陳 明，武軍酈，李志才

（1. 國家基礎地理信息中心，北京 100830； 2. 武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 400079；3. 導航與位置服務國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100830）

0 引 言

衛(wèi)星導航定位基準站（簡稱“基準站”）是指對衛(wèi)星導航信號進行長期連續(xù)觀測，并通過通信設施將觀測數(shù)據(jù)實時或者定時傳送至數(shù)據(jù)中心的地面固定觀測站[1]。基準站是現(xiàn)代測繪基準體系的核心內(nèi)容，是大地基準框架的主體?；鶞收究色@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，提供實時定位和導航的信息、GNSS衛(wèi)星軌道信息以及高精度連續(xù)的時頻信號等[2-6]。

基準站的觀測數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理并形成差分修正信息，可以大幅提高衛(wèi)星導航定位精度。衛(wèi)星導航定位基準站網(wǎng)可提供高精度的位置服務，廣泛應用于測繪、國土資源、城鄉(xiāng)建設、城市規(guī)劃、交通、水利、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、防災減災等眾多行業(yè)和民生領域[7]，近年來市場應用規(guī)模越來越大，根據(jù)2016年度《中國衛(wèi)星導航與位置服務產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》顯示，2016年我國衛(wèi)星導航與位置服務產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值達到2 118億元。

1 建設現(xiàn)狀

為加強測繪基準的動態(tài)維持，提供高精度衛(wèi)星導航定位服務，國家測繪地理信息局利用現(xiàn)代測繪基準工程、927工程以及陸態(tài)網(wǎng)絡等組成了410座規(guī)模的國家級基準站網(wǎng)，同時統(tǒng)籌各省級測繪地理信息部門建設管理的2 300余座基準站資源，構建了2 700座站點規(guī)模的衛(wèi)星導航定位基準站網(wǎng)[8-9]。建成了1個國家數(shù)據(jù)中心和31個省級數(shù)據(jù)中心，共同組成全國衛(wèi)星導航定位基準服務系統(tǒng)[10]。國家基準站建設分布和全國衛(wèi)星導航定位基準服務系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 全國衛(wèi)星導航定位基準服務系統(tǒng)架構Fig.1 System architecture of the national satellite navigation and positioning reference service system

2 建設流程

國家基準站建設過程主要包括站址勘選、施工圖設計與審查、施工建設、高程屬性測定、設備安裝、測試與試運行、資料歸檔等環(huán)節(jié)。

1）基準站站址勘選主要包括實地選址、實地測試和資料編制等工作流程。實地選址開始前，應進行人員、設備和相關資料等準備工作，并根據(jù)站址的依托條件、地質條件、觀測環(huán)境條件等進行實地點位的選擇，避開斷層、易滑坡、易受淹等其他不便觀測的地點。點位選擇完成后進行實地測試，要求有效觀測量不少于85%，mp值小于0.5 m。

2）基準站施工圖設計分為施工圖標準設計、施工圖設計和施工圖審核3個階段。基準站施工圖標準設計主要是確定設計原則和技術條件，提出技術經(jīng)濟合理的設計方案；施工圖階段是根據(jù)標準的施工圖設計，提出符合項目所在地特點及施工要求的施工圖；施工圖審查是委托具有審圖資質的設計院對基準站施工圖紙進行技術咨詢，保證設計圖紙能夠滿足結構安全和強制性條文標準、規(guī)范的要求。

3）基準站的土建工作包括新建基準站和改造基準站2類。新建國家基準站土建工作包括GNSS觀測墩、重力觀測墩、觀測室、工作室的建設，以及電力照明、防雷接地、通信、室外工程等輔助設施建設。改造基準站的工作主要包括通信信息工程、防雷接地系統(tǒng)、房屋裝修3個方面。通信網(wǎng)絡工程為三級架構網(wǎng)絡，包括1個主節(jié)點、31個數(shù)據(jù)分節(jié)點以及410個基準站，采用SDH和MSTP專網(wǎng)，實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)信息從基準站到數(shù)據(jù)分節(jié)點和主節(jié)點的傳輸，滿足基準站數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡安全要求。

