GNSS连续运行基准站网运行维护的相关问题探讨

陈明,武军郦

(1.国家基础地理信息中心,北京 100048;2.国家测绘地理信息局导航与位置服务重点实验室,北京 100048)



GNSS连续运行基准站网运行维护的相关问题探讨

陈明1,2,武军郦1，2

(1.国家基础地理信息中心,北京 100048;2.国家测绘地理信息局导航与位置服务重点实验室,北京 100048)

摘要：国内GNSS连续运行基准站网建设全面展开,很多省、市建成或正在建设基准站网,部分的地区已经开始对社会提供服务。基准站网运行维护主要考虑坐标框架维护、数据管理、设施维护、安全管理与应急保障、应用服务、日常运行管理等方面内容。本文对基准站网运行维护规范进行了介绍,结合基准站网运行维护的工作实践,对基准站网运行维护的相关技术问题进行了探讨。

关键词：GNSS;基准站网;运行维护;规范

0引言

当前,我国全球导航卫星系统连续运行基准站网建设已全面展开。北京、香港、上海、深圳、天津、武汉、昆明、成都等地已建立了城市的服务系统,广东、江苏、浙江、河北、山西、江西、福建、安徽、山东、湖南、广西、内蒙古、河南、湖北、贵州、吉林等省份建成或正在建设覆盖全省的连续运行卫星定位综合服务系统,部分省市基准站网已经开始对社会提供服务。除此之外,国家测绘地理信息局组织实施的覆盖全国的国家全球导航卫星系统连续运行基准站网也正在建设中[1]。

根据目前掌握的情况,国内各省份已建成1 200多个区域级连续运行基准站,在建或规划的也有700多个。各地区域级基准站网建成后,其运行维护方面如无可供参考的行业或国家标准,缺少相关的指导规范,容易造成基准站网系统坐标框架不统一,系统运行状况混乱,系统资源利用率低等运行维护问题,对今后我国基准站网的建设和维持也会造成不利的影响。面对这种情况,需要制定关于基准站网在运行维护中所涉及到的相关技术要求,如坐标框架维护、数据管理、设施维护、安全管理与应急保障、应用服务、日常运行管理等。此外,基准站产品及服务尚未统一标准,难以实现市、省、国家的基准站网的互联互通互操作,也是造成数据、服务等资源共享方面的技术障碍[2-3]。

1运行维护中的主要工作

由于全球导航卫星系统连续运行基准站网涉及信息技术、导航定位、通讯以及精密数据处理等各领域。基准站网的运行维护是保障基准站网数据采集、数据传输、成果服务等的重要环节,主要技术内容应包括:坐标框架维护方式和更新周期、基准站网数据存储与备份、软硬件维护、网络维护、安全和应急保障措施、应用服务的内容和管理、设备巡检、资料归档等。

1.1坐标框架维护

坐标框架是基准站网的基础,国家及区域基准站网的坐标系统应保持一致性,根据国家相关要求,我国应统一采用2000国家大地坐标系(CGCS2000)。对于国家基准站网而言,国家坐标框架应定期进行维护,解算并更新基准站坐标值及速度场,与国际IGS跟踪站进行联合处理,建立与国际坐标框架之间的联系。区域基准站网应在国家坐标框架下进行定期更新坐标成果[4-5]。

1.2数据管理与服务

基准站网数据主要包括GNSS原始观测数据、RINEX格式数据、气象数据等,经过数据处理,可以产出精密星历、卫星钟差、基准站坐标值日解周解月解年解、基准站坐标变化时间序列、基准站国家基准站网应用服务主要包括基准站观测数据、基准站坐标值、基准站坐标时间序列、速度场、超快速、快速、事后精密星历、坐标转换服务、电离层和对流层模型、在线PPP服务、事后精密数据处理服务和其他相关服务。区域基准站网应用服务主要包括基准站观测数据、基准站坐标值、坐标转换服务、网络RTK服务、事后精密数据处理服务和其他相关服务。

对于上述数据与成果,在基准站网运行维护中,应规范管理,建立稳定机制,将数据存储、数据质量检查、数据备份与入库、数据处理、数据服务等环节统一管理,将一系列工作流程化、自动化,保证数据资源的完整性与应用服务的稳定性。

