陳明,武軍酈

(1.國家基礎(chǔ)地理信息中心,北京 100048;2.國家測繪地理信息局導(dǎo)航與位置服務(wù)重點實驗室,北京 100048)

?

GNSS連續(xù)運行基準(zhǔn)站網(wǎng)運行維護(hù)的相關(guān)問題探討

陳明1,2,武軍酈1，2

(1.國家基礎(chǔ)地理信息中心,北京 100048;2.國家測繪地理信息局導(dǎo)航與位置服務(wù)重點實驗室,北京 100048)

摘要：國內(nèi)GNSS連續(xù)運行基準(zhǔn)站網(wǎng)建設(shè)全面展開,很多省、市建成或正在建設(shè)基準(zhǔn)站網(wǎng),部分的地區(qū)已經(jīng)開始對社會提供服務(wù)?；鶞?zhǔn)站網(wǎng)運行維護(hù)主要考慮坐標(biāo)框架維護(hù)、數(shù)據(jù)管理、設(shè)施維護(hù)、安全管理與應(yīng)急保障、應(yīng)用服務(wù)、日常運行管理等方面內(nèi)容。本文對基準(zhǔn)站網(wǎng)運行維護(hù)規(guī)范進(jìn)行了介紹,結(jié)合基準(zhǔn)站網(wǎng)運行維護(hù)的工作實踐,對基準(zhǔn)站網(wǎng)運行維護(hù)的相關(guān)技術(shù)問題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：GNSS;基準(zhǔn)站網(wǎng);運行維護(hù);規(guī)范

0引言

當(dāng)前,我國全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運行基準(zhǔn)站網(wǎng)建設(shè)已全面展開。北京、香港、上海、深圳、天津、武漢、昆明、成都等地已建立了城市的服務(wù)系統(tǒng),廣東、江蘇、浙江、河北、山西、江西、福建、安徽、山東、湖南、廣西、內(nèi)蒙古、河南、湖北、貴州、吉林等省份建成或正在建設(shè)覆蓋全省的連續(xù)運行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng),部分省市基準(zhǔn)站網(wǎng)已經(jīng)開始對社會提供服務(wù)。除此之外,國家測繪地理信息局組織實施的覆蓋全國的國家全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運行基準(zhǔn)站網(wǎng)也正在建設(shè)中[1]。

根據(jù)目前掌握的情況,國內(nèi)各省份已建成1 200多個區(qū)域級連續(xù)運行基準(zhǔn)站,在建或規(guī)劃的也有700多個。各地區(qū)域級基準(zhǔn)站網(wǎng)建成后,其運行維護(hù)方面如無可供參考的行業(yè)或國家標(biāo)準(zhǔn),缺少相關(guān)的指導(dǎo)規(guī)范,容易造成基準(zhǔn)站網(wǎng)系統(tǒng)坐標(biāo)框架不統(tǒng)一,系統(tǒng)運行狀況混亂,系統(tǒng)資源利用率低等運行維護(hù)問題,對今后我國基準(zhǔn)站網(wǎng)的建設(shè)和維持也會造成不利的影響。面對這種情況,需要制定關(guān)于基準(zhǔn)站網(wǎng)在運行維護(hù)中所涉及到的相關(guān)技術(shù)要求,如坐標(biāo)框架維護(hù)、數(shù)據(jù)管理、設(shè)施維護(hù)、安全管理與應(yīng)急保障、應(yīng)用服務(wù)、日常運行管理等。此外,基準(zhǔn)站產(chǎn)品及服務(wù)尚未統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),難以實現(xiàn)市、省、國家的基準(zhǔn)站網(wǎng)的互聯(lián)互通互操作,也是造成數(shù)據(jù)、服務(wù)等資源共享方面的技術(shù)障礙[2-3]。

