GNSS連續運行基準站網運行維護的相關問題探討

陳明,武軍酈

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

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GNSS連續運行基準站網運行維護的相關問題探討

陳明1,2,武軍酈1，2

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

摘要：國內GNSS連續運行基準站網建設全面展開,很多省、市建成或正在建設基準站網,部分的地區已經開始對社會提供服務。基準站網運行維護主要考慮坐標框架維護、數據管理、設施維護、安全管理與應急保障、應用服務、日常運行管理等方面內容。本文對基準站網運行維護規范進行了介紹,結合基準站網運行維護的工作實踐,對基準站網運行維護的相關技術問題進行了探討。

關鍵詞：GNSS;基準站網;運行維護;規范

0引言

當前,我國全球導航衛星系統連續運行基準站網建設已全面展開。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系統,廣東、江蘇、浙江、河北、山西、江西、福建、安徽、山東、湖南、廣西、內蒙古、河南、湖北、貴州、吉林等省份建成或正在建設覆蓋全省的連續運行衛星定位綜合服務系統,部分省市基準站網已經開始對社會提供服務。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導航衛星系統連續運行基準站網也正在建設中[1]。

根據目前掌握的情況,國內各省份已建成1 200多個區域級連續運行基準站,在建或規劃的也有700多個。各地區域級基準站網建成后,其運行維護方面如無可供參考的行業或國家標準,缺少相關的指導規范,容易造成基準站網系統坐標框架不統一,系統運行狀況混亂,系統資源利用率低等運行維護問題,對今后我國基準站網的建設和維持也會造成不利的影響。面對這種情況,需要制定關于基準站網在運行維護中所涉及到的相關技術要求,如坐標框架維護、數據管理、設施維護、安全管理與應急保障、應用服務、日常運行管理等。此外,基準站產品及服務尚未統一標準,難以實現市、省、國家的基準站網的互聯互通互操作,也是造成數據、服務等資源共享方面的技術障礙[2-3]。

1運行維護中的主要工作

由于全球導航衛星系統連續運行基準站網涉及信息技術、導航定位、通訊以及精密數據處理等各領域。基準站網的運行維護是保障基準站網數據采集、數據傳輸、成果服務等的重要環節,主要技術內容應包括:坐標框架維護方式和更新周期、基準站網數據存儲與備份、軟硬件維護、網絡維護、安全和應急保障措施、應用服務的內容和管理、設備巡檢、資料歸檔等。

1.1坐標框架維護

坐標框架是基準站網的基礎,國家及區域基準站網的坐標系統應保持一致性,根據國家相關要求,我國應統一采用2000國家大地坐標系(CGCS2000)。對于國家基準站網而言,國家坐標框架應定期進行維護,解算并更新基準站坐標值及速度場,與國際IGS跟蹤站進行聯合處理,建立與國際坐標框架之間的聯系。區域基準站網應在國家坐標框架下進行定期更新坐標成果[4-5]。

1.2數據管理與服務

基準站網數據主要包括GNSS原始觀測數據、RINEX格式數據、氣象數據等,經過數據處理,可以產出精密星歷、衛星鐘差、基準站坐標值日解周解月解年解、基準站坐標變化時間序列、基準站國家基準站網應用服務主要包括基準站觀測數據、基準站坐標值、基準站坐標時間序列、速度場、超快速、快速、事后精密星歷、坐標轉換服務、電離層和對流層模型、在線PPP服務、事后精密數據處理服務和其他相關服務。區域基準站網應用服務主要包括基準站觀測數據、基準站坐標值、坐標轉換服務、網絡RTK服務、事后精密數據處理服務和其他相關服務。

對于上述數據與成果,在基準站網運行維護中,應規范管理,建立穩定機制,將數據存儲、數據質量檢查、數據備份與入庫、數據處理、數據服務等環節統一管理,將一系列工作流程化、自動化,保證數據資源的完整性與應用服務的穩定性。

1.3設施維護

基準站主要包括GNSS接收機、GNSS天線、氣象儀、不間斷電源、網絡通訊設備、防雷設備等設備,各設備應準確登記設備信息,定期檢測和更新。設備參數設置更改后或設備更新時,應及時做好記錄。并應建立基準站設備運轉報警機制。通過數據中心軟件實現基準站設備運行異常的報警,從而能夠及時發現問題并處理[6]。

數據中心主要包括服務器、磁盤陣列、網絡通訊設備、不間斷電源等設備,硬件配置應具備一定的冗余度。建立磁盤監控與整理機制,設置系統控制參數和進行系統運行監視,對計算機磁盤空間進行監控和整理。此外,應定期對數據中心局域網和基準站數據通信網絡進行檢測與維護,檢測內容包括:網絡設備工作狀態、帶寬、傳輸速率、誤碼率、延遲時間、丟包率、網絡安全等。

2運行維護技術問題探討

2.1接收機檢測方法、檢定

按照《全球定位系統(GPS)測量型接收機檢定規程》(CH/T 8016),基準站接收機運行過程中的檢測應屬于B類檢測,需進行如下項目檢測:接收機系統檢視、接收機通電檢驗、內部噪聲水平測試、接收機頻標穩定性檢驗和數據質量的評價、GNSS接收機附件檢驗等。接收機系統檢視、接收機通電檢驗項目、GNSS接收機附件檢驗可通過基準站的巡視檢查工作來完成;接收機頻標穩定性檢驗和數據質量利用高精度分析軟件進行的殘差分析統計的結果和數據質量檢查分析結果來評價。由于基準站GPS接收機需要連續運行,設備如果拆卸,將影響站點坐標的長期穩定,無法做到送檢,內部噪聲水平測試無法采用常規零基線和超短基線的方法進行,可不進行此項檢測。

