某連續(xù)運行GNSS基準(zhǔn)站系統(tǒng)的建設(shè)及運用

徐聲鑫

摘 要：GNSS連續(xù)運行系統(tǒng)其主要以GNSS技術(shù)為核心構(gòu)建的永久性觀測系統(tǒng)?；谠撓到y(tǒng)長年累月的不間斷監(jiān)測技術(shù)，可以實時提供區(qū)域地殼、電離層以及導(dǎo)航定位等多項基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。此次以某地區(qū)連續(xù)運行GNSS基準(zhǔn)站系統(tǒng)建設(shè)為例，對其布網(wǎng)設(shè)計、基準(zhǔn)站建設(shè)以及網(wǎng)絡(luò)通訊等內(nèi)容建設(shè)進行分析。此外，基于該系統(tǒng)可以有效實現(xiàn)對該地區(qū)地殼運動、垂直變化以及重力變化的監(jiān)測，對于當(dāng)?shù)氐卣鸨O(jiān)測預(yù)報等具有重要意義。

關(guān)鍵詞：GNSS；地震監(jiān)測；基準(zhǔn)站

中圖分類號：P228.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）23-0178-02

近些年，隨著人造衛(wèi)星技術(shù)以及電子科技技術(shù)的高速發(fā)展，基于空間大地測量技術(shù)逐漸為人們所接受并得到廣泛應(yīng)用。GNSS技術(shù)較好的測量精度、準(zhǔn)確的時間系統(tǒng)以及較低的建造成本使得其成為當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點。而地震作為重大自然災(zāi)害之一，往往會給受災(zāi)區(qū)域帶來巨大經(jīng)濟損失以及人員傷亡，因此對其進行監(jiān)測預(yù)報尤為重要。而基于GNSS技術(shù)可以有效實現(xiàn)對地震前兆信心的獲取，此外其豐富的功能擴展接口，可以同時為地質(zhì)部門、氣象部門以及交通部門等提供服務(wù)。由此可見GNSS基準(zhǔn)站的建設(shè)為地區(qū)穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。此次就某GNSS基準(zhǔn)站建設(shè)相關(guān)細(xì)節(jié)以及應(yīng)用進行分析，希望可以為相關(guān)單位提供參考借鑒。

1 GNSS運行系統(tǒng)建設(shè)

1.1 基準(zhǔn)站布局原則

GNSS基準(zhǔn)站的建設(shè)其核心為GNSS技術(shù)，而該基準(zhǔn)站同時還需要為當(dāng)?shù)靥峁└呔芩疁?zhǔn)、高精密重力以及高精度的當(dāng)?shù)氐貧とS運動實時監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)，覆蓋面較廣。因此依據(jù)需要該高精度GNSS基準(zhǔn)站，需要同時滿足以下幾個方面：首先，該站可以為當(dāng)?shù)靥峁└叻直媛实沫h(huán)境構(gòu)造時空參數(shù)信息，為當(dāng)?shù)貐^(qū)域網(wǎng)的構(gòu)建提供絕對精確坐標(biāo)，為當(dāng)?shù)氐卣鹬攸c預(yù)警區(qū)域提供高時空分辨率實時監(jiān)測；其次基于該地區(qū)GNSS系統(tǒng)可以與國家CORS以及周邊CORS網(wǎng)進行互聯(lián)，從而更好獲取該區(qū)域以及以及周邊區(qū)域的地殼變化特點，同時對大面積地震預(yù)警做好準(zhǔn)備；最后基于基站建設(shè)應(yīng)當(dāng)可以提供，重力、精準(zhǔn)水準(zhǔn)測量值以及為當(dāng)?shù)厣鐣峁┚_時間與導(dǎo)航等功能。