1運行維護(hù)中的主要工作

由于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運行基準(zhǔn)站網(wǎng)涉及信息技術(shù)、導(dǎo)航定位、通訊以及精密數(shù)據(jù)處理等各領(lǐng)域?；鶞?zhǔn)站網(wǎng)的運行維護(hù)是保障基準(zhǔn)站網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、成果服務(wù)等的重要環(huán)節(jié),主要技術(shù)內(nèi)容應(yīng)包括:坐標(biāo)框架維護(hù)方式和更新周期、基準(zhǔn)站網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲與備份、軟硬件維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、安全和應(yīng)急保障措施、應(yīng)用服務(wù)的內(nèi)容和管理、設(shè)備巡檢、資料歸檔等。

1.1坐標(biāo)框架維護(hù)

坐標(biāo)框架是基準(zhǔn)站網(wǎng)的基礎(chǔ),國家及區(qū)域基準(zhǔn)站網(wǎng)的坐標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)保持一致性,根據(jù)國家相關(guān)要求,我國應(yīng)統(tǒng)一采用2000國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)。對于國家基準(zhǔn)站網(wǎng)而言,國家坐標(biāo)框架應(yīng)定期進(jìn)行維護(hù),解算并更新基準(zhǔn)站坐標(biāo)值及速度場,與國際IGS跟蹤站進(jìn)行聯(lián)合處理,建立與國際坐標(biāo)框架之間的聯(lián)系。區(qū)域基準(zhǔn)站網(wǎng)應(yīng)在國家坐標(biāo)框架下進(jìn)行定期更新坐標(biāo)成果[4-5]。

1.2數(shù)據(jù)管理與服務(wù)

基準(zhǔn)站網(wǎng)數(shù)據(jù)主要包括GNSS原始觀測數(shù)據(jù)、RINEX格式數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,可以產(chǎn)出精密星歷、衛(wèi)星鐘差、基準(zhǔn)站坐標(biāo)值日解周解月解年解、基準(zhǔn)站坐標(biāo)變化時間序列、基準(zhǔn)站國家基準(zhǔn)站網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)主要包括基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)、基準(zhǔn)站坐標(biāo)值、基準(zhǔn)站坐標(biāo)時間序列、速度場、超快速、快速、事后精密星歷、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換服務(wù)、電離層和對流層模型、在線PPP服務(wù)、事后精密數(shù)據(jù)處理服務(wù)和其他相關(guān)服務(wù)。區(qū)域基準(zhǔn)站網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)主要包括基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)、基準(zhǔn)站坐標(biāo)值、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)、事后精密數(shù)據(jù)處理服務(wù)和其他相關(guān)服務(wù)。

對于上述數(shù)據(jù)與成果,在基準(zhǔn)站網(wǎng)運行維護(hù)中,應(yīng)規(guī)范管理,建立穩(wěn)定機(jī)制,將數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)備份與入庫、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)服務(wù)等環(huán)節(jié)統(tǒng)一管理,將一系列工作流程化、自動化,保證數(shù)據(jù)資源的完整性與應(yīng)用服務(wù)的穩(wěn)定性。

1.3設(shè)施維護(hù)

基準(zhǔn)站主要包括GNSS接收機(jī)、GNSS天線、氣象儀、不間斷電源、網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備、防雷設(shè)備等設(shè)備,各設(shè)備應(yīng)準(zhǔn)確登記設(shè)備信息,定期檢測和更新。設(shè)備參數(shù)設(shè)置更改后或設(shè)備更新時,應(yīng)及時做好記錄。并應(yīng)建立基準(zhǔn)站設(shè)備運轉(zhuǎn)報警機(jī)制。通過數(shù)據(jù)中心軟件實現(xiàn)基準(zhǔn)站設(shè)備運行異常的報警,從而能夠及時發(fā)現(xiàn)問題并處理[6]。

