陳 明,武軍酈

(1. 國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心,北京 100830； 2. 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 400079； 3. 導(dǎo)航與位置服務(wù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100830)

國(guó)家GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)

陳 明1,2,3,武軍酈1,3

(1. 國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心,北京 100830； 2. 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 400079； 3. 導(dǎo)航與位置服務(wù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100830)

介紹了國(guó)家GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)建設(shè)的設(shè)計(jì)思路、布設(shè)原則、性能要求及系統(tǒng)組成部分，闡述了基準(zhǔn)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(jì)和建設(shè)要求，并對(duì)基準(zhǔn)站設(shè)備安裝、遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)集成內(nèi)容進(jìn)行了描述，最后對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行了展望。

國(guó)家基準(zhǔn)站；設(shè)計(jì)思路；基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；系統(tǒng)集成

國(guó)家GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站是國(guó)家現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系的核心內(nèi)容，是國(guó)家大地基準(zhǔn)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(cè)數(shù)據(jù)，維持國(guó)家三維地心坐標(biāo)框架，同時(shí)提供站點(diǎn)的精確三維位置信息變化，提供實(shí)時(shí)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(shí)頻信號(hào)等。

“十二五”期間，國(guó)家測(cè)繪地理信息局建設(shè)完成了全國(guó)均勻分布的360個(gè)國(guó)家級(jí)基準(zhǔn)站，構(gòu)建了基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)系統(tǒng)，解決了國(guó)家和地方坐標(biāo)框架不統(tǒng)一的問(wèn)題。各個(gè)省(區(qū)、市)測(cè)繪地理信息部門(mén)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(gè)基準(zhǔn)站，構(gòu)建了省級(jí)衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)系統(tǒng)，部分省市已開(kāi)始進(jìn)行北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的升級(jí)改造，并積極推動(dòng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣。

一、設(shè)計(jì)思路

1. 總體思路

國(guó)家GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站實(shí)行有人看護(hù)、無(wú)人值守、高可靠性、全自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的運(yùn)行方式，7×24小時(shí)連續(xù)跟蹤觀測(cè)衛(wèi)星信號(hào)數(shù)據(jù)，并通過(guò)專用數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)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(cè)、可靠性分析及衛(wèi)星定軌等多種功能。國(guó)家GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)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(jí)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(guó)家GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站在國(guó)家測(cè)繪基準(zhǔn)體系中的重要性，站點(diǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)遵循“高精度、高標(biāo)準(zhǔn)、先進(jìn)性”的原則?；鶞?zhǔn)站技術(shù)設(shè)計(jì)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(biāo)志設(shè)計(jì)先進(jìn)性、系統(tǒng)負(fù)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(biāo)準(zhǔn)等方面的因素，并在全國(guó)范圍內(nèi)的國(guó)家級(jí)基準(zhǔn)站和省級(jí)基準(zhǔn)站網(wǎng)的建設(shè)中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

2. 布設(shè)原則

國(guó)家GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站設(shè)計(jì)中主要考慮國(guó)家坐標(biāo)系統(tǒng)的維持，同時(shí)兼顧系統(tǒng)的實(shí)用性及地方應(yīng)用。國(guó)家基準(zhǔn)站均勻覆蓋我國(guó)陸域國(guó)土，具有合理的分布密度，在全國(guó)各直轄市、省會(huì)城市及主要城市設(shè)站，保證這些地區(qū)基礎(chǔ)測(cè)繪及經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的需要。同時(shí)為滿足省級(jí)基準(zhǔn)控制，平均每省至少布設(shè)3～5站，形成穩(wěn)定的基準(zhǔn)控制結(jié)構(gòu)，建立地方與國(guó)家基準(zhǔn)的緊密聯(lián)系。站址要求選擇穩(wěn)定地質(zhì)環(huán)境，遠(yuǎn)離中國(guó)板塊活動(dòng)斷層和密集斷裂帶50 km以上，以及避開(kāi)地震活動(dòng)帶等不穩(wěn)定區(qū)域。布設(shè)時(shí)考慮選擇與國(guó)家一、二等水準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)相鄰，且要求國(guó)家連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站與國(guó)家高等級(jí)高程控制點(diǎn)關(guān)聯(lián)。

站點(diǎn)設(shè)計(jì)為我國(guó)西部地區(qū)站間距離為150～250 km，經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的東部地區(qū)平均站間距離約為70～100 km。通過(guò)構(gòu)建國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的(360個(gè)站)國(guó)家級(jí)基準(zhǔn)站網(wǎng)及最大的(210個(gè)站)北斗基準(zhǔn)站網(wǎng)，滿足國(guó)家和省級(jí)坐標(biāo)框架的建立和維持，并為在全國(guó)范圍為提供實(shí)時(shí)米級(jí)和分米級(jí)衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3. 性能要求

