陳 明,武軍酈

(1. 國家基礎(chǔ)地理信息中心,北京 100830； 2. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 400079； 3. 導(dǎo)航與位置服務(wù)國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100830)

國家GNSS連續(xù)運行基準站系統(tǒng)設(shè)計與建設(shè)

陳 明1,2,3,武軍酈1,3

(1. 國家基礎(chǔ)地理信息中心,北京 100830； 2. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 400079； 3. 導(dǎo)航與位置服務(wù)國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100830)

介紹了國家GNSS連續(xù)運行基準站網(wǎng)建設(shè)的設(shè)計思路、布設(shè)原則、性能要求及系統(tǒng)組成部分，闡述了基準站基礎(chǔ)設(shè)施施工、通信網(wǎng)絡(luò)接入及防雷接地系統(tǒng)等施工建設(shè)的技術(shù)設(shè)計和建設(shè)要求，并對基準站設(shè)備安裝、遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)集成內(nèi)容進行了描述，最后對系統(tǒng)應(yīng)用進行了展望。

國家基準站；設(shè)計思路；基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；系統(tǒng)集成

國家GNSS連續(xù)運行基準站是國家現(xiàn)代測繪基準體系的核心內(nèi)容，是國家大地基準框架的主體。其建設(shè)旨在獲得高精度、穩(wěn)定、連續(xù)的觀測數(shù)據(jù)，維持國家三維地心坐標框架，同時提供站點的精確三維位置信息變化，提供實時定位和導(dǎo)航信息、GNSS衛(wèi)星軌道信息及高精度連續(xù)的時頻信號等。

“十二五”期間，國家測繪地理信息局建設(shè)完成了全國均勻分布的360個國家級基準站，構(gòu)建了基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)系統(tǒng)，解決了國家和地方坐標框架不統(tǒng)一的問題。各個省(區(qū)、市)測繪地理信息部門根據(jù)自身需求，建設(shè)完成了平均站間距為40～70 km的2100多個基準站，構(gòu)建了省級衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)系統(tǒng)，部分省市已開始進行北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的升級改造，并積極推動北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣。

一、設(shè)計思路

1. 總體思路

國家GNSS連續(xù)運行基準站實行有人看護、無人值守、高可靠性、全自動運轉(zhuǎn)的運行方式，7×24小時連續(xù)跟蹤觀測衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)，并通過專用數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)實時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，具備多衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、完備性監(jiān)測、可靠性分析及衛(wèi)星定軌等多種功能。國家GNSS連續(xù)運行基準站能連續(xù)采集包括BDS、GPS、GLONASS和Galileo等多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)，可向用戶提供各種等級的衛(wèi)星星歷和星鐘差的數(shù)據(jù)服務(wù)，是支撐多功能導(dǎo)航應(yīng)用服務(wù)體系的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

基于國家GNSS連續(xù)運行基準站在國家測繪基準體系中的重要性，站點技術(shù)設(shè)計遵循“高精度、高標準、先進性”的原則?；鶞收炯夹g(shù)設(shè)計綜合考慮了站網(wǎng)布設(shè)的合理性、多衛(wèi)星系統(tǒng)兼容性、基礎(chǔ)設(shè)施多功能集成化、標志設(shè)計先進性、系統(tǒng)負載均衡、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和數(shù)據(jù)流程合理性、防雷系統(tǒng)高標準等方面的因素，并在全國范圍內(nèi)的國家級基準站和省級基準站網(wǎng)的建設(shè)中進行推廣應(yīng)用。

2. 布設(shè)原則

國家GNSS連續(xù)運行基準站設(shè)計中主要考慮國家坐標系統(tǒng)的維持，同時兼顧系統(tǒng)的實用性及地方應(yīng)用。國家基準站均勻覆蓋我國陸域國土，具有合理的分布密度，在全國各直轄市、省會城市及主要城市設(shè)站，保證這些地區(qū)基礎(chǔ)測繪及經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展的需要。同時為滿足省級基準控制，平均每省至少布設(shè)3～5站，形成穩(wěn)定的基準控制結(jié)構(gòu)，建立地方與國家基準的緊密聯(lián)系。站址要求選擇穩(wěn)定地質(zhì)環(huán)境，遠離中國板塊活動斷層和密集斷裂帶50 km以上，以及避開地震活動帶等不穩(wěn)定區(qū)域。布設(shè)時考慮選擇與國家一、二等水準結(jié)點相鄰，且要求國家連續(xù)運行基準站與國家高等級高程控制點關(guān)聯(lián)。

站點設(shè)計為我國西部地區(qū)站間距離為150～250 km，經(jīng)濟較發(fā)達的東部地區(qū)平均站間距離約為70～100 km。通過構(gòu)建國內(nèi)規(guī)模最大的(360個站)國家級基準站網(wǎng)及最大的(210個站)北斗基準站網(wǎng)，滿足國家和省級坐標框架的建立和維持，并為在全國范圍為提供實時米級和分米級衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)打下堅實基礎(chǔ)。