4）國家基準站的高程屬性測定按照國家二等水準規(guī)范觀測綱要，與最近的國家精密水準點進行聯(lián)測?；鶞收緩娭茖χ袠酥九c水準標志聯(lián)測方法一般采用直接水準觀測法，采用鋼尺量測和三角高程聯(lián)測等方法時，需報批具體聯(lián)測技術方案后方能實施。

5）基準站設備主要包括GNSS接收機和天線、氣象設備、原子鐘、UPS設備、工控機、機柜、防雷設備、路由器以及輔助性設備如銘牌等。在設備安裝時，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墻，GNSS接收機、UPS主機等其他設備全部安裝于觀測室內(nèi)的標準機柜中。

6）基準站設備安裝和網(wǎng)絡聯(lián)調完成后，需進行基準站在線測試?；鶞收緶y試的主要內(nèi)容為對基準站的設備安裝情況、儀器配置正確性、數(shù)據(jù)傳輸完整性、網(wǎng)絡通訊質量、遠程控制能力等。測試采取在國家數(shù)據(jù)中心采用遠程在線測試的方式進行?；鶞收緶y試主要包括GNSS觀測系統(tǒng)測試、氣象觀測系統(tǒng)測試、原子鐘測試、網(wǎng)絡通信系統(tǒng)測試以及輔助設備測試等各系統(tǒng)測試。

7）基準站建設所提交的成果主要包括勘選資料、初步設計資料、施工圖設計資料、施工土建資料、監(jiān)理資料、高程屬性測定資料、設備安裝資料等?；鶞收咎峤坏某晒Y料包括紙介質和電子介質2種，兩者內(nèi)容完全一致。

3 系統(tǒng)配置

國家基準站主要由觀測系統(tǒng)、網(wǎng)絡傳輸系統(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)和基礎設施等部分組成。GNSS接收機和GNSS天線為觀測系統(tǒng)，是基準站的核心主體，是直接產(chǎn)出觀測數(shù)據(jù)的部分，其他各系統(tǒng)和設施均為其提供支撐，如圖2所示。

圖2 基準站系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of GNSS reference station

在國家基準站建設和運行過程中，對各系統(tǒng)的配置進行統(tǒng)一的要求，包括是否能接收四系統(tǒng)衛(wèi)星信號、GNSS接收機IP地址統(tǒng)一規(guī)劃、站點代碼配置統(tǒng)一為標準四字符、GNSS接收機數(shù)據(jù)存儲應設置滿時刪除、接收機內(nèi)存使用率不大于90%、應以站點代碼存儲信息正確完整的接收機配置文件等。其中對于GNSS接收機來講，實時和定時產(chǎn)出和傳輸觀測數(shù)據(jù)是其主要功能，因此數(shù)據(jù)流I/O功能配置和數(shù)據(jù)文件存儲配置最為重要，國家基準站的數(shù)據(jù)配置見表1、表2。

表1 I/O配置要求Tab.1 I/O configuration requirements

表2 數(shù)據(jù)文件存儲配置要求Tab.2 Storage configuration requirements for data fi les

4 建設特點

國家基準站建設方案是起點高、技術難度大、社會需求迫切的重點工程項目，建設地點遍布全國所有省市，建設內(nèi)容涉及多個行業(yè)，總的來說，是一個涉及范圍廣、內(nèi)容龐雜、工序流程復雜、質量要求高的項目。國家基準站建設具有如下幾方面特點：

1）強制對中裝置設計

常規(guī)的GNSS基準站測量標志在安裝時，會出現(xiàn)因水泥凝固產(chǎn)生形變導致標志位移，難以保證標志的垂直度、安裝高度與觀測墩的幾何關系。因此，項目根據(jù)標志功能要求和施工特點，對GNSS觀測墩標志進行了專業(yè)設計，強制對中標志底部設計為三腳爪標以保證標志和混凝土牢固密合，頂部設計為標志和對中桿嚴密套合的無螺紋設計避免可能的螺絲松動，此外防天線線纜逆向轉動的設計保證了GNSS天線長期穩(wěn)定不變，該創(chuàng)新性設計體現(xiàn)了國家基準站優(yōu)質、高效、精準、科學的理念。

