国家GNSS连续运行基准站系统设计与建设

2017-01-06武军郦

测绘通报 2016年12期

关键词：站网基准测绘

陈明,武军郦

(1. 国家基础地理信息中心,北京 100830； 2. 武汉大学测绘学院，湖北武汉 400079； 3. 导航与位置服务国家测绘地理信息局重点实验室，北京 100830)

国家GNSS连续运行基准站系统设计与建设

陈明1,2,3,武军郦1,3

(1. 国家基础地理信息中心,北京 100830； 2. 武汉大学测绘学院，湖北武汉 400079； 3. 导航与位置服务国家测绘地理信息局重点实验室，北京 100830)

介绍了国家GNSS连续运行基准站网建设的设计思路、布设原则、性能要求及系统组成部分，阐述了基准站基础设施施工、通信网络接入及防雷接地系统等施工建设的技术设计和建设要求，并对基准站设备安装、远程监控和数据传输等系统集成内容进行了描述，最后对系统应用进行了展望。

国家基准站；设计思路；基础设施建设；系统集成

国家GNSS连续运行基准站是国家现代测绘基准体系的核心内容，是国家大地基准框架的主体。其建设旨在获得高精度、稳定、连续的观测数据，维持国家三维地心坐标框架，同时提供站点的精确三维位置信息变化，提供实时定位和导航信息、GNSS卫星轨道信息及高精度连续的时频信号等。

“十二五”期间，国家测绘地理信息局建设完成了全国均匀分布的360个国家级基准站，构建了基于北斗卫星导航系统的国家卫星导航定位服务系统，解决了国家和地方坐标框架不统一的问题。各个省(区、市)测绘地理信息部门根据自身需求，建设完成了平均站间距为40～70 km的2100多个基准站，构建了省级卫星导航定位服务系统，部分省市已开始进行北斗卫星导航系统的升级改造，并积极推动北斗卫星导航系统的应用和推广。

一、设计思路

1. 总体思路

国家GNSS连续运行基准站实行有人看护、无人值守、高可靠性、全自动运转的运行方式，7×24小时连续跟踪观测卫星信号数据，并通过专用数据传输网络实时将数据传输到数据中心，具备多卫星系统的数据采集、完备性监测、可靠性分析及卫星定轨等多种功能。国家GNSS连续运行基准站能连续采集包括BDS、GPS、GLONASS和Galileo等多种卫星导航系统数据，可向用户提供各种等级的卫星星历和星钟差的数据服务，是支撑多功能导航应用服务体系的重要基础设施。

基于国家GNSS连续运行基准站在国家测绘基准体系中的重要性，站点技术设计遵循“高精度、高标准、先进性”的原则。基准站技术设计综合考虑了站网布设的合理性、多卫星系统兼容性、基础设施多功能集成化、标志设计先进性、系统负载均衡、网络架构和数据流程合理性、防雷系统高标准等方面的因素，并在全国范围内的国家级基准站和省级基准站网的建设中进行推广应用。

2. 布设原则

国家GNSS连续运行基准站设计中主要考虑国家坐标系统的维持，同时兼顾系统的实用性及地方应用。国家基准站均匀覆盖我国陆域国土，具有合理的分布密度，在全国各直辖市、省会城市及主要城市设站，保证这些地区基础测绘及经济建设发展的需要。同时为满足省级基准控制，平均每省至少布设3～5站，形成稳定的基准控制结构，建立地方与国家基准的紧密联系。站址要求选择稳定地质环境，远离中国板块活动断层和密集断裂带50 km以上，以及避开地震活动带等不稳定区域。布设时考虑选择与国家一、二等水准结点相邻，且要求国家连续运行基准站与国家高等级高程控制点关联。

站点设计为我国西部地区站间距离为150～250 km，经济较发达的东部地区平均站间距离约为70～100 km。通过构建国内规模最大的(360个站)国家级基准站网及最大的(210个站)北斗基准站网，满足国家和省级坐标框架的建立和维持，并为在全国范围为提供实时米级和分米级卫星导航定位服务打下坚实基础。

3. 性能要求

国家GNSS连续运行基准站建设的性能指标需求主要包括：埋设稳定、强度足够的观测墩，应能接收多卫星系统信号，信号并行通道不低于72个，接收机钟频的晶振日稳定性不低于10-8，接收机可至少同时设置2种不同的采样率且最高采样率不小于20 Hz，接入可靠、稳定、足够带宽的专用通信网络，可进行远程软件升级、远程复位、远程参数设置等远程控制操作，采用双路供电保证接收数据可靠，防雷接地电阻须小于4 Ω，采用B+C防雷技术。

二、系统组成

国家GNSS连续运行基准站包括观测系统、网络传输系统、供电系统、备份与监控系统、防雷接地系统、视频监控系统和基础设施等部分(如图1所示)。其中观测系统为基准站核心部分，其他各系统和设施均为其提供支撑。如UPS供电系统包括直流UPS和交流UPS两类，直流UPS专门为GNSS接收机和气象仪供电，以保证观测数据的连续不间断采集。