數(shù)據(jù)中心主要包括服務(wù)器、磁盤陣列、網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備、不間斷電源等設(shè)備,硬件配置應(yīng)具備一定的冗余度。建立磁盤監(jiān)控與整理機(jī)制,設(shè)置系統(tǒng)控制參數(shù)和進(jìn)行系統(tǒng)運行監(jiān)視,對計算機(jī)磁盤空間進(jìn)行監(jiān)控和整理。此外,應(yīng)定期對數(shù)據(jù)中心局域網(wǎng)和基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測與維護(hù),檢測內(nèi)容包括:網(wǎng)絡(luò)設(shè)備工作狀態(tài)、帶寬、傳輸速率、誤碼率、延遲時間、丟包率、網(wǎng)絡(luò)安全等。

2運行維護(hù)技術(shù)問題探討

2.1接收機(jī)檢測方法、檢定

按照《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量型接收機(jī)檢定規(guī)程》(CH/T 8016),基準(zhǔn)站接收機(jī)運行過程中的檢測應(yīng)屬于B類檢測,需進(jìn)行如下項目檢測:接收機(jī)系統(tǒng)檢視、接收機(jī)通電檢驗、內(nèi)部噪聲水平測試、接收機(jī)頻標(biāo)穩(wěn)定性檢驗和數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價、GNSS接收機(jī)附件檢驗等。接收機(jī)系統(tǒng)檢視、接收機(jī)通電檢驗項目、GNSS接收機(jī)附件檢驗可通過基準(zhǔn)站的巡視檢查工作來完成;接收機(jī)頻標(biāo)穩(wěn)定性檢驗和數(shù)據(jù)質(zhì)量利用高精度分析軟件進(jìn)行的殘差分析統(tǒng)計的結(jié)果和數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查分析結(jié)果來評價。由于基準(zhǔn)站GPS接收機(jī)需要連續(xù)運行,設(shè)備如果拆卸,將影響站點坐標(biāo)的長期穩(wěn)定,無法做到送檢,內(nèi)部噪聲水平測試無法采用常規(guī)零基線和超短基線的方法進(jìn)行,可不進(jìn)行此項檢測。

2.2變化更新周期

當(dāng)全球坐標(biāo)框架發(fā)生變化、更新時,或由于地殼運動、地面沉降等自然或人為因素造成基準(zhǔn)站顯著位移時,國家坐標(biāo)框架應(yīng)適時更新,更新基準(zhǔn)站坐標(biāo)值及速度場,與國際IGS跟蹤站進(jìn)行聯(lián)合解算,建立與國際坐標(biāo)框架之間的聯(lián)系。

區(qū)域坐標(biāo)框架應(yīng)根據(jù)國家坐標(biāo)框架變化及時更新。區(qū)域基準(zhǔn)站網(wǎng)內(nèi)個別基準(zhǔn)站發(fā)生顯著位移(平面位置變化超過2 cm或高程變化超過3 cm)時,應(yīng)及時更新基準(zhǔn)站坐標(biāo)。當(dāng)基準(zhǔn)站累計更新數(shù)量達(dá)到30%時,應(yīng)進(jìn)行全網(wǎng)更新。下面根據(jù)國內(nèi)基準(zhǔn)站網(wǎng)系統(tǒng)的實際建設(shè)經(jīng)驗總結(jié),以江蘇省基準(zhǔn)站網(wǎng)為例說明上述指標(biāo)要求。

網(wǎng)絡(luò)RTK實時定位精度設(shè)計指標(biāo)一般定為:平面±3 cm,高程±5 cm.為了實時保證網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)參考基準(zhǔn)的現(xiàn)勢性,必須要進(jìn)行基準(zhǔn)站坐標(biāo)的更新,且更新的閾值應(yīng)該小于網(wǎng)絡(luò)RTK實時定位的精度,根據(jù)經(jīng)驗值定為平面2 cm,高程3 cm.根據(jù)江蘇省對70個基準(zhǔn)站網(wǎng)五年來的數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示,江蘇地區(qū)基準(zhǔn)站每年的沉降量超過1 cm的站點有10個(具體統(tǒng)計見表2),最嚴(yán)重的地區(qū)可達(dá)每年7 cm.為了保持基準(zhǔn)站坐標(biāo)的現(xiàn)勢性,必須要及時更新基準(zhǔn)站坐標(biāo)。且當(dāng)基準(zhǔn)站坐標(biāo)的變化量較大時,跟周邊基準(zhǔn)站無法兼容,進(jìn)而無法完成相應(yīng)的基線解算,不能正常對外提供差分定位服務(wù)[7]。

