中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)流動(dòng)型GNSS基準(zhǔn)站

摘 要：針對(duì)中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（簡(jiǎn)稱(chēng)“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”）GNSS基準(zhǔn)站的建設(shè)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了流動(dòng)型GNSS基準(zhǔn)站，集成了觀測(cè)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、移動(dòng)平臺(tái)、通信系統(tǒng)等諸多系統(tǒng)。不但實(shí)現(xiàn)了臨時(shí)GNSS基準(zhǔn)站和局域差分基準(zhǔn)站的架設(shè)能力，而且對(duì)固定GNSS基準(zhǔn)站的功能實(shí)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(xiàng)目，擴(kuò)展測(cè)繪單位或企業(yè)的作業(yè)領(lǐng)域、提高測(cè)量效率。

關(guān)鍵詞：陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)；GNSS；基準(zhǔn)站

1 概述

陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)是國(guó)家發(fā)展和改革委員在“十一五”期間列入國(guó)家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目之一，由中國(guó)地震局、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家測(cè)繪地理信息局、中國(guó)氣象局和教育部等多部委共同建設(shè)。陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)以全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GNSS）為主，輔以長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）、人衛(wèi)激光測(cè)距（SLR）和合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）等空間技術(shù)，結(jié)合精密重力和精密水準(zhǔn)等傳統(tǒng)大地測(cè)量技術(shù)，對(duì)中國(guó)大陸極其鄰區(qū)的地球巖石圈、水圈和大氣圈變化進(jìn)行多手段的、實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)相結(jié)合的綜合觀測(cè)。GNSS觀測(cè)手段建設(shè)了260個(gè)連續(xù)觀測(cè)的固定GNSS基準(zhǔn)站和2000個(gè)不定期觀測(cè)固定GNSS區(qū)域站，但是基準(zhǔn)站在有些區(qū)域的臺(tái)站分布稀疏程度和整網(wǎng)密度還不盡合理。從技術(shù)應(yīng)用或科學(xué)研究的角度來(lái)說(shuō)，陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了中國(guó)大陸地殼運(yùn)動(dòng)大尺度變化圖像的獲取（100～1000km量級(jí)），但如要揭示小尺度的地殼形變特征，需連續(xù)準(zhǔn)確地獲取與地震孕育有關(guān)的、響應(yīng)尺度的次級(jí)地塊運(yùn)動(dòng)，特別是獲取次級(jí)地塊之間的差異運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間變化的精細(xì)圖像，才能有效揭示地殼細(xì)部形變信息，完成了流動(dòng)型GNSS基準(zhǔn)站的設(shè)計(jì)與建設(shè)工作，可作為固定型GNSS站的有效補(bǔ)充設(shè)施和功能延伸站點(diǎn)。

2 數(shù)據(jù)處理模式設(shè)計(jì)

針對(duì)野外測(cè)量工作的特點(diǎn)，為方便測(cè)量人員應(yīng)對(duì)野外的復(fù)雜工作環(huán)境，可以根據(jù)工作需要采用遠(yuǎn)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(lái)看兩種處理方式的工作模式如下：

2.1 遠(yuǎn)端處理

流動(dòng)基準(zhǔn)站將GNSS觀測(cè)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(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)本站數(shù)據(jù)和周邊基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，解算本站的精確坐標(biāo)位置，將基準(zhǔn)站坐標(biāo)傳輸?shù)奖菊?。流?dòng)基準(zhǔn)站生成RTCM信息，利用電臺(tái)或3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給附近的移動(dòng)測(cè)量用戶(hù)。

2.2 站端處理

流動(dòng)基準(zhǔn)站將GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)中心，同時(shí)由數(shù)據(jù)中心匯集周邊基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)娇梢苿?dòng)基準(zhǔn)站，可移動(dòng)基準(zhǔn)站內(nèi)計(jì)算機(jī)利用專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，解算本站的精確坐標(biāo)位置，可移動(dòng)基準(zhǔn)站生成RTCM信息，利用電臺(tái)或3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給附近的移動(dòng)測(cè)量用戶(hù)。

3 系統(tǒng)組成及功能

考慮了流動(dòng)GNSS基準(zhǔn)站靈活部署、GNSS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)接收、GNSS觀測(cè)的RTK功能實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸、連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間供電等需求，流動(dòng)型GNSS基準(zhǔn)站設(shè)計(jì)從功能上分為觀測(cè)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(tái)等五個(gè)部分（圖1）。

3.1 觀測(cè)系統(tǒng)

