中国大陆构造环境监测网络流动型GNSS基准站

摘 要：针对中国大陆构造环境监测网络（简称“陆态网络”）GNSS基准站的建设现状，设计了流动型GNSS基准站，集成了观测系统、供电系统、移动平台、通信系统等诸多系统。不但实现了临时GNSS基准站和局域差分基准站的架设能力，而且对固定GNSS基准站的功能实现了灵活、快速、有效的延伸，更重要的是可作为行业示范项目，扩展测绘单位或企业的作业领域、提高测量效率。

关键词：陆态网络；GNSS；基准站

1 概述

陆态网络是国家发展和改革委员在“十一五”期间列入国家高技术产业发展项目的国家重大科技基础设施项目之一，由中国地震局、中国科学院、国家测绘地理信息局、中国气象局和教育部等多部委共同建设。陆态网络以全球卫星导航定位系统（GNSS）为主，辅以长基线干涉测量（VLBI）、人卫激光测距（SLR）和合成孔径雷达干涉测量（InSAR）等空间技术，结合精密重力和精密水准等传统大地测量技术，对中国大陆极其邻区的地球岩石圈、水圈和大气圈变化进行多手段的、实时与非实时相结合的综合观测。GNSS观测手段建设了260个连续观测的固定GNSS基准站和2000个不定期观测固定GNSS区域站，但是基准站在有些区域的台站分布稀疏程度和整网密度还不尽合理。从技术应用或科学研究的角度来说，陆态网络已经实现了中国大陆地壳运动大尺度变化图像的获取（100～1000km量级），但如要揭示小尺度的地壳形变特征，需连续准确地获取与地震孕育有关的、响应尺度的次级地块运动，特别是获取次级地块之间的差异运动随时间变化的精细图像，才能有效揭示地壳细部形变信息，完成了流动型GNSS基准站的设计与建设工作，可作为固定型GNSS站的有效补充设施和功能延伸站点。

2 数据处理模式设计

针对野外测量工作的特点，为方便测量人员应对野外的复杂工作环境，可以根据工作需要采用远端和站端两种数据处理方式，从数据流程的角度来看两种处理方式的工作模式如下：

2.1 远端处理

流动基准站将GNSS观测数据传输给数据中心，由数据中心汇集周边基准站的观测数据，并对本站数据和周边基准站数据进行数据处理，解算本站的精确坐标位置，将基准站坐标传输到本站。流动基准站生成RTCM信息，利用电台或3G网络发送给附近的移动测量用户。

2.2 站端处理

流动基准站将GNSS观测数据传输给数据中心，同时由数据中心汇集周边基准站的观测数据并将其传输到可移动基准站，可移动基准站内计算机利用专业软件进行数据处理，解算本站的精确坐标位置，可移动基准站生成RTCM信息，利用电台或3G网络发送给附近的移动测量用户。

3 系统组成及功能

考虑了流动GNSS基准站灵活部署、GNSS基准站数据接收、GNSS观测的RTK功能实现、数据传输、连续长时间供电等需求，流动型GNSS基准站设计从功能上分为观测系统、供电系统、数据传输系统、数据处理与备份系统和装载平台等五个部分（图1）。

3.1 观测系统

观测系统是流动型GNSS基准站的核心功能实现系统，主要有GNSS接收天线、基准站GNSS接收机、RTK电台和接收机，另可配置气象仪作为辅助观测设备获取温度、湿度、气压等气象参数。

为免受制于单一卫星系统、提高观测的系统安全，GNSS天线应能够同时接收到目前已有的导航卫星系统包括GPS、GLONASS、GALILEO等卫星的信号。GNSS天线应具备同步跟踪地平仰角0°以上的所有可见的GNSS卫星的能力，具有抗多路径效应的能力，能在极端气象环境下长期正常稳定工作。流动GNSS基准站架設时，选择接收视野开阔的场地，将天线置于装载平台之外的稳定装置上。

GNSS接收机是可移动GNSS基准站中的核心设备，其功能是对天线接收到的导航卫星系统的卫星信号进行跟踪、处理，并测量计算出观测标墩上标志点的位置，同时通过电台向附近的动态测量用户发送观测数据和相关信息，实现RTK测量。

为了实现流动GNSS基准站的RTK功能，数字电台是必不可少的附件设施，其功能是把GNSS接收机的观测数据和相关信息发送出去，附近的动态测量用户也通过电台收到基准站的观测信息并与用户站的观测数据进行差分处理，得到用户观测点的精确位置。

3.2 供电系统

流动GNSS基准站的供电，应保障观测系统、传输通信系统和数据备份与数据处理系统的正常运行。根据可移动GNSS基准站在野外的流动特性，供电电源系统主要以直流供电电源系统为主，配备蓄电池组，能提供流动GNSS基准站观测系统、数据传输系统、数据处理与备份系统等设备不间断供电。为保证基准站正常运行，电池组要求有24小时以上不间断供电能力。交流电源可由电池组经逆变产生。另外，还应配有外接220V交流电源的接口，在有市电供电的地方接入公用电网。同时配备后备发电机，满足直流供电电源系统蓄电池组充电需求。

