陳明,武軍酈

(1.國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心,北京 100048;2.國(guó)家測(cè)繪地理信息局導(dǎo)航與位置服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100048)

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GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)的相關(guān)問(wèn)題探討

陳明1,2,武軍酈1，2

(1.國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心,北京 100048;2.國(guó)家測(cè)繪地理信息局導(dǎo)航與位置服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100048)

摘要：國(guó)內(nèi)GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)建設(shè)全面展開(kāi),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(kāi)始對(duì)社會(huì)提供服務(wù)。基準(zhǔn)站網(wǎng)運(yùn)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(yùn)行管理等方面內(nèi)容。本文對(duì)基準(zhǔn)站網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)規(guī)范進(jìn)行了介紹,結(jié)合基準(zhǔn)站網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)的工作實(shí)踐,對(duì)基準(zhǔn)站網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了探討。

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

0引言

當(dāng)前,我國(guó)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)建設(shè)已全面展開(kāi)。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(yùn)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(kāi)始對(duì)社會(huì)提供服務(wù)。除此之外,國(guó)家測(cè)繪地理信息局組織實(shí)施的覆蓋全國(guó)的國(guó)家全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)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(guó)內(nèi)各省份已建成1 200多個(gè)區(qū)域級(jí)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站,在建或規(guī)劃的也有700多個(gè)。各地區(qū)域級(jí)基準(zhǔn)站網(wǎng)建成后,其運(yùn)行維護(hù)方面如無(wú)可供參考的行業(yè)或國(guó)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(yùn)行狀況混亂,系統(tǒng)資源利用率低等運(yùn)行維護(hù)問(wèn)題,對(duì)今后我國(guó)基準(zhǔn)站網(wǎng)的建設(shè)和維持也會(huì)造成不利的影響。面對(duì)這種情況,需要制定關(guān)于基準(zhǔn)站網(wǎng)在運(yùn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)市、省、國(guó)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(yùn)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(yùn)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。基準(zhǔn)站網(wǎng)的運(yùn)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(chǔ)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(guó)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(guó)家相關(guān)要求,我國(guó)應(yīng)統(tǒng)一采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)。對(duì)于國(guó)家基準(zhǔn)站網(wǎng)而言,國(guó)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(chǎng),與國(guó)際IGS跟蹤站進(jìn)行聯(lián)合處理,建立與國(guó)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(guó)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(cè)數(shù)據(jù)、RINEX格式數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等,經(jīng)過(guò)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(shí)間序列、基準(zhǔn)站國(guó)家基準(zhǔn)站網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)主要包括基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)、基準(zhǔn)站坐標(biāo)值、基準(zhǔn)站坐標(biāo)時(shí)間序列、速度場(chǎng)、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(duì)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(cè)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(duì)于上述數(shù)據(jù)與成果,在基準(zhǔn)站網(wǎng)運(yùn)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(chǔ)、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)備份與入庫(kù)、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(dòng)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(cè)和更新。設(shè)備參數(shù)設(shè)置更改后或設(shè)備更新時(shí),應(yīng)及時(shí)做好記錄。并應(yīng)建立基準(zhǔn)站設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)報(bào)警機(jī)制。通過(guò)數(shù)據(jù)中心軟件實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站設(shè)備運(yùn)行異常的報(bào)警,從而能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并處理[6]。

數(shù)據(jù)中心主要包括服務(wù)器、磁盤(pán)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(pán)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(yùn)行監(jiān)視,對(duì)計(jì)算機(jī)磁盤(pán)空間進(jìn)行監(jiān)控和整理。此外,應(yīng)定期對(duì)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(cè)與維護(hù),檢測(cè)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(shí)間、丟包率、網(wǎng)絡(luò)安全等。

2運(yùn)行維護(hù)技術(shù)問(wèn)題探討

2.1接收機(jī)檢測(cè)方法、檢定

按照《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量型接收機(jī)檢定規(guī)程》(CH/T 8016),基準(zhǔn)站接收機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的檢測(cè)應(yīng)屬于B類(lèi)檢測(cè),需進(jìn)行如下項(xiàng)目檢測(cè):接收機(jī)系統(tǒng)檢視、接收機(jī)通電檢驗(yàn)、內(nèi)部噪聲水平測(cè)試、接收機(jī)頻標(biāo)穩(wěn)定性檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)價(jià)、GNSS接收機(jī)附件檢驗(yàn)等。接收機(jī)系統(tǒng)檢視、接收機(jī)通電檢驗(yàn)項(xiàng)目、GNSS接收機(jī)附件檢驗(yàn)可通過(guò)基準(zhǔn)站的巡視檢查工作來(lái)完成;接收機(jī)頻標(biāo)穩(wěn)定性檢驗(yàn)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(jì)的結(jié)果和數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查分析結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)。由于基準(zhǔn)站GPS接收機(jī)需要連續(xù)運(yùn)行,設(shè)備如果拆卸,將影響站點(diǎn)坐標(biāo)的長(zhǎng)期穩(wěn)定,無(wú)法做到送檢,內(nèi)部噪聲水平測(cè)試無(wú)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(xiàng)檢測(cè)。