觀測(cè)系統(tǒng)是流動(dòng)型GNSS基準(zhǔn)站的核心功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，主要有GNSS接收天線、基準(zhǔn)站GNSS接收機(jī)、RTK電臺(tái)和接收機(jī)，另可配置氣象儀作為輔助觀測(cè)設(shè)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(cè)的系統(tǒng)安全，GNSS天線應(yīng)能夠同時(shí)接收到目前已有的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)包括GPS、GLONASS、GALILEO等衛(wèi)星的信號(hào)。GNSS天線應(yīng)具備同步跟蹤地平仰角0°以上的所有可見(jiàn)的GNSS衛(wèi)星的能力，具有抗多路徑效應(yīng)的能力，能在極端氣象環(huán)境下長(zhǎng)期正常穩(wěn)定工作。流動(dòng)GNSS基準(zhǔn)站架設(shè)時(shí)，選擇接收視野開(kāi)闊的場(chǎng)地，將天線置于裝載平臺(tái)之外的穩(wěn)定裝置上。

GNSS接收機(jī)是可移動(dòng)GNSS基準(zhǔn)站中的核心設(shè)備，其功能是對(duì)天線接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行跟蹤、處理，并測(cè)量計(jì)算出觀測(cè)標(biāo)墩上標(biāo)志點(diǎn)的位置，同時(shí)通過(guò)電臺(tái)向附近的動(dòng)態(tài)測(cè)量用戶(hù)發(fā)送觀測(cè)數(shù)據(jù)和相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)RTK測(cè)量。

為了實(shí)現(xiàn)流動(dòng)GNSS基準(zhǔn)站的RTK功能，數(shù)字電臺(tái)是必不可少的附件設(shè)施，其功能是把GNSS接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)和相關(guān)信息發(fā)送出去，附近的動(dòng)態(tài)測(cè)量用戶(hù)也通過(guò)電臺(tái)收到基準(zhǔn)站的觀測(cè)信息并與用戶(hù)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，得到用戶(hù)觀測(cè)點(diǎn)的精確位置。

3.2 供電系統(tǒng)

流動(dòng)GNSS基準(zhǔn)站的供電，應(yīng)保障觀測(cè)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(yùn)行。根據(jù)可移動(dòng)GNSS基準(zhǔn)站在野外的流動(dòng)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(dòng)GNSS基準(zhǔn)站觀測(cè)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(shè)備不間斷供電。為保證基準(zhǔn)站正常運(yùn)行，電池組要求有24小時(shí)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(yīng)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(shí)配備后備發(fā)電機(jī)，滿(mǎn)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(diǎn)通信和網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)全球語(yǔ)音通話功能，特別是在手機(jī)信號(hào)沒(méi)覆蓋或信號(hào)微弱地區(qū)可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通話，以便于通信交流或救急救災(zāi)聯(lián)絡(luò)。

站端通信：在野外測(cè)量的大部分地方，無(wú)法布設(shè)專(zhuān)線通信網(wǎng)絡(luò)，流動(dòng)GNSS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)傳輸只能通過(guò)無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)，除了要滿(mǎn)足基準(zhǔn)站與數(shù)據(jù)中心、附近移動(dòng)測(cè)量用戶(hù)之間的通信功能外，還需具備可移動(dòng)性、高安全性、架設(shè)快捷性和操作方便性等特點(diǎn)?；鶞?zhǔn)站與數(shù)據(jù)中心通訊選用VSAT、3G等無(wú)線數(shù)據(jù)通信方式，與附近移動(dòng)測(cè)量用戶(hù)的數(shù)據(jù)交換通過(guò)數(shù)字電臺(tái)或3G實(shí)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(jié)構(gòu)的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，以滿(mǎn)足GNSS數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

中心站節(jié)點(diǎn)通信：中心站節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)匯集可移動(dòng)基準(zhǔn)站，并接入陸態(tài)網(wǎng)系統(tǒng)國(guó)家中心，實(shí)現(xiàn)流動(dòng)GNSS基準(zhǔn)站與陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的連接。中心站節(jié)點(diǎn)包括3G通信接入?yún)R聚、衛(wèi)星中心站、VOIP語(yǔ)音系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)接入、網(wǎng)絡(luò)安全等。

網(wǎng)絡(luò)安全：考慮到陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體安全要求以及移動(dòng)基準(zhǔn)站的特殊性，在使用3G系統(tǒng)進(jìn)行通信的過(guò)程中，使用VPN技術(shù)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)信道進(jìn)行封裝加密，并在封裝的安全信道內(nèi)對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)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(zhǔn)站相同的通信模式，即使用專(zhuān)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(cè)數(shù)據(jù)下載存儲(chǔ)與野外數(shù)據(jù)處理，由車(chē)載計(jì)算機(jī)完成。數(shù)據(jù)處理與備份系統(tǒng)軟件應(yīng)具備如下功能：多類(lèi)型GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)下載、存儲(chǔ)、整理與計(jì)算，獲得本站的精確坐標(biāo)位置。

3.5 裝載平臺(tái)

裝載平臺(tái)是流動(dòng)GNSS基準(zhǔn)站的主要載體。考慮到作業(yè)區(qū)遍布全國(guó)，裝載平臺(tái)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(chē)，如作業(yè)區(qū)選擇高原地區(qū)，還需增加高原補(bǔ)氧設(shè)施。