表1　江蘇基準(zhǔn)站網(wǎng)站點沉降速率大于

2.3數(shù)據(jù)質(zhì)量

連續(xù)運行基準(zhǔn)站網(wǎng)作為國家和區(qū)域的坐標(biāo)參考框架,觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量好壞直接影響到系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。目前對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析的軟件主要是TEQC軟件。TEQC是UNAVCO研制的GPS/GLONASS數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件,主要功能包括:格式轉(zhuǎn)換、編輯和質(zhì)量檢核。其中的主要原理是利用偽距觀測值和載波相位觀測值的線性組合來進(jìn)行GNSS數(shù)據(jù)中的誤差估計,可以反映出GNSS數(shù)據(jù)的電離層延遲、多路徑效應(yīng)、接收機(jī)周跳、衛(wèi)星信號信噪比等信息,能快速而且準(zhǔn)確地評定GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量。TEQC是通過數(shù)據(jù)可用率、多路徑效應(yīng)、CSR和信噪比來評定。

1) 數(shù)據(jù)可用率

數(shù)據(jù)可用率為有效歷元數(shù)據(jù)占總觀測歷元的比率,可以反應(yīng)出基準(zhǔn)站附近的遮擋、多路徑等綜合影響,當(dāng)數(shù)據(jù)可用率低于85%時,基準(zhǔn)站需要變更站址。

2) 多路徑效應(yīng)

基準(zhǔn)站周邊電磁環(huán)境的干擾、高大建筑物的折射以及如樹木等障礙物的遮擋均會產(chǎn)生多路徑效應(yīng)。TEQC中反映L1和L2波段多路徑效應(yīng)的是MP1和MP2數(shù)值,其計算如式(1)和式(2)所示。其中p1和p2分別是雙頻偽距觀測值;φ1和φ2為相位觀測值;α為L1和L2波段的頻率值之比的平方。通常,TEQC的結(jié)果文件里是輸出觀測時段MP1、MP2的均方差(RMS)值,同時結(jié)合CSR,這3個值能較好地反映出基準(zhǔn)站附近的觀測環(huán)境以及觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

(1)

(2)

3) CSR

周跳是指在GPS接收機(jī)載波跟蹤中由于臨時失鎖,導(dǎo)致載波相位觀測中整周計數(shù)出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象。TEQC中采用電離層殘差方法進(jìn)行周跳的探測與評定,處理結(jié)果文件中以o/slips值來表示觀測值和周跳比,但是實際中,o/slips通常以另外一種形式CSR 來表現(xiàn),如式(3)。CSR不僅僅反映了觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量中的周跳信息,同時也反映了該接收機(jī)周跳修復(fù)能力。

(3)

2.4網(wǎng)絡(luò)延遲指標(biāo)

網(wǎng)絡(luò)延遲指標(biāo)一般取為不大于1 s.由于目前主流的網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)軟件要求基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)延遲不大于1 s,數(shù)據(jù)中心軟件模型解算是每秒解算一次,同時流動站RTK采樣歷元間隔一般也是1 s,所以延遲時間應(yīng)<1 s.如果基準(zhǔn)站延遲時間過長,則該基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)將不參與整網(wǎng)解算,會影響差分信息的質(zhì)量。而網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)中流動站用戶定位頻率通常為1 Hz,如果流動站用戶數(shù)據(jù)延遲時間過長,會直接影響流動站差分改正信息的接收。故要求所有基準(zhǔn)站及流動站相對于數(shù)據(jù)中心的延遲小于1 s[8].