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(shí),或由于地殼運(yùn)動(dòng)、地面沉降等自然或人為因素造成基準(zhǔn)站顯著位移時(shí),國(guó)家坐標(biāo)框架應(yīng)適時(shí)更新,更新基準(zhǔn)站坐標(biāo)值及速度場(chǎng),與國(guó)際IGS跟蹤站進(jìn)行聯(lián)合解算,建立與國(guó)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(guó)家坐標(biāo)框架變化及時(shí)更新。區(qū)域基準(zhǔn)站網(wǎng)內(nèi)個(gè)別基準(zhǔn)站發(fā)生顯著位移(平面位置變化超過(guò)2 cm或高程變化超過(guò)3 cm)時(shí),應(yīng)及時(shí)更新基準(zhǔn)站坐標(biāo)。當(dāng)基準(zhǔn)站累計(jì)更新數(shù)量達(dá)到30%時(shí),應(yīng)進(jìn)行全網(wǎng)更新。下面根據(jù)國(guó)內(nèi)基準(zhǔn)站網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際建設(shè)經(jīng)驗(yàn)總結(jié),以江蘇省基準(zhǔn)站網(wǎng)為例說(shuō)明上述指標(biāo)要求。

網(wǎng)絡(luò)RTK實(shí)時(shí)定位精度設(shè)計(jì)指標(biāo)一般定為:平面±3 cm,高程±5 cm.為了實(shí)時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)參考基準(zhǔn)的現(xiàn)勢(shì)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(shí)時(shí)定位的精度,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值定為平面2 cm,高程3 cm.根據(jù)江蘇省對(duì)70個(gè)基準(zhǔn)站網(wǎng)五年來(lái)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(guò)1 cm的站點(diǎn)有10個(gè)(具體統(tǒng)計(jì)見(jiàn)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(shì)性,必須要及時(shí)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(shí),跟周邊基準(zhǔn)站無(wú)法兼容,進(jìn)而無(wú)法完成相應(yīng)的基線解算,不能正常對(duì)外提供差分定位服務(wù)[7]。

表1　江蘇基準(zhǔn)站網(wǎng)站點(diǎn)沉降速率大于

2.3數(shù)據(jù)質(zhì)量

連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)作為國(guó)家和區(qū)域的坐標(biāo)參考框架,觀測(cè)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(duì)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(cè)值和載波相位觀測(cè)值的線性組合來(lái)進(jìn)行GNSS數(shù)據(jù)中的誤差估計(jì),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(hào)信噪比等信息,能快速而且準(zhǔn)確地評(píng)定GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量。TEQC是通過(guò)數(shù)據(jù)可用率、多路徑效應(yīng)、CSR和信噪比來(lái)評(píng)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(cè)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(shí),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(shù)木等障礙物的遮擋均會(huì)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(jì)算如式(1)和式(2)所示。其中p1和p2分別是雙頻偽距觀測(cè)值;φ1和φ2為相位觀測(cè)值;α為L(zhǎng)1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(cè)時(shí)段MP1、MP2的均方差(RMS)值,同時(shí)結(jié)合CSR,這3個(gè)值能較好地反映出基準(zhǔn)站附近的觀測(cè)環(huán)境以及觀測(cè)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(shí)失鎖,導(dǎo)致載波相位觀測(cè)中整周計(jì)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(cè)與評(píng)定,處理結(jié)果文件中以o/slips值來(lái)表示觀測(cè)值和周跳比,但是實(shí)際中,o/slips通常以另外一種形式CSR 來(lái)表現(xiàn),如式(3)。CSR不僅僅反映了觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量中的周跳信息,同時(shí)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(shí)流動(dòng)站RTK采樣歷元間隔一般也是1 s,所以延遲時(shí)間應(yīng)<1 s.如果基準(zhǔn)站延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng),則該基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)將不參與整網(wǎng)解算,會(huì)影響差分信息的質(zhì)量。而網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)中流動(dòng)站用戶(hù)定位頻率通常為1 Hz,如果流動(dòng)站用戶(hù)數(shù)據(jù)延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng),會(huì)直接影響流動(dòng)站差分改正信息的接收。故要求所有基準(zhǔn)站及流動(dòng)站相對(duì)于數(shù)據(jù)中心的延遲小于1 s[8].

3結(jié)束語(yǔ)

連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)已在全國(guó)鋪開(kāi),基準(zhǔn)站建設(shè)方面已有建設(shè)規(guī)范以及國(guó)家級(jí)技術(shù)規(guī)范可供參考。而建成之后的運(yùn)行維護(hù)和應(yīng)用,雖有部分省市已面向社會(huì)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(yùn)行維護(hù)規(guī)范中關(guān)注的一些問(wèn)題進(jìn)行了探討,并結(jié)合實(shí)例,對(duì)一些指標(biāo)的確定提供了相關(guān)依據(jù)。同時(shí)相關(guān)規(guī)范還需要逐步得到發(fā)展和完善,以滿(mǎn)足國(guó)家及區(qū)域基準(zhǔn)站運(yùn)行維護(hù)中的應(yīng)用需求。

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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(jí)工程師,主要從事GNSS基準(zhǔn)站設(shè)計(jì)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(jiǎn)介

中圖分類(lèi)號(hào)：F291.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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(chǎng)、電離層及對(duì)流層模型、差分改正信息等成果。