國(guó)家GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站建設(shè)的性能指標(biāo)需求主要包括：埋設(shè)穩(wěn)定、強(qiáng)度足夠的觀測(cè)墩，應(yīng)能接收多衛(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)，信號(hào)并行通道不低于72個(gè)，接收機(jī)鐘頻的晶振日穩(wěn)定性不低于10-8，接收機(jī)可至少同時(shí)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(jìn)行遠(yuǎn)程軟件升級(jí)、遠(yuǎn)程復(fù)位、遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置等遠(yuǎn)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(guó)家GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站包括觀測(cè)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(cè)系統(tǒng)為基準(zhǔn)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(mén)為GNSS接收機(jī)和氣象儀供電，以保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)不間斷采集。

圖1 基準(zhǔn)站系統(tǒng)組成

三、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

1. 施工建設(shè)

基準(zhǔn)站并置GNSS觀測(cè)標(biāo)志、重力標(biāo)志和水準(zhǔn)標(biāo)志，形成了集GNSS連續(xù)觀測(cè)、絕對(duì)重力觀測(cè)和水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)等多種功能于一體的集成化基礎(chǔ)設(shè)施。觀測(cè)墩應(yīng)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，觀測(cè)墩墩體質(zhì)心應(yīng)位于當(dāng)?shù)貎鐾辆€以下0.5 m；觀測(cè)墩建設(shè)在觀測(cè)室內(nèi)，觀測(cè)墩高出地面一般為4 m，并且觀測(cè)墩頂端應(yīng)高出觀測(cè)室屋頂面0.8 m以上。觀測(cè)墩應(yīng)與觀測(cè)室的主要結(jié)構(gòu)分離，以免影響觀測(cè)墩的穩(wěn)定性，觀測(cè)墩與地面接合四周應(yīng)做寬度5～10 cm，與觀測(cè)室地基同深的隔振槽，內(nèi)填粗沙避免振動(dòng)帶來(lái)的影響。觀測(cè)墩底部設(shè)計(jì)建設(shè)1.5 m見(jiàn)方的基座，保證其觀測(cè)墩質(zhì)心在凍土線以下從而實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)穩(wěn)固。觀測(cè)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(dāng)，使得多路徑效應(yīng)影響最小。土層觀測(cè)墩地下部分尺寸規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 土層觀測(cè)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(kāi)挖)81.51.5m×1.5m×1.5m1.0m×1.0m

基準(zhǔn)站設(shè)施多功能集成，觀測(cè)墩和標(biāo)志設(shè)計(jì)理念先進(jìn)。如圖2所示，強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志底部設(shè)計(jì)為三腳爪標(biāo)以保證標(biāo)志和混凝土牢固密合，頂部設(shè)計(jì)為標(biāo)志和對(duì)中桿嚴(yán)密套合的無(wú)螺紋設(shè)計(jì)，避免可能的螺絲松動(dòng)，此外防天線線纜逆向轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)計(jì)保證了GNSS天線長(zhǎng)期穩(wěn)定不變，該創(chuàng)新性設(shè)計(jì)體現(xiàn)了國(guó)家基準(zhǔn)站優(yōu)質(zhì)、高效、精準(zhǔn)、科學(xué)的理念。

圖2 強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志設(shè)計(jì)

2. 防雷接地系統(tǒng)

由于在基準(zhǔn)站運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中，大多設(shè)備故障和損壞都是由雷擊造成的，因此基準(zhǔn)站防雷接地系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量非常重要。國(guó)家基準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。主要包括：①國(guó)家基準(zhǔn)站設(shè)計(jì)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(zhǔn)站所有設(shè)備和防雷地網(wǎng)均進(jìn)行等電位連接，增強(qiáng)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(jī)、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(hù)。上述三級(jí)防雷系統(tǒng)，可防護(hù)三級(jí)危險(xiǎn)度的強(qiáng)雷電，體現(xiàn)了國(guó)家級(jí)基準(zhǔn)站建設(shè)設(shè)計(jì)的高標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)要求的建設(shè)思路。