图1 基准站系统组成

三、基础设施建设

1. 施工建设

基准站并置GNSS观测标志、重力标志和水准标志，形成了集GNSS连续观测、绝对重力观测和水准联测等多种功能于一体的集成化基础设施。观测墩应为钢筋混凝土结构，观测墩墩体质心应位于当地冻土线以下0.5 m；观测墩建设在观测室内，观测墩高出地面一般为4 m，并且观测墩顶端应高出观测室屋顶面0.8 m以上。观测墩应与观测室的主要结构分离，以免影响观测墩的稳定性，观测墩与地面接合四周应做宽度5～10 cm，与观测室地基同深的隔振槽，内填粗沙避免振动带来的影响。观测墩底部设计建设1.5 m见方的基座，保证其观测墩质心在冻土线以下从而实现基础稳固。观测墩室内部分直径为0.5 m，室外部分直径38 cm，直径38 cm部分与现行主流扼流圈天线直径相当，使得多路径效应影响最小。土层观测墩地下部分尺寸规格见表1。

表1 土层观测墩地下部分尺寸规格

冻土线深度h/m坑深/m基座厚度/m基座规格地下墩体规格h≤140.51.5m×1.5m×0.5m1.0m×1.0m13(开挖)81.51.5m×1.5m×1.5m1.0m×1.0m

基准站设施多功能集成，观测墩和标志设计理念先进。如图2所示，强制对中标志底部设计为三脚爪标以保证标志和混凝土牢固密合，顶部设计为标志和对中杆严密套合的无螺纹设计，避免可能的螺丝松动，此外防天线线缆逆向转动的设计保证了GNSS天线长期稳定不变，该创新性设计体现了国家基准站优质、高效、精准、科学的理念。

图2 强制对中标志设计

2. 防雷接地系统

由于在基准站运行维护过程中，大多设备故障和损坏都是由雷击造成的，因此基准站防雷接地系统的标准和质量非常重要。国家基准站除建设了高质量的防雷地网和等电位连接带之外，还提高了防雷的标准。主要包括：①国家基准站设计要求防雷系统接地电阻小于4 Ω，高于一般建筑物10 Ω的防雷要求；②在此基础上，基准站所有设备和防雷地网均进行等电位连接，增强了感应雷损害的预防能力；③此外，增设了3种防浪涌设备，保障设备设施防雷安全。分别在GNSS接收机、路由器、配电箱等设备前端加设防浪涌设备，在关键设备再加一道防护。上述三级防雷系统，可防护三级危险度的强雷电，体现了国家级基准站建设设计的高标准和严要求的建设思路。

3. 通信网络接入

三级网络结构实现数据和网络资源的充分利用和共享交换。基准站网网络设计为三级网络结构，分别为基准站端、省级数据中心和国家数据中心。三级网络的IP地址统一规划，在省级数据中心增设专用网络设备，既能满足省级和国家数据中心对实时数据获取的要求，又可保证省级和国家数据中心均可直接访问和远程控制基准站。该设计思路为基准站今后的长期运行和运维管理提供保障，为故障解决上下联动提供了技术上的便利条件，并为下一步全国基准站数据共享交换打下基础。

四、系统集成

1. 设备安装

为满足国家GNSS连续运行基准站连续正常获取观测数据的需求，基准站配备了GNSS接收机、GNSS天线、数字气象仪、工控机、路由器、直流UPS、交流UPS、原子钟(核心站)及机柜等设备。在设备安装时，GNSS天线安装于GNSS观测墩顶部强制对中标志上，气象仪探头安装于基准站房屋侧墙(高度与GNSS天线齐平)，GNSS接收机、UPS主机等其他设备全部安装于观测室内的标准机柜中。基准站建设验收对基准站施工建设质量和设备系统集成安装分别检查验收，其中安装验收包括观测设备等的安装和配置、北斗等卫星信号跟踪观测、数据记录完整性、数据上传和远程监控等，并进行远程在线测试。基准站设备安装示意图如图3所示。

图3 设备集成安装示意图

设备系统架构和集成主要是为了保障基准站无人值守、长期运行。其中，为实现基准站数据连续观测、存储和备份，设计直流UPS和交流UPS双电源系统互为备份，并且直流UPS专为GNSS和气象设备的后备电源，可保障至少7天的观测数据采集。此外，设计的直流UPS电源可解决困难地区的电压不稳问题，实现平衡式供电。

2. 远程监控

基准站所有设备均包含网络通信模块，实现了国家和省级数据中心均可远程监控基准站各设备的运行状态，该设计是其他基准站所不具备的。在各国家基准站设计安装视频摄监控系统，监控室内设备、观测墩、室外环境变化和安全防护状况，对实现基准站无人值守起到重要作用。

3. 数据传输

国家GNSS连续运行基准站建设后，采用数据流和数据文件并行传输的方式。1 Hz采样率的数据流实时通过数据专网进行传输，数据文件采用FTP Push的方式进行传输，其中，30 s采样间隔的数据文件1天生成一个数据文件，1 s采样间隔的数据文件1小时生成一个数据文件，文件生成后通过网络传输到数据中心指定的目录下。数据文件传输示意图如图4所示。

图4 数据文件传输示意图

五、结束语

目前360个国家GNSS连续运行基准站已经建设完成，并向国家数据中心实时传输稳定有效的观测数据。作为卫星导航定位基准服务系统的重要组成部分，国家基准站可用于国家坐标框架建立与维持，以及广域实时精密定位，可面向其他政府部门、企业和社会大众提供导航定位服务，这对于推进现代测绘基准的广泛使用，为用户提高更高精度、范围更广的测绘地理信息服务，以及大力促进测绘地理信息应用将产生显著效果。

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Design and Construction of the National GNSS Continuous Operation Reference Stations

CHEN Ming,WU Junli

陈明,武军郦.国家GNSS连续运行基准站系统设计与建设[J].测绘通报，2016(12)：7-9.

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0389.