3. 性能要求

國家GNSS連續(xù)運行基準站建設(shè)的性能指標需求主要包括：埋設(shè)穩(wěn)定、強度足夠的觀測墩，應(yīng)能接收多衛(wèi)星系統(tǒng)信號，信號并行通道不低于72個，接收機鐘頻的晶振日穩(wěn)定性不低于10-8，接收機可至少同時設(shè)置2種不同的采樣率且最高采樣率不小于20 Hz，接入可靠、穩(wěn)定、足夠帶寬的專用通信網(wǎng)絡(luò)，可進行遠程軟件升級、遠程復(fù)位、遠程參數(shù)設(shè)置等遠程控制操作，采用雙路供電保證接收數(shù)據(jù)可靠，防雷接地電阻須小于4 Ω，采用B+C防雷技術(shù)。

二、系統(tǒng)組成

國家GNSS連續(xù)運行基準站包括觀測系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、備份與監(jiān)控系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施等部分(如圖1所示)。其中觀測系統(tǒng)為基準站核心部分，其他各系統(tǒng)和設(shè)施均為其提供支撐。如UPS供電系統(tǒng)包括直流UPS和交流UPS兩類，直流UPS專門為GNSS接收機和氣象儀供電，以保證觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)不間斷采集。

圖1 基準站系統(tǒng)組成

三、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

1. 施工建設(shè)

基準站并置GNSS觀測標志、重力標志和水準標志，形成了集GNSS連續(xù)觀測、絕對重力觀測和水準聯(lián)測等多種功能于一體的集成化基礎(chǔ)設(shè)施。觀測墩應(yīng)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，觀測墩墩體質(zhì)心應(yīng)位于當?shù)貎鐾辆€以下0.5 m；觀測墩建設(shè)在觀測室內(nèi)，觀測墩高出地面一般為4 m，并且觀測墩頂端應(yīng)高出觀測室屋頂面0.8 m以上。觀測墩應(yīng)與觀測室的主要結(jié)構(gòu)分離，以免影響觀測墩的穩(wěn)定性，觀測墩與地面接合四周應(yīng)做寬度5～10 cm，與觀測室地基同深的隔振槽，內(nèi)填粗沙避免振動帶來的影響。觀測墩底部設(shè)計建設(shè)1.5 m見方的基座，保證其觀測墩質(zhì)心在凍土線以下從而實現(xiàn)基礎(chǔ)穩(wěn)固。觀測墩室內(nèi)部分直徑為0.5 m，室外部分直徑38 cm，直徑38 cm部分與現(xiàn)行主流扼流圈天線直徑相當，使得多路徑效應(yīng)影響最小。土層觀測墩地下部分尺寸規(guī)格見表1。

表1 土層觀測墩地下部分尺寸規(guī)格

凍土線深度h/m坑深/m基座厚度/m基座規(guī)格地下墩體規(guī)格h≤140.51.5m×1.5m×0.5m1.0m×1.0m13(開挖)81.51.5m×1.5m×1.5m1.0m×1.0m

基準站設(shè)施多功能集成，觀測墩和標志設(shè)計理念先進。如圖2所示，強制對中標志底部設(shè)計為三腳爪標以保證標志和混凝土牢固密合，頂部設(shè)計為標志和對中桿嚴密套合的無螺紋設(shè)計，避免可能的螺絲松動，此外防天線線纜逆向轉(zhuǎn)動的設(shè)計保證了GNSS天線長期穩(wěn)定不變，該創(chuàng)新性設(shè)計體現(xiàn)了國家基準站優(yōu)質(zhì)、高效、精準、科學(xué)的理念。

圖2 強制對中標志設(shè)計

2. 防雷接地系統(tǒng)

由于在基準站運行維護過程中，大多設(shè)備故障和損壞都是由雷擊造成的，因此基準站防雷接地系統(tǒng)的標準和質(zhì)量非常重要。國家基準站除建設(shè)了高質(zhì)量的防雷地網(wǎng)和等電位連接帶之外，還提高了防雷的標準。主要包括：①國家基準站設(shè)計要求防雷系統(tǒng)接地電阻小于4 Ω，高于一般建筑物10 Ω的防雷要求；②在此基礎(chǔ)上，基準站所有設(shè)備和防雷地網(wǎng)均進行等電位連接，增強了感應(yīng)雷損害的預(yù)防能力；③此外，增設(shè)了3種防浪涌設(shè)備，保障設(shè)備設(shè)施防雷安全。分別在GNSS接收機、路由器、配電箱等設(shè)備前端加設(shè)防浪涌設(shè)備，在關(guān)鍵設(shè)備再加一道防護。上述三級防雷系統(tǒng)，可防護三級危險度的強雷電，體現(xiàn)了國家級基準站建設(shè)設(shè)計的高標準和嚴要求的建設(shè)思路。

