中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡流動型GNSS基準站

摘 要：針對中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡（簡稱“陸態(tài)網(wǎng)絡”）GNSS基準站的建設現(xiàn)狀，設計了流動型GNSS基準站，集成了觀測系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、移動平臺、通信系統(tǒng)等諸多系統(tǒng)。不但實現(xiàn)了臨時GNSS基準站和局域差分基準站的架設能力，而且對固定GNSS基準站的功能實現(xiàn)了靈活、快速、有效的延伸，更重要的是可作為行業(yè)示范項目，擴展測繪單位或企業(yè)的作業(yè)領域、提高測量效率。

關鍵詞：陸態(tài)網(wǎng)絡；GNSS；基準站

1 概述

陸態(tài)網(wǎng)絡是國家發(fā)展和改革委員在“十一五”期間列入國家高技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展項目的國家重大科技基礎設施項目之一，由中國地震局、中國科學院、國家測繪地理信息局、中國氣象局和教育部等多部委共同建設。陸態(tài)網(wǎng)絡以全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)（GNSS）為主，輔以長基線干涉測量（VLBI）、人衛(wèi)激光測距（SLR）和合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）等空間技術，結合精密重力和精密水準等傳統(tǒng)大地測量技術，對中國大陸極其鄰區(qū)的地球巖石圈、水圈和大氣圈變化進行多手段的、實時與非實時相結合的綜合觀測。GNSS觀測手段建設了260個連續(xù)觀測的固定GNSS基準站和2000個不定期觀測固定GNSS區(qū)域站，但是基準站在有些區(qū)域的臺站分布稀疏程度和整網(wǎng)密度還不盡合理。從技術應用或科學研究的角度來說，陸態(tài)網(wǎng)絡已經(jīng)實現(xiàn)了中國大陸地殼運動大尺度變化圖像的獲?。?00～1000km量級），但如要揭示小尺度的地殼形變特征，需連續(xù)準確地獲取與地震孕育有關的、響應尺度的次級地塊運動，特別是獲取次級地塊之間的差異運動隨時間變化的精細圖像，才能有效揭示地殼細部形變信息，完成了流動型GNSS基準站的設計與建設工作，可作為固定型GNSS站的有效補充設施和功能延伸站點。

2 數(shù)據(jù)處理模式設計

針對野外測量工作的特點，為方便測量人員應對野外的復雜工作環(huán)境，可以根據(jù)工作需要采用遠端和站端兩種數(shù)據(jù)處理方式，從數(shù)據(jù)流程的角度來看兩種處理方式的工作模式如下：

2.1 遠端處理

流動基準站將GNSS觀測數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)中心，由數(shù)據(jù)中心匯集周邊基準站的觀測數(shù)據(jù)，并對本站數(shù)據(jù)和周邊基準站數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，解算本站的精確坐標位置，將基準站坐標傳輸?shù)奖菊?。流動基準站生成RTCM信息，利用電臺或3G網(wǎng)絡發(fā)送給附近的移動測量用戶。

2.2 站端處理

流動基準站將GNSS觀測數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)中心，同時由數(shù)據(jù)中心匯集周邊基準站的觀測數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)娇梢苿踊鶞收?，可移動基準站內計算機利用專業(yè)軟件進行數(shù)據(jù)處理，解算本站的精確坐標位置，可移動基準站生成RTCM信息，利用電臺或3G網(wǎng)絡發(fā)送給附近的移動測量用戶。

3 系統(tǒng)組成及功能

考慮了流動GNSS基準站靈活部署、GNSS基準站數(shù)據(jù)接收、GNSS觀測的RTK功能實現(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸、連續(xù)長時間供電等需求，流動型GNSS基準站設計從功能上分為觀測系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與備份系統(tǒng)和裝載平臺等五個部分（圖1）。

3.1 觀測系統(tǒng)

觀測系統(tǒng)是流動型GNSS基準站的核心功能實現(xiàn)系統(tǒng)，主要有GNSS接收天線、基準站GNSS接收機、RTK電臺和接收機，另可配置氣象儀作為輔助觀測設備獲取溫度、濕度、氣壓等氣象參數(shù)。

