Finnish permanent GNSS network FinnRef - evolution towards a versatile positioning service

Abstract

The National Land Survey of Finland maintains the FinnRef network of continuously operating GNSS reference stations (CORS). FinnRef is the basis of the EUREF-FIN reference frame in Finland. Continuous time series ensure an accurate link between global GNSS-based coordinates and the national reference frame. In a CORS network it is essential that coordinates and coordinate time series of the reference stations are up to date, accurate and free from biases.

In this dissertation we introduce the development of FinnRef from a network of 13 GPS stations into a versatile modern positioning service. Both old and new FinnRef stations are explained and it is shown how a high quality CORS station should be established today. We were one of the first groups to show the annual periodicity of GNSS time series.

In Finland, land uplift is of high importance since it changes the coordinates continuously. We compared our uplift rates to independent results (tide gauges, precise levelling, GPS results of the BIFROST group). Agreement was very good showing that GPS is a powerful tool for monitoring the land uplift in Finland.

Using a baseline in Lithuania we tested an idea to validate GPS processing parameters against metrological ground truth. The length of the baseline is traceable to the definition of the metre with an uncertainty based on our calibrations. The test was successful and showed that for most accurate measurements individually calibrated antennas must be used.After the first renewal phase of FinnRef we showed that our national network of 20 stations can provide NRTK corrections of the same accuracy level as services having five times more stations. The challenge was the reliability of individual coordinate measurements but this can be overcome by proper use of repeated measurements.

One of the most important results of this dissertation was that we showed the power of using metrological ground truth for validating GPS. The results of this dissertation will enable the creation of a dense GNSS based velocity field for intra-plate deformation models. This will improve the accuracy of transformations from measured GNSS coordinates to the national reference frame and make possible an accurate, reliable (semi)dynamic reference frame in Finland. It is also noteworthy that we showed how the FINPOS positioning service based on FinnRef data could give citizens direct access to the national EUREF-FIN reference frame. FinnRef could also be used as a backbone for GNSS corrections needed for intelligent traffic applications in Finland.

Maanmittauslaitos kerää satelliittipaikannusjärjestelmien (GNSS) lähettämää dataa jatkuvasti rekisteröivien FinnRef-tukiasemien avulla. Maanlaajuinen FinnRef-verkko on Suomen EUREF-FIN -vertauskehyksen runko. Verkon keräämät pitkät aikasarjat mahdollistavat tarkkojen muunnosmallien johtamisen satelliittipaikannusjärjestelmien tuottamien maailmanlaajuisten koordinaattien ja kansallisen EUREF-FIN -järjestelmän välille. On oleellista, että pysyvien GNSS-asemien tuottamat koordinaatit ja koordinaattien aikasarjat ovat laadukkaita ja virheettömiä.

Tässä väitöskirjassa esitetään Suomen pysyvän GNSS-verkon kehitys 13 aseman GPS-asemien verkosta kohti tiheämpää ja monipuolista paikannuspalvelua. Työssä esitellään alkuperäisen FinnRef-verkon ja uudistetun verkon rakenne, toimintaperiaatteet ja uusin tieto siitä kuinka asemat tulee tänä päivänä perustaa. Olimme yksi ensimmäisistä tutkimusryhmistä, jotka raportoivat GPS-aikasarjoissa selkeää vuotuista periodisuutta.

Suomessa eräs koordinaatteja jatkuvasti muuttava ilmiö on maankohoaminen. Vertasimme omia GPS:llä saatuja maankohoamisarvoja riippumattomiin tuloksiin (toistetut tarkkavaaitukset, mareografihavainnot ja kansainvälisen BIFROST-tutkimusryhmän eri metodilla tekemä GPS-analyysi). Yhteensopivuus oli hyvä ja osoitti GPS:n olevan tehokas työkalu myös maankuoren pystyliikkeiden seurantaan.

Testasimme Liettuassa olevalla perusviivalla mahdollisuutta validoida GPS-laskentaparametreja metrologisesti luotettavaan referenssimittaukseen. Mittauksen epävarmuusketju on tekemämme kalibroinnin perusteella jäljitettävissä metrin määritelmään. Testi osoittautui menestykselliseksi ja osoitimme, että tarkimpiin mahdollisiin mittauksiin jokainen GPS-antenni tulee kalibroida yksilönä.

Ensimmäisen FinnRef-verkon uudistuksen jälkeen osoitimme, että valtakunnallisella 20 tukiaseman GNSS verkolla voidaan päästä samalle tarkkuustasolle kuin viisi kertaa enemmän asemia olevissa palveluissa. Haasteeksi tulee yksittäisten mittausten luotettavuus, joka voidaan ratkaista toistomittauksin.

Väitöskirjan tärkeimpiä tuloksia oli osoittaa metrologisen lähestymistavan hyväksikäytön hyödyllisyys validoitaessa GNSS-laskentaparametreja. Tulokset mahdollistavat entistä tarkemman GNSS-tukiasemien dataan perustuvan maankuoren liikemallien luomisen, joka tarkentaa kansainvälisten ja kansallisen koordinaattijärjestelmien välistä muunnosta sekä aikariippuvan koordinaattijärjestelmän. Osoitimme myös, kuinka FinnRef-verkkoon perustuva FINPOS-paikannuspalvelu mahdollistaisi kansalaisille saumattoman pääsyn kansalliseen EUREF-FIN -järjestelmään. FinnRef-verkkoa voitaisiin hyödyntää myös runkoverkkona, joka voi osaltaan auttaa parantamaan älyliikenteen paikannuksen tarkkuutta.