国家卫星导航定位基准站建设

陈 明，武军郦，李志才

（1. 国家基础地理信息中心，北京 100830； 2. 武汉大学 测绘学院，湖北 武汉 400079；3. 导航与位置服务国家测绘地理信息局重点实验室，北京 100830）

0 引 言

卫星导航定位基准站（简称“基准站”）是指对卫星导航信号进行长期连续观测，并通过通信设施将观测数据实时或者定时传送至数据中心的地面固定观测站[1]。基准站是现代测绘基准体系的核心内容，是大地基准框架的主体。基准站可获得高精度、稳定、连续的观测数据，维持国家三维地心坐标框架，同时提供站点的精确三维位置信息变化，提供实时定位和导航的信息、GNSS卫星轨道信息以及高精度连续的时频信号等[2-6]。

基准站的观测数据经分析处理并形成差分修正信息，可以大幅提高卫星导航定位精度。卫星导航定位基准站网可提供高精度的位置服务，广泛应用于测绘、国土资源、城乡建设、城市规划、交通、水利、农业、环保、防灾减灾等众多行业和民生领域[7]，近年来市场应用规模越来越大，根据2016年度《中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》显示，2016年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达到2 118亿元。

1 建设现状

为加强测绘基准的动态维持，提供高精度卫星导航定位服务，国家测绘地理信息局利用现代测绘基准工程、927工程以及陆态网络等组成了410座规模的国家级基准站网，同时统筹各省级测绘地理信息部门建设管理的2 300余座基准站资源，构建了2 700座站点规模的卫星导航定位基准站网[8-9]。建成了1个国家数据中心和31个省级数据中心，共同组成全国卫星导航定位基准服务系统[10]。国家基准站建设分布和全国卫星导航定位基准服务系统架构如图1所示。

图1 全国卫星导航定位基准服务系统架构Fig.1 System architecture of the national satellite navigation and positioning reference service system

2 建设流程

国家基准站建设过程主要包括站址勘选、施工图设计与审查、施工建设、高程属性测定、设备安装、测试与试运行、资料归档等环节。

1）基准站站址勘选主要包括实地选址、实地测试和资料编制等工作流程。实地选址开始前，应进行人员、设备和相关资料等准备工作，并根据站址的依托条件、地质条件、观测环境条件等进行实地点位的选择，避开断层、易滑坡、易受淹等其他不便观测的地点。点位选择完成后进行实地测试，要求有效观测量不少于85%，mp值小于0.5 m。

2）基准站施工图设计分为施工图标准设计、施工图设计和施工图审核3个阶段。基准站施工图标准设计主要是确定设计原则和技术条件，提出技术经济合理的设计方案；施工图阶段是根据标准的施工图设计，提出符合项目所在地特点及施工要求的施工图；施工图审查是委托具有审图资质的设计院对基准站施工图纸进行技术咨询，保证设计图纸能够满足结构安全和强制性条文标准、规范的要求。

3）基准站的土建工作包括新建基准站和改造基准站2类。新建国家基准站土建工作包括GNSS观测墩、重力观测墩、观测室、工作室的建设，以及电力照明、防雷接地、通信、室外工程等辅助设施建设。改造基准站的工作主要包括通信信息工程、防雷接地系统、房屋装修3个方面。通信网络工程为三级架构网络，包括1个主节点、31个数据分节点以及410个基准站，采用SDH和MSTP专网，实现观测数据信息从基准站到数据分节点和主节点的传输，满足基准站数据采集和网络安全要求。

4）国家基准站的高程属性测定按照国家二等水准规范观测纲要，与最近的国家精密水准点进行联测。基准站强制对中标志与水准标志联测方法一般采用直接水准观测法，采用钢尺量测和三角高程联测等方法时，需报批具体联测技术方案后方能实施。

5）基准站设备主要包括GNSS接收机和天线、气象设备、原子钟、UPS设备、工控机、机柜、防雷设备、路由器以及辅助性设备如铭牌等。在设备安装时，GNSS天线安装于GNSS观测墩顶部强制对中标志上，气象仪探头安装于基准站房屋侧墙，GNSS接收机、UPS主机等其他设备全部安装于观测室内的标准机柜中。

6）基准站设备安装和网络联调完成后，需进行基准站在线测试。基准站测试的主要内容为对基准站的设备安装情况、仪器配置正确性、数据传输完整性、网络通讯质量、远程控制能力等。测试采取在国家数据中心采用远程在线测试的方式进行。基准站测试主要包括GNSS观测系统测试、气象观测系统测试、原子钟测试、网络通信系统测试以及辅助设备测试等各系统测试。

7）基准站建设所提交的成果主要包括勘选资料、初步设计资料、施工图设计资料、施工土建资料、监理资料、高程属性测定资料、设备安装资料等。基准站提交的成果资料包括纸介质和电子介质2种，两者内容完全一致。

3 系统配置

国家基准站主要由观测系统、网络传输系统、供电系统、备份与监控系统、防雷接地系统、视频监控系统和基础设施等部分组成。GNSS接收机和GNSS天线为观测系统，是基准站的核心主体，是直接产出观测数据的部分，其他各系统和设施均为其提供支撑，如图2所示。