為免受制于單一衛(wèi)星系統(tǒng)、提高觀測的系統(tǒng)安全，GNSS天線應能夠同時接收到目前已有的導航衛(wèi)星系統(tǒng)包括GPS、GLONASS、GALILEO等衛(wèi)星的信號。GNSS天線應具備同步跟蹤地平仰角0°以上的所有可見的GNSS衛(wèi)星的能力，具有抗多路徑效應的能力，能在極端氣象環(huán)境下長期正常穩(wěn)定工作。流動GNSS基準站架設時，選擇接收視野開闊的場地，將天線置于裝載平臺之外的穩(wěn)定裝置上。

GNSS接收機是可移動GNSS基準站中的核心設備，其功能是對天線接收到的導航衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星信號進行跟蹤、處理，并測量計算出觀測標墩上標志點的位置，同時通過電臺向附近的動態(tài)測量用戶發(fā)送觀測數(shù)據(jù)和相關信息，實現(xiàn)RTK測量。

為了實現(xiàn)流動GNSS基準站的RTK功能，數(shù)字電臺是必不可少的附件設施，其功能是把GNSS接收機的觀測數(shù)據(jù)和相關信息發(fā)送出去，附近的動態(tài)測量用戶也通過電臺收到基準站的觀測信息并與用戶站的觀測數(shù)據(jù)進行差分處理，得到用戶觀測點的精確位置。

3.2 供電系統(tǒng)

流動GNSS基準站的供電，應保障觀測系統(tǒng)、傳輸通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)備份與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的正常運行。根據(jù)可移動GNSS基準站在野外的流動特性，供電電源系統(tǒng)主要以直流供電電源系統(tǒng)為主，配備蓄電池組，能提供流動GNSS基準站觀測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與備份系統(tǒng)等設備不間斷供電。為保證基準站正常運行，電池組要求有24小時以上不間斷供電能力。交流電源可由電池組經(jīng)逆變產(chǎn)生。另外，還應配有外接220V交流電源的接口，在有市電供電的地方接入公用電網(wǎng)。同時配備后備發(fā)電機，滿足直流供電電源系統(tǒng)蓄電池組充電需求。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由站端通信、中心站節(jié)點通信和網(wǎng)絡安全三部分組成。另外，在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中可加入海事衛(wèi)星Inmarsat通信系統(tǒng)實現(xiàn)全球語音通話功能，特別是在手機信號沒覆蓋或信號微弱地區(qū)可實現(xiàn)語音通話，以便于通信交流或救急救災聯(lián)絡。

站端通信：在野外測量的大部分地方，無法布設專線通信網(wǎng)絡，流動GNSS基準站數(shù)據(jù)傳輸只能通過無線方式實現(xiàn)，除了要滿足基準站與數(shù)據(jù)中心、附近移動測量用戶之間的通信功能外，還需具備可移動性、高安全性、架設快捷性和操作方便性等特點?；鶞收九c數(shù)據(jù)中心通訊選用VSAT、3G等無線數(shù)據(jù)通信方式，與附近移動測量用戶的數(shù)據(jù)交換通過數(shù)字電臺或3G實現(xiàn)。VSAT、3G組網(wǎng)比較靈活，可以根據(jù)需要組合成各種拓樸結構的業(yè)務網(wǎng)絡，以滿足GNSS數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

中心站節(jié)點通信：中心站節(jié)點負責匯集可移動基準站，并接入陸態(tài)網(wǎng)系統(tǒng)國家中心，實現(xiàn)流動GNSS基準站與陸態(tài)網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的連接。中心站節(jié)點包括3G通信接入?yún)R聚、衛(wèi)星中心站、VOIP語音系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)接入、網(wǎng)絡安全等。

網(wǎng)絡安全：考慮到陸態(tài)網(wǎng)絡系統(tǒng)的整體安全要求以及移動基準站的特殊性，在使用3G系統(tǒng)進行通信的過程中，使用VPN技術對互聯(lián)網(wǎng)信道進行封裝加密，并在封裝的安全信道內對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進行二次加密，保障系統(tǒng)的安全性要求。衛(wèi)星系統(tǒng)則采用與固定基準站相同的通信模式，即使用專用信道傳輸，保證了通信的安全性。