4 接口分析

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

4.1 觀測(cè)系統(tǒng)與備份系統(tǒng)接口分析

觀測(cè)系統(tǒng)的主體是GNSS接收機(jī)，通過(guò)GNSS天線接口、串口獲取GNSS衛(wèi)星信號(hào)、氣象信息，備份存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。

觀測(cè)系統(tǒng)連接可采用網(wǎng)絡(luò)接口RJ45或串口RS232/USB，均可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)。

4.2 觀測(cè)系統(tǒng)與傳輸系統(tǒng)接口分析

可移動(dòng)GNSS基準(zhǔn)站傳輸系統(tǒng)主要采用無(wú)線通信方式。觀測(cè)系統(tǒng)的GNSS接收機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)接口與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)采用網(wǎng)絡(luò)接口RJ45通過(guò)無(wú)線網(wǎng)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

4.3 觀測(cè)系統(tǒng)與移動(dòng)測(cè)量用戶(hù)接口分析

可移動(dòng)GNSS基準(zhǔn)站具有RTK基站的功能，其與移動(dòng)測(cè)量用戶(hù)的接口是數(shù)字電臺(tái)，通過(guò)RTCM數(shù)據(jù)格式進(jìn)行通訊。

綜上，基準(zhǔn)站作為一個(gè)有機(jī)整體，各系統(tǒng)間接口分析如表1。

5 系統(tǒng)集成

基準(zhǔn)站系統(tǒng)集成方式為設(shè)備集成、數(shù)據(jù)集成、供電集成和防雷集成四方面。設(shè)備集成是通過(guò)在汽車(chē)內(nèi)部按照各硬件體積和走線方式架設(shè)機(jī)柜，將各種設(shè)備牢固安置在機(jī)柜上，同時(shí)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(chǔ)與管理和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息的集成；供電集成是將UPS機(jī)頭、UPS電池、電流逆變器、小型發(fā)電機(jī)和電源線路等有序簡(jiǎn)潔集成；防雷集成要考慮車(chē)輛防雷、觀測(cè)設(shè)備防雷、電源防雷和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)防雷等正系統(tǒng)防雷方案和設(shè)備集成。

6 結(jié)束語(yǔ)

流動(dòng)GNSS基準(zhǔn)站是針對(duì)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站的構(gòu)成現(xiàn)狀，為實(shí)現(xiàn)固定GNSS基準(zhǔn)站和區(qū)域站的功能延伸而設(shè)計(jì)建設(shè)的。采用越野性能好的汽車(chē)為裝載平臺(tái)，將GNSS觀測(cè)系統(tǒng)和其他必要的輔助系統(tǒng)集成為一個(gè)有機(jī)平臺(tái)，只要是越野車(chē)輛可以到達(dá)的地方，就可以搭建臨時(shí)觀測(cè)站，起到GNSS基準(zhǔn)站和局域差分基準(zhǔn)站的作用，在地震應(yīng)急觀測(cè)、快速測(cè)繪工程站點(diǎn)部署、氣象應(yīng)急響應(yīng)以及臨時(shí)GNSS基準(zhǔn)站加密部署等應(yīng)用需求中可發(fā)揮重要作用。由系統(tǒng)功能特點(diǎn)可看出該系統(tǒng)可快速部署臨時(shí)GNSS基準(zhǔn)站，作為固定型GNSS站的有效補(bǔ)充設(shè)施和功能延伸站點(diǎn)。另外，該系統(tǒng)可作為行業(yè)示范項(xiàng)目，測(cè)繪單位或企業(yè)可以根據(jù)各自測(cè)繪工作特點(diǎn)，改造該系統(tǒng)中的部分功能形成適應(yīng)其他測(cè)繪工作的流動(dòng)GNSS測(cè)量系統(tǒng)，擴(kuò)展測(cè)繪單位或企業(yè)的作業(yè)領(lǐng)域、提高測(cè)量效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]甘衛(wèi)軍，李強(qiáng)，張銳，等.中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與應(yīng)用[J].工程研究——跨學(xué)科視野中的工程，2012，4（4）：324-330.

[2]地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工程研究中心.中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)技術(shù)規(guī)程[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2006.

[3]地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工程研究中心.地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程[M].北京：中國(guó)環(huán)境出版社，2014.

[4]吳晨，孫慶文，金鵬，等.中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)山東分系統(tǒng)的建設(shè)[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2012，8（32）：138-140.

[5]梁輝.談中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)工程建站工作[J].山西地震，2008（3）：24-36.

[6]占偉，武艷強(qiáng)，章力博，等.陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)GNSS連續(xù)站分區(qū)解算方案的對(duì)比分析[J].地震，2014，4（32）：136-142.

基金項(xiàng)目：地震行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)（No.201308004）。

作者簡(jiǎn)介：韓宇飛，男，1981年生，山西長(zhǎng)治人，漢族，碩士，助理研究員，項(xiàng)目主管，主要從事陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目管理、重力觀測(cè)數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用研究。