依據(jù)以上幾個要求點，故該基準(zhǔn)站的布局應(yīng)當(dāng)秉從以下幾個原則，即采取綜合優(yōu)化布局形式，采用總體均勻重點加密的布網(wǎng)形式，對于人群相對密集，區(qū)域地位價值相對較高地區(qū)應(yīng)當(dāng)重點布局，而對于地廣人稀區(qū)域則可以適當(dāng)進行稀疏化布局管理；該系統(tǒng)的建設(shè)主要仍舊以監(jiān)測斷裂帶的運動為目的，因此在其次級活動區(qū)域內(nèi)部均勻布點，在活動相對活的斷裂帶兩側(cè)以及邊界上應(yīng)當(dāng)適當(dāng)進行加密；此外該基準(zhǔn)站的建設(shè)應(yīng)當(dāng)符合當(dāng)前國際標(biāo)準(zhǔn)，并基于已有的GPS基站進行搭配，避免重復(fù)構(gòu)建，盡可能節(jié)省投資成本。

1.2 基準(zhǔn)站建設(shè)要點分析

依據(jù)該地區(qū)實際需要，共假設(shè)了25個基準(zhǔn)站以及3個可移動基準(zhǔn)站。通過野外勘測以及對當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境與地理構(gòu)造特點的分析明確基準(zhǔn)站的架設(shè)位置。依據(jù)布網(wǎng)原則，部分基準(zhǔn)站其架設(shè)主要用于對潛在地震隱患的監(jiān)視，故其中一部分基準(zhǔn)站主要架設(shè)于地震斷裂與盆地邊界大斷裂帶邊界位置，并依據(jù)當(dāng)?shù)卦姓鹦问脚c特點通過平行與垂直斷裂的三角網(wǎng)布網(wǎng)手段構(gòu)建較為密集的臺陣，站與站之間的平均間距控制為80千米。此外，充分考慮到大地構(gòu)造的連續(xù)性特點，在山地以及鄂爾多斯應(yīng)力場也構(gòu)建了基準(zhǔn)站。此次可移動建站的布局，可以很好滿足當(dāng)?shù)貙τ谖ｋU區(qū)域的應(yīng)急地震觀測，基于快速移動可以對基準(zhǔn)站布局相對稀疏區(qū)域進行補給，繼而提高基準(zhǔn)站的密度，大大提高基準(zhǔn)站的預(yù)測可靠性。

1.2.1 觀測室及其系統(tǒng)構(gòu)造

觀測室的構(gòu)建應(yīng)當(dāng)依據(jù)“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”土建相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，施工現(xiàn)場應(yīng)當(dāng)安排專業(yè)監(jiān)理人員，確保工程的施工質(zhì)量以及工程建設(shè)周期。此次該基站觀測系統(tǒng)主要涵蓋：GNSS基準(zhǔn)站墩標(biāo)、水準(zhǔn)點位以及重力墩標(biāo)幾個部分，而其中GNSS基準(zhǔn)站墩標(biāo)又有基巖墩標(biāo)以及土層墩標(biāo)兩個部分。此次針對該GNSS基準(zhǔn)站墩標(biāo)主要采用基巖墩標(biāo)，而土層墩標(biāo)應(yīng)挖深深度超過20米；針對該系統(tǒng)天線的布控，此次則采用扼流圈天線技術(shù)，針對GNSS系統(tǒng)接收機的選擇，則主要采用Trimble NetR9多星多頻接收機；針對氣象三要素的布控，其主要用于對基準(zhǔn)站周邊以及內(nèi)部溫度、氣壓以及環(huán)境濕度的實時監(jiān)測。

1.2.2 供電系統(tǒng)與防雷系統(tǒng)的架設(shè)

供電系統(tǒng)是確保整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行，實現(xiàn)全天候監(jiān)測的關(guān)鍵。因此針對供電系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)進行充分設(shè)計考量，此次供電系統(tǒng)主要涵蓋觀測系統(tǒng)與通信系統(tǒng)的供電、基于平衡式供電系統(tǒng)模式即常見的直流供電系統(tǒng)進行供電，其主要由一臺自動充供電系統(tǒng)以及兩組蓄電池系統(tǒng)構(gòu)成，數(shù)據(jù)備份以及監(jiān)控系統(tǒng)的供電設(shè)備主要有市電供電及UPS不間斷供電系統(tǒng)進行供電。

