關(guān)于建立GNSS連續(xù)運行基準站網(wǎng)相關(guān)規(guī)范的思考

武軍酈，陳 明

(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)

一、引 言

隨著空間技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)逐漸成為導(dǎo)航、定位領(lǐng)域的主要手段，而且占據(jù)了廣闊的市場。而網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的出現(xiàn)，又為GNSS技術(shù)的應(yīng)用拓展了一個高精度、高效率、高可靠性的應(yīng)用空間。在GNSS技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)不斷完善的基礎(chǔ)上，我國GNSS連續(xù)運行基準站網(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、吉林等省份已建成或正在建設(shè)覆蓋全省的連續(xù)運行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)，部分省市基準站網(wǎng)已經(jīng)開始對社會提供服務(wù)。此外，國家發(fā)改委也組織實施了面向全國的基準站網(wǎng)項目，其中“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”項目已建設(shè)完成，“國家現(xiàn)代測繪基準體系基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”也已正式啟動，目前正在建設(shè)當中。

二、相關(guān)規(guī)范現(xiàn)狀

連續(xù)運行基準站網(wǎng)可以維持相應(yīng)區(qū)域的高精度、三維、地心、動態(tài)坐標框架，提供集約化的定位和導(dǎo)航服務(wù)，可廣泛服務(wù)于國家大地基準、氣象、地球動力學(xué)、地學(xué)災(zāi)害監(jiān)測，以及位置服務(wù)等領(lǐng)域。但由于地區(qū)和行業(yè)差異，各部門在建設(shè)GNSS連續(xù)運行基準站網(wǎng)時技術(shù)要求不盡相同，相互之間也不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，有些地區(qū)存在重復(fù)建設(shè)、資源浪費的現(xiàn)象。因此需要制定相關(guān)技術(shù)規(guī)范，明確規(guī)定基準站選址、基建、設(shè)備配置、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)等諸多環(huán)節(jié)的技術(shù)要求，并在數(shù)據(jù)采集方式、數(shù)據(jù)存儲格式、信號編碼和傳輸格式等大的方面提出統(tǒng)一格式，使基準站網(wǎng)的建設(shè)、管理和運行規(guī)范化、制度化，改變過去多樣化、無統(tǒng)一標準的建設(shè)，使各系統(tǒng)在全國范圍整體應(yīng)用上充分發(fā)揮其作用，實現(xiàn)節(jié)約資源、信息共享［1］，并為大地測量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、國家框架基準的維護奠定基礎(chǔ)。

針對上述問題，國家測繪地理信息局于2005年頒布了測繪行業(yè)標準《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運行參考站網(wǎng)建設(shè)規(guī)范》(CH/T 2008—2005)，并在此基礎(chǔ)上，編制了國家標準《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運行基準站網(wǎng)技術(shù)規(guī)范》(GB/T 28588—2012)，對GNSS連續(xù)運行基準站的建設(shè)和技術(shù)提出了明確的要求，并已通過國標委審查，將于近期正式頒布實施。

三、站網(wǎng)分類

依據(jù)建設(shè)管理形式、任務(wù)要求和應(yīng)用范圍，連續(xù)運行基準站網(wǎng)可分為國家連續(xù)運行基準站網(wǎng)、區(qū)域連續(xù)運行基準站網(wǎng)、專業(yè)應(yīng)用網(wǎng)［2］。

國家基準站網(wǎng)是國家地理空間信息的重要基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)覆蓋我國領(lǐng)土及領(lǐng)海，其布設(shè)密度視板塊構(gòu)造、地質(zhì)穩(wěn)定等情況，在全國范圍內(nèi)均勻分布、站間距100～200 km，用于開展全國范圍內(nèi)高精度定位、導(dǎo)航、衛(wèi)星定軌，以及工程建設(shè)和科學(xué)研究等，可滿足國家地心坐標參考框架建設(shè)的需要，并兼顧社會發(fā)展、經(jīng)濟建設(shè)、自然條件和定位服務(wù)需求等因素。

區(qū)域基準站網(wǎng)是省、市、自治區(qū)等區(qū)域地理空間信息的重要基礎(chǔ)設(shè)施，用于維持和更新區(qū)域地心坐標參考框架，開展區(qū)域內(nèi)位置服務(wù)和相關(guān)信息服務(wù)。區(qū)域地心坐標參考框架應(yīng)與國家地心坐標參考框架保持一致。區(qū)域基準站網(wǎng)的基準站布設(shè)密度按實時定位服務(wù)精度的不同選擇站間距離，利用現(xiàn)代RTK技術(shù)，基準站間距離可達到70 km，由于我國南方地區(qū)電離層活動比較頻繁，因此在基準站間距離上應(yīng)減小。