2.2變化更新周期

當全球坐標框架發生變化、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站顯著位移時,國家坐標框架應適時更新,更新基準站坐標值及速度場,與國際IGS跟蹤站進行聯合解算,建立與國際坐標框架之間的聯系。

區域坐標框架應根據國家坐標框架變化及時更新。區域基準站網內個別基準站發生顯著位移(平面位置變化超過2 cm或高程變化超過3 cm)時,應及時更新基準站坐標。當基準站累計更新數量達到30%時,應進行全網更新。下面根據國內基準站網系統的實際建設經驗總結,以江蘇省基準站網為例說明上述指標要求。

網絡RTK實時定位精度設計指標一般定為:平面±3 cm,高程±5 cm.為了實時保證網絡RTK作業參考基準的現勢性,必須要進行基準站坐標的更新,且更新的閾值應該小于網絡RTK實時定位的精度,根據經驗值定為平面2 cm,高程3 cm.根據江蘇省對70個基準站網五年來的數據處理結果顯示,江蘇地區基準站每年的沉降量超過1 cm的站點有10個(具體統計見表2),最嚴重的地區可達每年7 cm.為了保持基準站坐標的現勢性,必須要及時更新基準站坐標。且當基準站坐標的變化量較大時,跟周邊基準站無法兼容,進而無法完成相應的基線解算,不能正常對外提供差分定位服務[7]。

表1　江蘇基準站網站點沉降速率大于

2.3數據質量

連續運行基準站網作為國家和區域的坐標參考框架,觀測數據的質量好壞直接影響到系統的服務質量。目前對數據質量進行分析的軟件主要是TEQC軟件。TEQC是UNAVCO研制的GPS/GLONASS數據預處理軟件,主要功能包括:格式轉換、編輯和質量檢核。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行GNSS數據中的誤差估計,可以反映出GNSS數據的電離層延遲、多路徑效應、接收機周跳、衛星信號信噪比等信息,能快速而且準確地評定GNSS數據質量。TEQC是通過數據可用率、多路徑效應、CSR和信噪比來評定。

1) 數據可用率

數據可用率為有效歷元數據占總觀測歷元的比率,可以反應出基準站附近的遮擋、多路徑等綜合影響,當數據可用率低于85%時,基準站需要變更站址。

2) 多路徑效應

基準站周邊電磁環境的干擾、高大建筑物的折射以及如樹木等障礙物的遮擋均會產生多路徑效應。TEQC中反映L1和L2波段多路徑效應的是MP1和MP2數值,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的結果文件里是輸出觀測時段MP1、MP2的均方差(RMS)值,同時結合CSR,這3個值能較好地反映出基準站附近的觀測環境以及觀測數據的質量。

(1)

(2)

3) CSR

周跳是指在GPS接收機載波跟蹤中由于臨時失鎖,導致載波相位觀測中整周計數出現不連續的現象。TEQC中采用電離層殘差方法進行周跳的探測與評定,處理結果文件中以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,如式(3)。CSR不僅僅反映了觀測數據質量中的周跳信息,同時也反映了該接收機周跳修復能力。

(3)

2.4網絡延遲指標

網絡延遲指標一般取為不大于1 s.由于目前主流的網絡RTK服務軟件要求基準站的數據延遲不大于1 s,數據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<1 s.如果基準站延遲時間過長,則該基準站的數據將不參與整網解算,會影響差分信息的質量。而網絡RTK服務中流動站用戶定位頻率通常為1 Hz,如果流動站用戶數據延遲時間過長,會直接影響流動站差分改正信息的接收。故要求所有基準站及流動站相對于數據中心的延遲小于1 s[8].

3結束語

連續運行基準站網已在全國鋪開,基準站建設方面已有建設規范以及國家級技術規范可供參考。而建成之后的運行維護和應用,雖有部分省市已面向社會提供服務,但目前還處于逐漸成熟的階段。本文結合基準站網運行維護規范中關注的一些問題進行了探討,并結合實例,對一些指標的確定提供了相關依據。同時相關規范還需要逐步得到發展和完善,以滿足國家及區域基準站運行維護中的應用需求。

參考文獻

[1] 陳俊勇.張鵬.在中國構建全球導航衛星連續運行站網及其服務系統.[J].測繪科學,2009,34(3):5-6.

[2] 劉經南.劉暉.建立我國衛星定位連續運行站網的若干思考[J].武漢大學學報·信息科學版,2003,5(28):27-31.

[3] 過靜珺,王麗,張鵬. 國內外連續運行基準站網新進展和應用展望[J].全球定位系統, 2008, 34(1): 20-25.

[4] 劉經南,劉暉.連續運行參考站網絡——城市空間數據的基礎設施[J].武漢大學學報·信息科學版,2003,6(28): 259-264.

[5] 陳俊勇,張鵬,武軍酈,等.關于在中國構建全球導航衛星國家級連續運行站系統的思考[J].測繪學報, 2007, 36(4): 366-369.

[6] 陳明,武軍酈. GNSS連續運行基準站數據匯集監控系統的設計與實現[J].全球定位系統, 2013, 38(4): 49-51.

[7] 武軍酈,陳明.關于建立GNSS連續運行基準站網相關規范的思考[J].測繪通報, 2013 (9): 38-40.

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

陳明(1984-),男,碩士,主要從事GNSS基準站數據處理和應用等方面的研究工作。

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

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

文獻標志碼：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。