1.3设施维护

基准站主要包括GNSS接收机、GNSS天线、气象仪、不间断电源、网络通讯设备、防雷设备等设备,各设备应准确登记设备信息,定期检测和更新。设备参数设置更改后或设备更新时,应及时做好记录。并应建立基准站设备运转报警机制。通过数据中心软件实现基准站设备运行异常的报警,从而能够及时发现问题并处理[6]。

数据中心主要包括服务器、磁盘阵列、网络通讯设备、不间断电源等设备,硬件配置应具备一定的冗余度。建立磁盘监控与整理机制,设置系统控制参数和进行系统运行监视,对计算机磁盘空间进行监控和整理。此外,应定期对数据中心局域网和基准站数据通信网络进行检测与维护,检测内容包括:网络设备工作状态、带宽、传输速率、误码率、延迟时间、丢包率、网络安全等。

2运行维护技术问题探讨

2.1接收机检测方法、检定

按照《全球定位系统(GPS)测量型接收机检定规程》(CH/T 8016),基准站接收机运行过程中的检测应属于B类检测,需进行如下项目检测:接收机系统检视、接收机通电检验、内部噪声水平测试、接收机频标稳定性检验和数据质量的评价、GNSS接收机附件检验等。接收机系统检视、接收机通电检验项目、GNSS接收机附件检验可通过基准站的巡视检查工作来完成;接收机频标稳定性检验和数据质量利用高精度分析软件进行的残差分析统计的结果和数据质量检查分析结果来评价。由于基准站GPS接收机需要连续运行,设备如果拆卸,将影响站点坐标的长期稳定,无法做到送检,内部噪声水平测试无法采用常规零基线和超短基线的方法进行,可不进行此项检测。

2.2变化更新周期

当全球坐标框架发生变化、更新时,或由于地壳运动、地面沉降等自然或人为因素造成基准站显著位移时,国家坐标框架应适时更新,更新基准站坐标值及速度场,与国际IGS跟踪站进行联合解算,建立与国际坐标框架之间的联系。

区域坐标框架应根据国家坐标框架变化及时更新。区域基准站网内个别基准站发生显著位移(平面位置变化超过2 cm或高程变化超过3 cm)时,应及时更新基准站坐标。当基准站累计更新数量达到30%时,应进行全网更新。下面根据国内基准站网系统的实际建设经验总结,以江苏省基准站网为例说明上述指标要求。

网络RTK实时定位精度设计指标一般定为:平面±3 cm,高程±5 cm.为了实时保证网络RTK作业参考基准的现势性,必须要进行基准站坐标的更新,且更新的阈值应该小于网络RTK实时定位的精度,根据经验值定为平面2 cm,高程3 cm.根据江苏省对70个基准站网五年来的数据处理结果显示,江苏地区基准站每年的沉降量超过1 cm的站点有10个(具体统计见表2),最严重的地区可达每年7 cm.为了保持基准站坐标的现势性,必须要及时更新基准站坐标。且当基准站坐标的变化量较大时,跟周边基准站无法兼容,进而无法完成相应的基线解算,不能正常对外提供差分定位服务[7]。

表1　江苏基准站网站点沉降速率大于

2.3数据质量

连续运行基准站网作为国家和区域的坐标参考框架,观测数据的质量好坏直接影响到系统的服务质量。目前对数据质量进行分析的软件主要是TEQC软件。TEQC是UNAVCO研制的GPS/GLONASS数据预处理软件,主要功能包括:格式转换、编辑和质量检核。其中的主要原理是利用伪距观测值和载波相位观测值的线性组合来进行GNSS数据中的误差估计,可以反映出GNSS数据的电离层延迟、多路径效应、接收机周跳、卫星信号信噪比等信息,能快速而且准确地评定GNSS数据质量。TEQC是通过数据可用率、多路径效应、CSR和信噪比来评定。