專業(yè)應(yīng)用網(wǎng)是由測繪、地震、氣象、交通、海洋、農(nóng)業(yè)、水利等部門或機構(gòu)根據(jù)專業(yè)需求建立的基準站網(wǎng)，用于開展專業(yè)信息服務(wù)，滿足行業(yè)和部門工程應(yīng)用與科學(xué)研究的要求。專業(yè)應(yīng)用網(wǎng)的基準站布設(shè)密度應(yīng)根據(jù)專業(yè)服務(wù)目標進行設(shè)計，當需要滿足位置服務(wù)要求時，站間距離可參照區(qū)域級基準站網(wǎng)執(zhí)行。

國家基準站網(wǎng)可作為區(qū)域基準站網(wǎng)、專業(yè)應(yīng)用網(wǎng)建設(shè)和應(yīng)用的參考基準，區(qū)域基準站網(wǎng)的基準站和專業(yè)應(yīng)用網(wǎng)的基準站通過申請并由授權(quán)機構(gòu)認證后可成為國家基準站網(wǎng)的基準站。

四、規(guī)范技術(shù)問題探討

1.GNSS名稱使用

在我國最早最廣泛使用的民用衛(wèi)星定位系統(tǒng)一般指GPS，采用GPS技術(shù)建設(shè)連續(xù)運行基準站也最為普遍，但是考慮到GPS一詞僅僅代表由美國建立的全球定位系統(tǒng)，而建設(shè)連續(xù)運行基準站網(wǎng)采用的接收機將不限于接收GPS信號。連續(xù)運行基準站采用的衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)是廣泛的、公益的，一般應(yīng)可連續(xù)采集包括GPS、GLONASS和Galileo等多種信號數(shù)據(jù)(在將來亦可接收我國北斗二代衛(wèi)星信號數(shù)據(jù))，并通過傳輸信道實時或定時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，全面形成對多種衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、完備性監(jiān)測、可靠性分析及衛(wèi)星定軌等多功能的基礎(chǔ)設(shè)施。因此，使用GNSS連續(xù)運行基準站一詞更準確。

2.周邊條件評估

連續(xù)運行基準站為永久性基礎(chǔ)設(shè)施，對周邊條件要求比較嚴格，與干擾地帶要保持一定距離。其中，對于大型建筑物和水面等地區(qū)，由于衛(wèi)星信號多路徑反射的影響，使得進入天線的信號多重疊加，導(dǎo)致跟蹤的衛(wèi)星信號失真，造成基準站測量誤差;對于無線發(fā)射臺等地區(qū)，在大功率的無線電設(shè)備附近，會出現(xiàn)寬頻帶、高場強的電磁泄露區(qū)，造成衛(wèi)星定位接收機不能正常工作。由于以上兩方面因素的影響，因此要求基準站地點距離這些干擾地帶至少保證200 m的有效距離。

在對周邊環(huán)境進行量化評估時，一般采用TEQC軟件進行質(zhì)量檢核，主要指標有數(shù)據(jù)可用率、MP1、MP2和CSR等。其中，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，可以反映出基準站附近的遮擋、多路徑等綜合影響，當數(shù)據(jù)可用率低于85%時，基準站需要變更站址;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)所示。通常，TEQC的結(jié)果文件輸出的是觀測時段 MP1、MP2的均方差(RMS)值，同時結(jié)合CSR，能較好地反映出基準站附近的觀測環(huán)境和觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

周跳是指在GPS接收機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(2)。CSR不僅反映了觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量中的周跳信息，同時也反映了該接收機周跳修復(fù)能力。

3.觀測墩設(shè)計及尺寸要求

連續(xù)運行基準站連續(xù)觀測，為坐標框架維持和更新提供長期、穩(wěn)定、有效的觀測數(shù)據(jù)，連續(xù)運行基準站數(shù)據(jù)是保持坐標框架動態(tài)性的唯一途徑。為確?；鶞收菊鎸嵎从乘邳c位的變化，應(yīng)排除地殼運動對基準站觀測墩影響以外的位移，這就對承載觀測儀器的觀測墩提出了較高的要求。

