國家GNSS連續運行基準站系統設計與建設

陳 明,武軍酈

(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)

國家GNSS連續運行基準站系統設計與建設

陳 明1,2,3,武軍酈1,3

(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)

介紹了國家GNSS連續運行基準站網建設的設計思路、布設原則、性能要求及系統組成部分，闡述了基準站基礎設施施工、通信網絡接入及防雷接地系統等施工建設的技術設計和建設要求，并對基準站設備安裝、遠程監控和數據傳輸等系統集成內容進行了描述，最后對系統應用進行了展望。

國家基準站；設計思路；基礎設施建設；系統集成

國家GNSS連續運行基準站是國家現代測繪基準體系的核心內容，是國家大地基準框架的主體。其建設旨在獲得高精度、穩定、連續的觀測數據，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信息、GNSS衛星軌道信息及高精度連續的時頻信號等。

“十二五”期間，國家測繪地理信息局建設完成了全國均勻分布的360個國家級基準站，構建了基于北斗衛星導航系統的國家衛星導航定位服務系統，解決了國家和地方坐標框架不統一的問題。各個省(區、市)測繪地理信息部門根據自身需求，建設完成了平均站間距為40～70 km的2100多個基準站，構建了省級衛星導航定位服務系統，部分省市已開始進行北斗衛星導航系統的升級改造，并積極推動北斗衛星導航系統的應用和推廣。

一、設計思路

1. 總體思路

國家GNSS連續運行基準站實行有人看護、無人值守、高可靠性、全自動運轉的運行方式，7×24小時連續跟蹤觀測衛星信號數據，并通過專用數據傳輸網絡實時將數據傳輸到數據中心，具備多衛星系統的數據采集、完備性監測、可靠性分析及衛星定軌等多種功能。國家GNSS連續運行基準站能連續采集包括BDS、GPS、GLONASS和Galileo等多種衛星導航系統數據，可向用戶提供各種等級的衛星星歷和星鐘差的數據服務，是支撐多功能導航應用服務體系的重要基礎設施。

基于國家GNSS連續運行基準站在國家測繪基準體系中的重要性，站點技術設計遵循“高精度、高標準、先進性”的原則?；鶞收炯夹g設計綜合考慮了站網布設的合理性、多衛星系統兼容性、基礎設施多功能集成化、標志設計先進性、系統負載均衡、網絡架構和數據流程合理性、防雷系統高標準等方面的因素，并在全國范圍內的國家級基準站和省級基準站網的建設中進行推廣應用。

2. 布設原則

國家GNSS連續運行基準站設計中主要考慮國家坐標系統的維持，同時兼顧系統的實用性及地方應用。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站，保證這些地區基礎測繪及經濟建設發展的需要。同時為滿足省級基準控制，平均每省至少布設3～5站，形成穩定的基準控制結構，建立地方與國家基準的緊密聯系。站址要求選擇穩定地質環境，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定區域。布設時考慮選擇與國家一、二等水準結點相鄰，且要求國家連續運行基準站與國家高等級高程控制點關聯。

站點設計為我國西部地區站間距離為150～250 km，經濟較發達的東部地區平均站間距離約為70～100 km。通過構建國內規模最大的(360個站)國家級基準站網及最大的(210個站)北斗基準站網，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星導航定位服務打下堅實基礎。

3. 性能要求

國家GNSS連續運行基準站建設的性能指標需求主要包括：埋設穩定、強度足夠的觀測墩，應能接收多衛星系統信號，信號并行通道不低于72個，接收機鐘頻的晶振日穩定性不低于10-8，接收機可至少同時設置2種不同的采樣率且最高采樣率不小于20 Hz，接入可靠、穩定、足夠帶寬的專用通信網絡，可進行遠程軟件升級、遠程復位、遠程參數設置等遠程控制操作，采用雙路供電保證接收數據可靠，防雷接地電阻須小于4 Ω，采用B+C防雷技術。

二、系統組成

國家GNSS連續運行基準站包括觀測系統、網絡傳輸系統、供電系統、備份與監控系統、防雷接地系統、視頻監控系統和基礎設施等部分(如圖1所示)。其中觀測系統為基準站核心部分，其他各系統和設施均為其提供支撐。如UPS供電系統包括直流UPS和交流UPS兩類，直流UPS專門為GNSS接收機和氣象儀供電，以保證觀測數據的連續不間斷采集。