2）墩體施工精度控制

根據(jù)施工設計圖的要求，GNSS觀測墩和重力觀測墩之間，兩者與不同方向的墻體之間具有固定的尺寸，而且精度要求較高；同時，要求地面與兩個墩體的頂面在同一個水平面（即±0），為此，項目組結合測繪工程專業(yè)的優(yōu)勢，為觀測墩施工建立了獨立坐標系統(tǒng)，把GNSS觀測墩、重力墩、各個房屋的拐點、以±0為基準的各個關鍵部位的高度、GNSS觀測墩的垂直度均通過全站儀和GPS精確確定，既保證了各關鍵部位位置的準確性、又克服了多種外部因素導致的施工誤差。

3）磁偏角精準放樣

根據(jù)國家基準站設計要求，站點坐標年變率要求小于0.5 mm/yr，因而需要控制GNSS天線指北偏差引起的誤差。項目設計要求天線指北偏差絕對值小于5°，但是每個地區(qū)的地磁場及環(huán)境各不相同，為此需要在每個GNSS觀測墩強制對中裝置安裝過程中控制其指北偏差。項目部結合GNSS測量技術、磁偏角觀測技術，設計了GNSS磁偏角放樣方法，先在基準站觀測墩施工前進行磁偏角測量，強制對中裝置安裝時采用放樣的方法控制指北偏差。該方法嚴密、精確、高效，結合測繪工程優(yōu)勢，嚴格控制了觀測墩強制對照裝置的磁偏角，從而保證GNSS天線指北偏差滿足設計要求。

4）高精度時頻系統(tǒng)

國家基準站分布全國，區(qū)域跨度很大，為保證整網(wǎng)觀測精度，需要提高GNSS接收機時鐘頻率精度。因此，項目部設計和建設了完善的高精度時間頻率系統(tǒng)，即在全國均勻布設10座高精度原子頻標，使用10-12高精度外接原子頻標銣鐘來代替GNSS接收機頻標。在全國整網(wǎng)實現(xiàn)了利用地面觀測站的高精度時鐘頻率信息，解算和確定了GNSS衛(wèi)星的時鐘偏差，提高了整網(wǎng)觀測精度。

5）多效防雷系統(tǒng)

由于在基準站運行維護中，大多設備故障和損壞都是由雷擊造成的，所以基準站防雷接地系統(tǒng)的標準和質量非常重要。國家基準站除建設了高質量的防雷地網(wǎng)和等電位連接帶之外，還提高了防雷的標準。主要包括：①防雷系統(tǒng)接地電阻小于4Ω，高于一般建筑物10Ω的防雷要求。②在此基礎上，基準站所有設備和防雷地網(wǎng)均進行等電位連接，增強了感應雷損害的預防能力。③此外，增設了3種防浪涌設備，保障設備設施防雷安全。分別在GNSS接收機、路由器、配電箱等設備前端加設防浪涌設備，在關鍵設備上再加一道防護。

6）平衡式供電系統(tǒng)

為保證觀測系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)能夠可靠、穩(wěn)定、連續(xù)不間斷運行，觀測系統(tǒng)、通信系統(tǒng)應采用電池組直流供電。充電與供電相互交替獨立自動切換，保證了供電的可靠性?；鶞收緝?nèi)設備供電方案分為直流供電和交流供電，其中觀測系統(tǒng)采用直流供電，其他設備采用交流供電，將直流供電系統(tǒng)和交流供電系統(tǒng)集成，保證了站點設備供電的不間斷性和穩(wěn)定性，使其協(xié)調工作，共同實現(xiàn)站點觀測系統(tǒng)的電力保障。

5 建設效益

國家基準站的建設和應用直接推動了我國現(xiàn)代測繪基準體系建立、維持與服務的進程，促進了CGCS2000推廣應用，對于推動全國衛(wèi)星導航定位基準服務系統(tǒng)的統(tǒng)籌建設發(fā)揮了重要作用，進一步提升了我國測繪基準服務保障能力，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。具體應用推廣和效益包括：