為避免凍土對觀測墩產(chǎn)生影響，要求觀測墩重心應(yīng)位于最大凍土深度線以下至少0.5 m。南方區(qū)域一般無凍土，或凍土線較淺，在1 m之內(nèi);北方和高原高寒地區(qū)凍土線一般在1～4 m范圍。同時為滿足觀測墩的穩(wěn)定性要求，將觀測墩設(shè)計為地面以下部分直徑或邊長較長，并將地面以下部分分為基座和底座兩部分。此外為避免振動帶來的影響，觀測墩與地面接合四周應(yīng)做寬度不少于5 cm且與觀測室地基同深的隔振槽，內(nèi)填粗沙。通過計算，觀測墩地下部分尺寸規(guī)格按照表1建設(shè)，可保持觀測墩穩(wěn)定。

表1 觀測墩地下部分尺寸規(guī)格表

此外，為避免全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收機天線因接近地表而造成的多路徑影響，天線墩高度應(yīng)高于地面3 m，一般不超過5 m。如有觀測室，觀測墩應(yīng)高于女兒墻，觀測墩頂端須高出觀測室屋頂面0.8 m以上，屋頂觀測墩高度應(yīng)高于屋頂面1.0 m。

4.變化更新周期

當全球坐標框架發(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站顯著位移時，國家坐標框架應(yīng)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(lián)合解算，建立與國際坐標框架之間的聯(lián)系。

區(qū)域坐標框架應(yīng)根據(jù)國家坐標框架變化及時更新。區(qū)域基準站網(wǎng)內(nèi)個別基準站發(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)及時更新基準站坐標。當基準站累計更新數(shù)量達到30%時，應(yīng)進行全網(wǎng)更新。下面根據(jù)國內(nèi)基準站網(wǎng)系統(tǒng)的實際建設(shè)經(jīng)驗總結(jié)，以江蘇省基準站網(wǎng)為例說明上述指標要求。

網(wǎng)絡(luò)RTK實時定位精度設(shè)計指標一般定為：平面3 cm，高程5 cm。為了實時保證網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)參考基準的現(xiàn)勢性，必須要進行基準站坐標的更新，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。由江蘇省對70個基準站網(wǎng)5年來的數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示，江蘇地區(qū)基準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)，最嚴重的地區(qū)可達每年7 cm。為了保持基準站坐標的現(xiàn)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(yīng)的基線解算，不能正常對外提供差分定位服務(wù)。

5.網(wǎng)絡(luò)指標

基準站網(wǎng)絡(luò)指標主要包括網(wǎng)絡(luò)帶寬指標和網(wǎng)絡(luò)延遲指標。網(wǎng)絡(luò)帶寬主要是指基準站端接入到數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)指標;網(wǎng)絡(luò)延遲是指提供實時服務(wù)時網(wǎng)絡(luò)延遲的時間。假設(shè)基準站觀測采樣率為1 Hz，觀測數(shù)據(jù)包括各個衛(wèi)星的載波相位、偽距、多普勒等觀測值和衛(wèi)星號、信噪比、時間、導(dǎo)航電文等歷元信息，采用多模接收機，并兼顧ADSL、GPRS、SDH等通信電路，計算得到基準站接入帶寬應(yīng)至少為64 kbit/s。據(jù)了解，目前主流基準站網(wǎng)接入帶寬為2 Mbit/s，早期建設(shè)的基準站網(wǎng)也在512 kbit/s以上，能夠滿足其應(yīng)用及服務(wù)要求。

表2 江蘇基準站網(wǎng)站點沉降速率大于10mm/a的站點統(tǒng)計表 mm/a

網(wǎng)絡(luò)延遲指標一般取為不大于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)小于1 s。如果基準站延遲時間過長，則該基準站的數(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。故要求所有基準站及流動站相對于數(shù)據(jù)中心的延遲小于1 s。

五、結(jié)束語

連續(xù)運行基準站網(wǎng)已在全國鋪開，而相關(guān)技術(shù)規(guī)范也已相繼制定和實施。本文分析了國內(nèi)基準站網(wǎng)的現(xiàn)狀，在對基準站網(wǎng)分類的基礎(chǔ)上，就基準站網(wǎng)建設(shè)和服務(wù)的相關(guān)技術(shù)問題進行了探討，并結(jié)合實例對一些關(guān)鍵技術(shù)指標的確定提供了依據(jù)，可有效地促進基準站網(wǎng)建設(shè)和服務(wù)的規(guī)范化、制度化。

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