圖1 基準站系統組成

三、基礎設施建設

1. 施工建設

基準站并置GNSS觀測標志、重力標志和水準標志，形成了集GNSS連續觀測、絕對重力觀測和水準聯測等多種功能于一體的集成化基礎設施。觀測墩應為鋼筋混凝土結構，觀測墩墩體質心應位于當地凍土線以下0.5 m；觀測墩建設在觀測室內，觀測墩高出地面一般為4 m，并且觀測墩頂端應高出觀測室屋頂面0.8 m以上。觀測墩應與觀測室的主要結構分離，以免影響觀測墩的穩定性，觀測墩與地面接合四周應做寬度5～10 cm，與觀測室地基同深的隔振槽，內填粗沙避免振動帶來的影響。觀測墩底部設計建設1.5 m見方的基座，保證其觀測墩質心在凍土線以下從而實現基礎穩固。觀測墩室內部分直徑為0.5 m，室外部分直徑38 cm，直徑38 cm部分與現行主流扼流圈天線直徑相當，使得多路徑效應影響最小。土層觀測墩地下部分尺寸規格見表1。

表1 土層觀測墩地下部分尺寸規格

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

基準站設施多功能集成，觀測墩和標志設計理念先進。如圖2所示，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天線長期穩定不變，該創新性設計體現了國家基準站優質、高效、精準、科學的理念。

圖2 強制對中標志設計

2. 防雷接地系統

由于在基準站運行維護過程中，大多設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國家基準站設計要求防雷系統接地電阻小于4 Ω，高于一般建筑物10 Ω的防雷要求；②在此基礎上，基準站所有設備和防雷地網均進行等電位連接，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，在關鍵設備再加一道防護。上述三級防雷系統，可防護三級危險度的強雷電，體現了國家級基準站建設設計的高標準和嚴要求的建設思路。

3. 通信網絡接入

三級網絡結構實現數據和網絡資源的充分利用和共享交換?；鶞收揪W網絡設計為三級網絡結構，分別為基準站端、省級數據中心和國家數據中心。三級網絡的IP地址統一規劃，在省級數據中心增設專用網絡設備，既能滿足省級和國家數據中心對實時數據獲取的要求，又可保證省級和國家數據中心均可直接訪問和遠程控制基準站。該設計思路為基準站今后的長期運行和運維管理提供保障，為故障解決上下聯動提供了技術上的便利條件，并為下一步全國基準站數據共享交換打下基礎。

四、系統集成

1. 設備安裝

為滿足國家GNSS連續運行基準站連續正常獲取觀測數據的需求，基準站配備了GNSS接收機、GNSS天線、數字氣象儀、工控機、路由器、直流UPS、交流UPS、原子鐘(核心站)及機柜等設備。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(高度與GNSS天線齊平)，GNSS接收機、UPS主機等其他設備全部安裝于觀測室內的標準機柜中。基準站建設驗收對基準站施工建設質量和設備系統集成安裝分別檢查驗收，其中安裝驗收包括觀測設備等的安裝和配置、北斗等衛星信號跟蹤觀測、數據記錄完整性、數據上傳和遠程監控等，并進行遠程在線測試。基準站設備安裝示意圖如圖3所示。

圖3 設備集成安裝示意圖

設備系統架構和集成主要是為了保障基準站無人值守、長期運行。其中，為實現基準站數據連續觀測、存儲和備份，設計直流UPS和交流UPS雙電源系統互為備份，并且直流UPS專為GNSS和氣象設備的后備電源，可保障至少7天的觀測數據采集。此外，設計的直流UPS電源可解決困難地區的電壓不穩問題，實現平衡式供電。

2. 遠程監控

基準站所有設備均包含網絡通信模塊，實現了國家和省級數據中心均可遠程監控基準站各設備的運行狀態，該設計是其他基準站所不具備的。在各國家基準站設計安裝視頻攝監控系統，監控室內設備、觀測墩、室外環境變化和安全防護狀況，對實現基準站無人值守起到重要作用。

3. 數據傳輸

國家GNSS連續運行基準站建設后，采用數據流和數據文件并行傳輸的方式。1 Hz采樣率的數據流實時通過數據專網進行傳輸，數據文件采用FTP Push的方式進行傳輸，其中，30 s采樣間隔的數據文件1天生成一個數據文件，1 s采樣間隔的數據文件1小時生成一個數據文件，文件生成后通過網絡傳輸到數據中心指定的目錄下。數據文件傳輸示意圖如圖4所示。

圖4 數據文件傳輸示意圖

五、結束語

目前360個國家GNSS連續運行基準站已經建設完成，并向國家數據中心實時傳輸穩定有效的觀測數據。作為衛星導航定位基準服務系統的重要組成部分，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、企業和社會大眾提供導航定位服務，這對于推進現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，以及大力促進測繪地理信息應用將產生顯著效果。

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Design and Construction of the National GNSS Continuous Operation Reference Stations

CHEN Ming,WU Junli

陳明,武軍酈.國家GNSS連續運行基準站系統設計與建設[J].測繪通報，2016(12)：7-9.

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0389.

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專項(201512006)

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

P228.4

B

0494-0911(2016)12-0007-03