3.4 數(shù)據(jù)處理與備份系統(tǒng)

主要功能為GNSS觀測數(shù)據(jù)下載存儲與野外數(shù)據(jù)處理，由車載計算機完成。數(shù)據(jù)處理與備份系統(tǒng)軟件應具備如下功能：多類型GNSS觀測數(shù)據(jù)下載、存儲、整理與計算，獲得本站的精確坐標位置。

3.5 裝載平臺

裝載平臺是流動GNSS基準站的主要載體?？紤]到作業(yè)區(qū)遍布全國，裝載平臺需具備越野性能、擁有一定工作和生活空間、安全性和可靠性俱佳的汽車，如作業(yè)區(qū)選擇高原地區(qū)，還需增加高原補氧設施。

4 接口分析

流動GNSS基準站的核心是觀測系統(tǒng)，通過接口與數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)連接實現(xiàn)基準站功能。系統(tǒng)之間采用不同的接口和鏈路實現(xiàn)連接。

4.1 觀測系統(tǒng)與備份系統(tǒng)接口分析

觀測系統(tǒng)的主體是GNSS接收機，通過GNSS天線接口、串口獲取GNSS衛(wèi)星信號、氣象信息，備份存儲在計算機中。

觀測系統(tǒng)連接可采用網(wǎng)絡接口RJ45或串口RS232/USB，均可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集、存儲。

4.2 觀測系統(tǒng)與傳輸系統(tǒng)接口分析

可移動GNSS基準站傳輸系統(tǒng)主要采用無線通信方式。觀測系統(tǒng)的GNSS接收機通過數(shù)據(jù)接口與計算機連接，計算機采用網(wǎng)絡接口RJ45通過無線網(wǎng)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

4.3 觀測系統(tǒng)與移動測量用戶接口分析

可移動GNSS基準站具有RTK基站的功能，其與移動測量用戶的接口是數(shù)字電臺，通過RTCM數(shù)據(jù)格式進行通訊。

綜上，基準站作為一個有機整體，各系統(tǒng)間接口分析如表1。

5 系統(tǒng)集成

基準站系統(tǒng)集成方式為設備集成、數(shù)據(jù)集成、供電集成和防雷集成四方面。設備集成是通過在汽車內部按照各硬件體積和走線方式架設機柜，將各種設備牢固安置在機柜上，同時要做好防顛防震措施；數(shù)據(jù)集成包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲與管理和監(jiān)控數(shù)據(jù)信息的集成；供電集成是將UPS機頭、UPS電池、電流逆變器、小型發(fā)電機和電源線路等有序簡潔集成；防雷集成要考慮車輛防雷、觀測設備防雷、電源防雷和網(wǎng)絡信號防雷等正系統(tǒng)防雷方案和設備集成。

6 結束語

流動GNSS基準站是針對陸態(tài)網(wǎng)絡基準站的構成現(xiàn)狀，為實現(xiàn)固定GNSS基準站和區(qū)域站的功能延伸而設計建設的。采用越野性能好的汽車為裝載平臺，將GNSS觀測系統(tǒng)和其他必要的輔助系統(tǒng)集成為一個有機平臺，只要是越野車輛可以到達的地方，就可以搭建臨時觀測站，起到GNSS基準站和局域差分基準站的作用，在地震應急觀測、快速測繪工程站點部署、氣象應急響應以及臨時GNSS基準站加密部署等應用需求中可發(fā)揮重要作用。由系統(tǒng)功能特點可看出該系統(tǒng)可快速部署臨時GNSS基準站，作為固定型GNSS站的有效補充設施和功能延伸站點。另外，該系統(tǒng)可作為行業(yè)示范項目，測繪單位或企業(yè)可以根據(jù)各自測繪工作特點，改造該系統(tǒng)中的部分功能形成適應其他測繪工作的流動GNSS測量系統(tǒng)，擴展測繪單位或企業(yè)的作業(yè)領域、提高測量效率。

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基金項目：地震行業(yè)科研專項（No.201308004）。

作者簡介：韓宇飛，男，1981年生，山西長治人，漢族，碩士，助理研究員，項目主管，主要從事陸態(tài)網(wǎng)絡項目管理、重力觀測數(shù)據(jù)處理與應用研究。