m〜1kmで0.3mm以内で一致した。
17年の間に基準点SR1〜SR10の中で盛り土上のSR1は南東に15mm、不安定な場所にあるSR4とSR6は４mm程度移動しているように見える。
SR4は光学的にもチェックし移動を確かめた。

-185-