實際基準(zhǔn)站的架設(shè)位置往往在戶外，且架設(shè)地點環(huán)境復(fù)雜，必要的防雷措施可以使其免遭雷擊等可能。此次基準(zhǔn)站針對避雷系統(tǒng)建設(shè)主要包括，建筑物的避雷措施、供電系統(tǒng)的防雷措施以及傳輸線路和觀測設(shè)備的防雷幾個部分。針對建筑物的防雷措施，主要采用具有較好的接地性能的銅質(zhì)避雷針以及接地電網(wǎng)；而針對供電避雷系統(tǒng)則采用B+C級別的電源防雷設(shè)備；傳輸線路依據(jù)其特性，此次采用網(wǎng)絡(luò)防雷器規(guī)避潛在雷擊；而基于饋線避雷設(shè)備則此次主要用于對觀測設(shè)備的防雷方面。

1.2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份與監(jiān)控安裝

大量基站的建設(shè)，其主要目的是獲得當(dāng)?shù)貙崟r潛在地震數(shù)據(jù)信息以及其它相關(guān)信息。因此針對信息的實時存儲與統(tǒng)計分析尤為關(guān)鍵。此次GNSS基準(zhǔn)站的建設(shè)，針對數(shù)據(jù)存儲備份主要采用NAS存儲介質(zhì)用于對基準(zhǔn)站所接收以及觀測到的數(shù)據(jù)進行實時備份存儲，當(dāng)通訊線路出現(xiàn)問題時，基于該存儲功能可以發(fā)揮巨大作用。監(jiān)控系統(tǒng)的架設(shè)可以幫助觀測室人員更好對基準(zhǔn)站現(xiàn)場情況進行直觀了解，并對基準(zhǔn)站事故進行實時預(yù)報。因此針對每個基準(zhǔn)站架設(shè)必要的監(jiān)控設(shè)備，觀測其周邊安全情況并對站內(nèi)GNSS接收機的工作情況進行及時了解與預(yù)警十分必要。

1.3 數(shù)據(jù)中心構(gòu)建

此次數(shù)據(jù)中心其在整個GNSS系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)重要職責(zé)，其主要用于為全網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸、分析處理以及管理等方面提供服務(wù)?；谠摂?shù)據(jù)中心為整個區(qū)域連續(xù)觀測系統(tǒng)的運行管控以及日常數(shù)據(jù)處理等提供服務(wù)。此外，該數(shù)據(jù)中心同時肩負(fù)數(shù)據(jù)資料共享、并對當(dāng)下各個基準(zhǔn)站監(jiān)測體系進行遠程監(jiān)控以及線上修復(fù)等功能。由此，該數(shù)據(jù)中心主要劃分為多個數(shù)據(jù)系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交流系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)管理和存儲、共享系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)主要針對該地區(qū)GNSS連續(xù)觀測系統(tǒng)的觀測、通信以及數(shù)據(jù)通信等方面的處理與管控等，從而確保該系統(tǒng)可以實現(xiàn)正常不間斷運行。如圖1所示為該GNSS數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

2 連續(xù)運行GNSS基準(zhǔn)站系統(tǒng)運用分析

與其它地區(qū)基準(zhǔn)站建設(shè)類似，該基準(zhǔn)站系統(tǒng)的建設(shè)在地震預(yù)測、區(qū)域地殼運動變化、地球物理正反演變、數(shù)字化城市構(gòu)建以及對流程、時間服務(wù)、定位導(dǎo)航等方面具有十分重要意義。該基準(zhǔn)站系統(tǒng)的建設(shè)已經(jīng)累計積累了多年原始數(shù)據(jù)，通過GAMIT/CLOBK高精度專業(yè)解析，獲得了這些基準(zhǔn)站的精確三維數(shù)據(jù)坐標(biāo)?；谠摳呔菺NSS系統(tǒng)，可以實現(xiàn)毫米級別的水平精度，厘米級別的垂直精度，完全可以滿足時下有關(guān)部門對于測繪精度的需求。