1) 数据可用率

数据可用率为有效历元数据占总观测历元的比率,可以反应出基准站附近的遮挡、多路径等综合影响,当数据可用率低于85%时,基准站需要变更站址。

2) 多路径效应

基准站周边电磁环境的干扰、高大建筑物的折射以及如树木等障碍物的遮挡均会产生多路径效应。TEQC中反映L1和L2波段多路径效应的是MP1和MP2数值,其计算如式(1)和式(2)所示。其中p1和p2分别是双频伪距观测值;φ1和φ2为相位观测值;α为L1和L2波段的频率值之比的平方。通常,TEQC的结果文件里是输出观测时段MP1、MP2的均方差(RMS)值,同时结合CSR,这3个值能较好地反映出基准站附近的观测环境以及观测数据的质量。

(1)

(2)

3) CSR

周跳是指在GPS接收机载波跟踪中由于临时失锁,导致载波相位观测中整周计数出现不连续的现象。TEQC中采用电离层残差方法进行周跳的探测与评定,处理结果文件中以o/slips值来表示观测值和周跳比,但是实际中,o/slips通常以另外一种形式CSR 来表现,如式(3)。CSR不仅仅反映了观测数据质量中的周跳信息,同时也反映了该接收机周跳修复能力。

(3)

2.4网络延迟指标

网络延迟指标一般取为不大于1 s.由于目前主流的网络RTK服务软件要求基准站的数据延迟不大于1 s,数据中心软件模型解算是每秒解算一次,同时流动站RTK采样历元间隔一般也是1 s,所以延迟时间应<1 s.如果基准站延迟时间过长,则该基准站的数据将不参与整网解算,会影响差分信息的质量。而网络RTK服务中流动站用户定位频率通常为1 Hz,如果流动站用户数据延迟时间过长,会直接影响流动站差分改正信息的接收。故要求所有基准站及流动站相对于数据中心的延迟小于1 s[8].

3结束语

连续运行基准站网已在全国铺开,基准站建设方面已有建设规范以及国家级技术规范可供参考。而建成之后的运行维护和应用,虽有部分省市已面向社会提供服务,但目前还处于逐渐成熟的阶段。本文结合基准站网运行维护规范中关注的一些问题进行了探讨,并结合实例,对一些指标的确定提供了相关依据。同时相关规范还需要逐步得到发展和完善,以满足国家及区域基准站运行维护中的应用需求。

参考文献

[1] 陈俊勇.张鹏.在中国构建全球导航卫星连续运行站网及其服务系统.[J].测绘科学,2009,34(3):5-6.

[2] 刘经南.刘晖.建立我国卫星定位连续运行站网的若干思考[J].武汉大学学报·信息科学版,2003,5(28):27-31.

[3] 过静珺,王丽,张鹏. 国内外连续运行基准站网新进展和应用展望[J].全球定位系统, 2008, 34(1): 20-25.

[4] 刘经南,刘晖.连续运行参考站网络——城市空间数据的基础设施[J].武汉大学学报·信息科学版,2003,6(28): 259-264.

[5] 陈俊勇,张鹏,武军郦,等.关于在中国构建全球导航卫星国家级连续运行站系统的思考[J].测绘学报, 2007, 36(4): 366-369.

[6] 陈明,武军郦. GNSS连续运行基准站数据汇集监控系统的设计与实现[J].全球定位系统, 2013, 38(4): 49-51.

[7] 武军郦,陈明.关于建立GNSS连续运行基准站网相关规范的思考[J].测绘通报, 2013 (9): 38-40.

[8] 刘晖,时晓燕,杨沾吉,等.深圳市连续运行卫星定位服务系统的建立与试验[J].测绘通报, 2003(9): 33-36.

陈明(1984-),男,硕士,主要从事GNSS基准站数据处理和应用等方面的研究工作。

武军郦(1972-),男,高级工程师,主要从事GNSS基准站设计和应用等方面工作。

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

作者简介

中图分类号：F291.1

文献标志码：A

文章编号：1008-9268(2016)01-0083-04

收稿日期：2015-06-17

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.01.017

联系人： 陈明 E-mail: cm@nsdi.gov.cn速度场、电离层及对流层模型、差分改正信息等成果。