3. 通信網(wǎng)絡(luò)接入

三級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)資源的充分利用和共享交換?；鶞?zhǔn)站網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為三級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別為基準(zhǔn)站端、省級(jí)數(shù)據(jù)中心和國(guó)家數(shù)據(jù)中心。三級(jí)網(wǎng)絡(luò)的IP地址統(tǒng)一規(guī)劃，在省級(jí)數(shù)據(jù)中心增設(shè)專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，既能滿足省級(jí)和國(guó)家數(shù)據(jù)中心對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取的要求，又可保證省級(jí)和國(guó)家數(shù)據(jù)中心均可直接訪問(wèn)和遠(yuǎn)程控制基準(zhǔn)站。該設(shè)計(jì)思路為基準(zhǔn)站今后的長(zhǎng)期運(yùn)行和運(yùn)維管理提供保障，為故障解決上下聯(lián)動(dòng)提供了技術(shù)上的便利條件，并為下一步全國(guó)基準(zhǔn)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(guó)家GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站連續(xù)正常獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)的需求，基準(zhǔn)站配備了GNSS接收機(jī)、GNSS天線、數(shù)字氣象儀、工控機(jī)、路由器、直流UPS、交流UPS、原子鐘(核心站)及機(jī)柜等設(shè)備。在設(shè)備安裝時(shí)，GNSS天線安裝于GNSS觀測(cè)墩頂部強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志上，氣象儀探頭安裝于基準(zhǔn)站房屋側(cè)墻(高度與GNSS天線齊平)，GNSS接收機(jī)、UPS主機(jī)等其他設(shè)備全部安裝于觀測(cè)室內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜中?；鶞?zhǔn)站建設(shè)驗(yàn)收對(duì)基準(zhǔn)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(yàn)收，其中安裝驗(yàn)收包括觀測(cè)設(shè)備等的安裝和配置、北斗等衛(wèi)星信號(hào)跟蹤觀測(cè)、數(shù)據(jù)記錄完整性、數(shù)據(jù)上傳和遠(yuǎn)程監(jiān)控等，并進(jìn)行遠(yuǎn)程在線測(cè)試?；鶞?zhǔn)站設(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(zhǔn)站無(wú)人值守、長(zhǎng)期運(yùn)行。其中，為實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)連續(xù)觀測(cè)、存儲(chǔ)和備份，設(shè)計(jì)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(cè)數(shù)據(jù)采集。此外，設(shè)計(jì)的直流UPS電源可解決困難地區(qū)的電壓不穩(wěn)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)平衡式供電。

2. 遠(yuǎn)程監(jiān)控

基準(zhǔn)站所有設(shè)備均包含網(wǎng)絡(luò)通信模塊，實(shí)現(xiàn)了國(guó)家和省級(jí)數(shù)據(jù)中心均可遠(yuǎn)程監(jiān)控基準(zhǔn)站各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，該設(shè)計(jì)是其他基準(zhǔn)站所不具備的。在各國(guó)家基準(zhǔn)站設(shè)計(jì)安裝視頻攝監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控室內(nèi)設(shè)備、觀測(cè)墩、室外環(huán)境變化和安全防護(hù)狀況，對(duì)實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站無(wú)人值守起到重要作用。

3. 數(shù)據(jù)傳輸

國(guó)家GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)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(shí)時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)專網(wǎng)進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)文件采用FTP Push的方式進(jìn)行傳輸，其中，30 s采樣間隔的數(shù)據(jù)文件1天生成一個(gè)數(shù)據(jù)文件，1 s采樣間隔的數(shù)據(jù)文件1小時(shí)生成一個(gè)數(shù)據(jù)文件，文件生成后通過(guò)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(yǔ)

目前360個(gè)國(guó)家GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站已經(jīng)建設(shè)完成，并向國(guó)家數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)傳輸穩(wěn)定有效的觀測(cè)數(shù)據(jù)。作為衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)服務(wù)系統(tǒng)的重要組成部分，國(guó)家基準(zhǔn)站可用于國(guó)家坐標(biāo)框架建立與維持，以及廣域?qū)崟r(shí)精密定位，可面向其他政府部門(mén)、企業(yè)和社會(huì)大眾提供導(dǎo)航定位服務(wù)，這對(duì)于推進(jìn)現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)的廣泛使用，為用戶提高更高精度、范圍更廣的測(cè)繪地理信息服務(wù)，以及大力促進(jìn)測(cè)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(guó)構(gòu)建全球?qū)Ш叫l(wèi)星國(guó)家級(jí)連續(xù)運(yùn)行站系統(tǒng)的思考[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2007,36(4):366-369.

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[3] 武軍酈,周建軍.構(gòu)建GNSS連續(xù)運(yùn)行站網(wǎng)實(shí)現(xiàn)測(cè)繪基準(zhǔn)現(xiàn)代化[J].測(cè)繪通報(bào),2008(10):46-48.

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Design and Construction of the National GNSS Continuous Operation Reference Stations

CHEN Ming,WU Junli

陳明,武軍酈.國(guó)家GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建設(shè)[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(12)：7-9.

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0389.

2016-01-29

國(guó)家863科技計(jì)劃(2014AA123104)；國(guó)家測(cè)繪地理信息局公益性行業(yè)專項(xiàng)(201512006)

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

P228.4

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0494-0911(2016)12-0007-03