3. 通信網(wǎng)絡(luò)接入

三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)資源的充分利用和共享交換?；鶞收揪W(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別為基準站端、省級數(shù)據(jù)中心和國家數(shù)據(jù)中心。三級網(wǎng)絡(luò)的IP地址統(tǒng)一規(guī)劃，在省級數(shù)據(jù)中心增設(shè)專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，既能滿足省級和國家數(shù)據(jù)中心對實時數(shù)據(jù)獲取的要求，又可保證省級和國家數(shù)據(jù)中心均可直接訪問和遠程控制基準站。該設(shè)計思路為基準站今后的長期運行和運維管理提供保障，為故障解決上下聯(lián)動提供了技術(shù)上的便利條件，并為下一步全國基準站數(shù)據(jù)共享交換打下基礎(chǔ)。

四、系統(tǒng)集成

1. 設(shè)備安裝

為滿足國家GNSS連續(xù)運行基準站連續(xù)正常獲取觀測數(shù)據(jù)的需求，基準站配備了GNSS接收機、GNSS天線、數(shù)字氣象儀、工控機、路由器、直流UPS、交流UPS、原子鐘(核心站)及機柜等設(shè)備。在設(shè)備安裝時，GNSS天線安裝于GNSS觀測墩頂部強制對中標志上，氣象儀探頭安裝于基準站房屋側(cè)墻(高度與GNSS天線齊平)，GNSS接收機、UPS主機等其他設(shè)備全部安裝于觀測室內(nèi)的標準機柜中?；鶞收窘ㄔO(shè)驗收對基準站施工建設(shè)質(zhì)量和設(shè)備系統(tǒng)集成安裝分別檢查驗收，其中安裝驗收包括觀測設(shè)備等的安裝和配置、北斗等衛(wèi)星信號跟蹤觀測、數(shù)據(jù)記錄完整性、數(shù)據(jù)上傳和遠程監(jiān)控等，并進行遠程在線測試?；鶞收驹O(shè)備安裝示意圖如圖3所示。

圖3 設(shè)備集成安裝示意圖

設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)和集成主要是為了保障基準站無人值守、長期運行。其中，為實現(xiàn)基準站數(shù)據(jù)連續(xù)觀測、存儲和備份，設(shè)計直流UPS和交流UPS雙電源系統(tǒng)互為備份，并且直流UPS專為GNSS和氣象設(shè)備的后備電源，可保障至少7天的觀測數(shù)據(jù)采集。此外，設(shè)計的直流UPS電源可解決困難地區(qū)的電壓不穩(wěn)問題，實現(xiàn)平衡式供電。

2. 遠程監(jiān)控

基準站所有設(shè)備均包含網(wǎng)絡(luò)通信模塊，實現(xiàn)了國家和省級數(shù)據(jù)中心均可遠程監(jiān)控基準站各設(shè)備的運行狀態(tài)，該設(shè)計是其他基準站所不具備的。在各國家基準站設(shè)計安裝視頻攝監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控室內(nèi)設(shè)備、觀測墩、室外環(huán)境變化和安全防護狀況，對實現(xiàn)基準站無人值守起到重要作用。

3. 數(shù)據(jù)傳輸

國家GNSS連續(xù)運行基準站建設(shè)后，采用數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)文件并行傳輸?shù)姆绞健? Hz采樣率的數(shù)據(jù)流實時通過數(shù)據(jù)專網(wǎng)進行傳輸，數(shù)據(jù)文件采用FTP Push的方式進行傳輸，其中，30 s采樣間隔的數(shù)據(jù)文件1天生成一個數(shù)據(jù)文件，1 s采樣間隔的數(shù)據(jù)文件1小時生成一個數(shù)據(jù)文件，文件生成后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心指定的目錄下。數(shù)據(jù)文件傳輸示意圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)文件傳輸示意圖

五、結(jié)束語

目前360個國家GNSS連續(xù)運行基準站已經(jīng)建設(shè)完成，并向國家數(shù)據(jù)中心實時傳輸穩(wěn)定有效的觀測數(shù)據(jù)。作為衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準服務(wù)系統(tǒng)的重要組成部分，國家基準站可用于國家坐標框架建立與維持，以及廣域?qū)崟r精密定位，可面向其他政府部門、企業(yè)和社會大眾提供導(dǎo)航定位服務(wù)，這對于推進現(xiàn)代測繪基準的廣泛使用，為用戶提高更高精度、范圍更廣的測繪地理信息服務(wù)，以及大力促進測繪地理信息應(yīng)用將產(chǎn)生顯著效果。

[1] 陳俊勇,張鵬,武軍酈,等.關(guān)于在中國構(gòu)建全球?qū)Ш叫l(wèi)星國家級連續(xù)運行站系統(tǒng)的思考[J].測繪學(xué)報,2007,36(4):366-369.

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2016-01-29

國家863科技計劃(2014AA123104)；國家測繪地理信息局公益性行業(yè)專項(201512006)

陳 明(1984—)，男，博士生，高級工程師，主要從事基準站設(shè)計建設(shè)和應(yīng)用工作。E-mail：cm@nsdi.gov.cn

P228.4

B

0494-0911(2016)12-0007-03