3.3 数据传输系统

数据传输系统由站端通信、中心站节点通信和网络安全三部分组成。另外，在数据传输系统中可加入海事卫星Inmarsat通信系统实现全球语音通话功能，特别是在手机信号没覆盖或信号微弱地区可实现语音通话，以便于通信交流或救急救灾联络。

站端通信：在野外测量的大部分地方，无法布设专线通信网络，流动GNSS基准站数据传输只能通过无线方式实现，除了要满足基准站与数据中心、附近移动测量用户之间的通信功能外，还需具备可移动性、高安全性、架设快捷性和操作方便性等特点。基准站与数据中心通讯选用VSAT、3G等无线数据通信方式，与附近移动测量用户的数据交换通过数字电台或3G实现。VSAT、3G组网比较灵活，可以根据需要组合成各种拓朴结构的业务网络，以满足GNSS数据传输的需求。

中心站节点通信：中心站节点负责汇集可移动基准站，并接入陆态网系统国家中心，实现流动GNSS基准站与陆态网络通信系统的连接。中心站节点包括3G通信接入汇聚、卫星中心站、VOIP语音系统、互联网接入、网络安全等。

网络安全：考虑到陆态网络系统的整体安全要求以及移动基准站的特殊性，在使用3G系统进行通信的过程中，使用VPN技术对互联网信道进行封装加密，并在封装的安全信道内对传输的数据信息进行二次加密，保障系统的安全性要求。卫星系统则采用与固定基准站相同的通信模式，即使用专用信道传输，保证了通信的安全性。

3.4 数据处理与备份系统

主要功能为GNSS观测数据下载存储与野外数据处理，由车载计算机完成。数据处理与备份系统软件应具备如下功能：多类型GNSS观测数据下载、存储、整理与计算，获得本站的精确坐标位置。

3.5 装载平台

装载平台是流动GNSS基准站的主要载体。考虑到作业区遍布全国，装载平台需具备越野性能、拥有一定工作和生活空间、安全性和可靠性俱佳的汽车，如作业区选择高原地区，还需增加高原补氧设施。

4 接口分析

流动GNSS基准站的核心是观测系统，通过接口与数据备份、数据传输系统连接实现基准站功能。系统之间采用不同的接口和链路实现连接。

4.1 观测系统与备份系统接口分析

观测系统的主体是GNSS接收机，通过GNSS天线接口、串口获取GNSS卫星信号、气象信息，备份存储在计算机中。

观测系统连接可采用网络接口RJ45或串口RS232/USB，均可实现数据的自动采集、存储。

4.2 观测系统与传输系统接口分析

可移动GNSS基准站传输系统主要采用无线通信方式。观测系统的GNSS接收机通过数据接口与计算机连接，计算机采用网络接口RJ45通过无线网接收和发送数据信息。

4.3 观测系统与移动测量用户接口分析

可移動GNSS基准站具有RTK基站的功能，其与移动测量用户的接口是数字电台，通过RTCM数据格式进行通讯。

综上，基准站作为一个有机整体，各系统间接口分析如表1。

5 系统集成

基准站系统集成方式为设备集成、数据集成、供电集成和防雷集成四方面。设备集成是通过在汽车内部按照各硬件体积和走线方式架设机柜，将各种设备牢固安置在机柜上，同时要做好防颠防震措施；数据集成包含数据采集、数据传输、数据存储与管理和监控数据信息的集成；供电集成是将UPS机头、UPS电池、电流逆变器、小型发电机和电源线路等有序简洁集成；防雷集成要考虑车辆防雷、观测设备防雷、电源防雷和网络信号防雷等正系统防雷方案和设备集成。

6 结束语

流动GNSS基准站是针对陆态网络基准站的构成现状，为实现固定GNSS基准站和区域站的功能延伸而设计建设的。采用越野性能好的汽车为装载平台，将GNSS观测系统和其他必要的辅助系统集成为一个有机平台，只要是越野车辆可以到达的地方，就可以搭建临时观测站，起到GNSS基准站和局域差分基准站的作用，在地震应急观测、快速测绘工程站点部署、气象应急响应以及临时GNSS基准站加密部署等应用需求中可发挥重要作用。由系统功能特点可看出该系统可快速部署临时GNSS基准站，作为固定型GNSS站的有效补充设施和功能延伸站点。另外，该系统可作为行业示范项目，测绘单位或企业可以根据各自测绘工作特点，改造该系统中的部分功能形成适应其他测绘工作的流动GNSS测量系统，扩展测绘单位或企业的作业领域、提高测量效率。

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基金项目：地震行业科研专项（No.201308004）。

作者简介：韩宇飞，男，1981年生，山西长治人，汉族，硕士，助理研究员，项目主管，主要从事陆态网络项目管理、重力观测数据处理与应用研究。