3結(jié)束語

連續(xù)運行基準(zhǔn)站網(wǎng)已在全國鋪開,基準(zhǔn)站建設(shè)方面已有建設(shè)規(guī)范以及國家級技術(shù)規(guī)范可供參考。而建成之后的運行維護(hù)和應(yīng)用,雖有部分省市已面向社會提供服務(wù),但目前還處于逐漸成熟的階段。本文結(jié)合基準(zhǔn)站網(wǎng)運行維護(hù)規(guī)范中關(guān)注的一些問題進(jìn)行了探討,并結(jié)合實例,對一些指標(biāo)的確定提供了相關(guān)依據(jù)。同時相關(guān)規(guī)范還需要逐步得到發(fā)展和完善,以滿足國家及區(qū)域基準(zhǔn)站運行維護(hù)中的應(yīng)用需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳俊勇.張鵬.在中國構(gòu)建全球?qū)Ш叫l(wèi)星連續(xù)運行站網(wǎng)及其服務(wù)系統(tǒng).[J].測繪科學(xué),2009,34(3):5-6.

[2] 劉經(jīng)南.劉暉.建立我國衛(wèi)星定位連續(xù)運行站網(wǎng)的若干思考[J].武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版,2003,5(28):27-31.

[3] 過靜珺,王麗,張鵬. 國內(nèi)外連續(xù)運行基準(zhǔn)站網(wǎng)新進(jìn)展和應(yīng)用展望[J].全球定位系統(tǒng), 2008, 34(1): 20-25.

[4] 劉經(jīng)南,劉暉.連續(xù)運行參考站網(wǎng)絡(luò)——城市空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施[J].武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版,2003,6(28): 259-264.

[5] 陳俊勇,張鵬,武軍酈,等.關(guān)于在中國構(gòu)建全球?qū)Ш叫l(wèi)星國家級連續(xù)運行站系統(tǒng)的思考[J].測繪學(xué)報, 2007, 36(4): 366-369.

[6] 陳明,武軍酈. GNSS連續(xù)運行基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)匯集監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].全球定位系統(tǒng), 2013, 38(4): 49-51.

[7] 武軍酈,陳明.關(guān)于建立GNSS連續(xù)運行基準(zhǔn)站網(wǎng)相關(guān)規(guī)范的思考[J].測繪通報, 2013 (9): 38-40.

[8] 劉暉,時曉燕,楊沾吉,等.深圳市連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)的建立與試驗[J].測繪通報, 2003(9): 33-36.

陳明(1984-),男,碩士,主要從事GNSS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用等方面的研究工作。

武軍酈(1972-),男,高級工程師,主要從事GNSS基準(zhǔn)站設(shè)計和應(yīng)用等方面工作。

Operation and Maintaince of Continuously Operating Reference Stations Related Issues

CHEN Ming1,2,WU Junli1,2

(1.NationalGeomaticsCenterofChina,Beijing100048,China;2.KeyLaboratoryofNavigation&LocationBasedServiceNationalAdministrationofSurveying,MappingandGeoinformation,Beijing100048,China)

Abstract:GNSS Continuously Operating Reference Stations(CORS) construction is in full swing, many provinces, cities built or are building the base station network, part of the region has begun to provide services to the community. CORS operation and maintenance considerations coordinate frame maintenance, data management, facility maintenance, safety management and emergency support, application services, and daily operation and management aspects. CORS operation and maintenance specifications were introduced, combined with the work practice, the technical problems related to the operation and maintenance of CORS are discussed.

Keywords:GNSS; CORS; operation and maintenance; specifications

作者簡介

中圖分類號：F291.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-9268(2016)01-0083-04

收稿日期：2015-06-17

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.01.017

聯(lián)系人： 陳明 E-mail: cm@nsdi.gov.cn速度場、電離層及對流層模型、差分改正信息等成果。