2.1 地震預(yù)報與大地水準(zhǔn)面精算

該GNSS系統(tǒng)可以全天候24小時不間斷運行，進而獲取該區(qū)域?qū)崟r、準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù)信息，并基于該數(shù)據(jù)信息構(gòu)建當(dāng)?shù)氐貧に竭\動以及應(yīng)力應(yīng)變場信息，結(jié)合構(gòu)造背景與斷裂活動等數(shù)據(jù)信息繼而為當(dāng)?shù)氐卣鹪杏闆r以及地震發(fā)展情況進行分析預(yù)測。

該GNSS系統(tǒng)在水平方向精度很高，已經(jīng)達到毫米級別，而在豎直方向上由于測量的是大地高度，因此與常規(guī)的水準(zhǔn)測量獲取的正常高存在一定的區(qū)別?；谟行Т胧┨岣逩PS垂直精度，一直以來使人們研究難點。而基于GNSS連續(xù)運行系統(tǒng)將水準(zhǔn)點與重力點相結(jié)合，可以聯(lián)合進行大地水準(zhǔn)面的精算分析，進而有效提高該系統(tǒng)在垂直方向上的精度級別，為當(dāng)?shù)卮蟮販y量基準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)保障。

2.2 實時動態(tài)定位與去與災(zāi)害研究

RTK技術(shù)又稱為虛擬參考站技術(shù)?；贕NSS系統(tǒng)可以基本實現(xiàn)對地區(qū)的全覆蓋，其測量精度可以達到厘米級別，因此完全可以滿足諸如水暖管線測量、電力線路的測量等需要。此外，基于該系統(tǒng)也可以用于各種點位放樣監(jiān)測，常見比如應(yīng)用于公里軸線放羊、工程樁基的放樣等方面。此外，基于該系統(tǒng)的基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，還可以進行地形圖網(wǎng)的測繪等工作。對于該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害較多情況，尤其針對地震、泥石流滑坡以及地裂縫較多區(qū)域，自然災(zāi)害的發(fā)生勢必會給當(dāng)?shù)厝罕妿斫?jīng)濟損失與人員損傷，而基于該GNSS預(yù)警系統(tǒng)則可以對當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)災(zāi)害進行提前預(yù)警，繼而對地質(zhì)災(zāi)害演生規(guī)律進行分析并切實找尋出地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的方式與預(yù)警，繼而避免地質(zhì)災(zāi)害帶來的損失，規(guī)避地質(zhì)災(zāi)害。

3 結(jié)語

針對地區(qū)投入建設(shè)GNSS連續(xù)運行系統(tǒng)，可以很好服務(wù)當(dāng)?shù)厝罕姡瑸楫?dāng)?shù)胤罏?zāi)減震等提供預(yù)警服務(wù)，同時也為當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)災(zāi)害、互動斷裂分布以及當(dāng)?shù)氐貧み\動形式等提供重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)服務(wù)。目前，隨著地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，構(gòu)建數(shù)字化現(xiàn)代城市是未來發(fā)展趨勢?；谠揋NSS系統(tǒng)可以為當(dāng)?shù)財?shù)字化城市建設(shè)提供保障，憑借其高精度測繪技術(shù)可以為城鄉(xiāng)規(guī)劃、國土規(guī)劃以及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展等提供重要保障。此外，基于該技術(shù)互聯(lián)與數(shù)據(jù)共享，其可以與國家數(shù)據(jù)庫以及國際數(shù)據(jù)進行實時數(shù)據(jù)共享與分析，繼而為國家乃至全球地殼運動數(shù)據(jù)以及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等提供技術(shù)保障，未來隨著通信技術(shù)以及電子技術(shù)的不斷完善與提高，GNSS系統(tǒng)其靈敏度、精確度以及可應(yīng)用性等方面勢必將得到更大提高，進而為人類提供更為可靠、精確的服務(wù)。

參考文獻

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