1）為維持全國坐標框架動態(tài)性和統(tǒng)一性提供支撐

2000國家大地坐標系(CGCS2000)是國家法定的坐標系和我國新一代的大地基準，而基準站是CGCS2000坐標框架的骨干設施，是建立和維護全球地球參考框架，實現(xiàn)國家與地方大地基準統(tǒng)一，以及我國大地坐標系統(tǒng)與全球地球參考系統(tǒng)保持動態(tài)聯(lián)系最主要的技術手段。國家基準站網(wǎng)將獲取高精度、海量、可靠觀測數(shù)據(jù)，為準確描述中國坐標框架動態(tài)性，統(tǒng)一全國坐標框架提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

2）提供跨區(qū)域大范圍高精度定位服務

國家基準站對區(qū)域基準站網(wǎng)的網(wǎng)型結構進行了優(yōu)化升級，節(jié)約了各省在基準站建設的投入經(jīng)費，避免重復建設。以國家基準站網(wǎng)為主體組成的全國衛(wèi)星導航定位基準服務系統(tǒng)，建立了國家與地方基準站數(shù)據(jù)匯集機制以及數(shù)據(jù)交換平臺，有效地解決省與省接邊和空白區(qū)域的服務問題，實現(xiàn)各省區(qū)域資源的共享。通過全國基準站網(wǎng)數(shù)據(jù)交換和共享平臺，充分地利用各省現(xiàn)有衛(wèi)星導航定位基準服務系統(tǒng)網(wǎng)絡RTK服務平臺，在全國范圍內(nèi)實現(xiàn)跨區(qū)域、大范圍、高精度、無縫的衛(wèi)星導航定位服務，對于促進地理信息產(chǎn)業(yè)和位置服務的快速健康發(fā)展具有積極作用。

3）促進和引導北斗產(chǎn)業(yè)應用蓬勃發(fā)展

中國北斗二代導航衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)完成了區(qū)域服務建設，作為衛(wèi)星導航定位最主要的應用行業(yè)，集北斗、GPS、GLONASS和Galileo四系統(tǒng)的國家基準站的建設完成，形成了全國最權威的導航定位服務系統(tǒng)和應用平臺，這對于推進現(xiàn)代測繪基準的廣泛使用、為用戶提供更高精度的北斗導航與定位服務、大力促進北斗系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化應用將產(chǎn)生顯著效果。同時北斗基準站在確定和提高北斗導航衛(wèi)星軌道方面具有不可替代的作用，國家基準站將為我國北斗應用推廣和衛(wèi)星導航事業(yè)持續(xù)健康發(fā)展提供更大支持與幫助。

4）提供高精度衛(wèi)星導航定位數(shù)據(jù)和成果服務

國家基準站是連續(xù)采集多模多頻衛(wèi)星定位觀測數(shù)據(jù)的重要基礎設施，是國家大地基準維持與實用化的主要保障手段，通過連續(xù)觀測，采集了大量的1s和30 s的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，直接用于計算精密衛(wèi)星軌道、鐘差和電離層等實時產(chǎn)品，并與省級基準站網(wǎng)無縫銜接，補充和完善省級定位服務，應用于廣域實時精密導航定位服務和區(qū)域厘米級實時導航定位，可直接或間接地為地學、空間科學、海洋學、氣象學、環(huán)境科學、資源開發(fā)等領域提供高精度、地心、動態(tài)的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，滿足國內(nèi)外各類高精度用戶需求。

6 結束語

目前，410個國家基準站已經(jīng)全部建設完成并投入正式運行，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)星導航定位基準服務系統(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，以及廣域實時精密定位，可面向其他政府部門、企業(yè)和社會大眾提供導航定位服務，這對于推進現(xiàn)代測繪基準的廣泛使用，為用戶提供更高精度、范圍更廣的測繪地理信息服務，以及將對大力促進測繪地理信息應用產(chǎn)生顯著效果。