图2 基准站系统组成Fig.2 Composition of GNSS reference station

在国家基准站建设和运行过程中，对各系统的配置进行统一的要求，包括是否能接收四系统卫星信号、GNSS接收机IP地址统一规划、站点代码配置统一为标准四字符、GNSS接收机数据存储应设置满时删除、接收机内存使用率不大于90%、应以站点代码存储信息正确完整的接收机配置文件等。其中对于GNSS接收机来讲，实时和定时产出和传输观测数据是其主要功能，因此数据流I/O功能配置和数据文件存储配置最为重要，国家基准站的数据配置见表1、表2。

表1 I/O配置要求Tab.1 I/O configuration requirements

表2 数据文件存储配置要求Tab.2 Storage configuration requirements for data fi les

4 建设特点

国家基准站建设方案是起点高、技术难度大、社会需求迫切的重点工程项目，建设地点遍布全国所有省市，建设内容涉及多个行业，总的来说，是一个涉及范围广、内容庞杂、工序流程复杂、质量要求高的项目。国家基准站建设具有如下几方面特点：

1）强制对中装置设计

常规的GNSS基准站测量标志在安装时，会出现因水泥凝固产生形变导致标志位移，难以保证标志的垂直度、安装高度与观测墩的几何关系。因此，项目根据标志功能要求和施工特点，对GNSS观测墩标志进行了专业设计，强制对中标志底部设计为三脚爪标以保证标志和混凝土牢固密合，顶部设计为标志和对中杆严密套合的无螺纹设计避免可能的螺丝松动，此外防天线线缆逆向转动的设计保证了GNSS天线长期稳定不变，该创新性设计体现了国家基准站优质、高效、精准、科学的理念。

2）墩体施工精度控制

根据施工设计图的要求，GNSS观测墩和重力观测墩之间，两者与不同方向的墙体之间具有固定的尺寸，而且精度要求较高；同时，要求地面与两个墩体的顶面在同一个水平面（即±0），为此，项目组结合测绘工程专业的优势，为观测墩施工建立了独立坐标系统，把GNSS观测墩、重力墩、各个房屋的拐点、以±0为基准的各个关键部位的高度、GNSS观测墩的垂直度均通过全站仪和GPS精确确定，既保证了各关键部位位置的准确性、又克服了多种外部因素导致的施工误差。

3）磁偏角精准放样

根据国家基准站设计要求，站点坐标年变率要求小于0.5 mm/yr，因而需要控制GNSS天线指北偏差引起的误差。项目设计要求天线指北偏差绝对值小于5°，但是每个地区的地磁场及环境各不相同，为此需要在每个GNSS观测墩强制对中装置安装过程中控制其指北偏差。项目部结合GNSS测量技术、磁偏角观测技术，设计了GNSS磁偏角放样方法，先在基准站观测墩施工前进行磁偏角测量，强制对中装置安装时采用放样的方法控制指北偏差。该方法严密、精确、高效，结合测绘工程优势，严格控制了观测墩强制对照装置的磁偏角，从而保证GNSS天线指北偏差满足设计要求。

4）高精度时频系统

国家基准站分布全国，区域跨度很大，为保证整网观测精度，需要提高GNSS接收机时钟频率精度。因此，项目部设计和建设了完善的高精度时间频率系统，即在全国均匀布设10座高精度原子频标，使用10-12高精度外接原子频标铷钟来代替GNSS接收机频标。在全国整网实现了利用地面观测站的高精度时钟频率信息，解算和确定了GNSS卫星的时钟偏差，提高了整网观测精度。

5）多效防雷系统

由于在基准站运行维护中，大多设备故障和损坏都是由雷击造成的，所以基准站防雷接地系统的标准和质量非常重要。国家基准站除建设了高质量的防雷地网和等电位连接带之外，还提高了防雷的标准。主要包括：①防雷系统接地电阻小于4Ω，高于一般建筑物10Ω的防雷要求。②在此基础上，基准站所有设备和防雷地网均进行等电位连接，增强了感应雷损害的预防能力。③此外，增设了3种防浪涌设备，保障设备设施防雷安全。分别在GNSS接收机、路由器、配电箱等设备前端加设防浪涌设备，在关键设备上再加一道防护。

6）平衡式供电系统

为保证观测系统、通讯系统能够可靠、稳定、连续不间断运行，观测系统、通信系统应采用电池组直流供电。充电与供电相互交替独立自动切换，保证了供电的可靠性。基准站内设备供电方案分为直流供电和交流供电，其中观测系统采用直流供电，其他设备采用交流供电，将直流供电系统和交流供电系统集成，保证了站点设备供电的不间断性和稳定性，使其协调工作，共同实现站点观测系统的电力保障。

5 建设效益

国家基准站的建设和应用直接推动了我国现代测绘基准体系建立、维持与服务的进程，促进了CGCS2000推广应用，对于推动全国卫星导航定位基准服务系统的统筹建设发挥了重要作用，进一步提升了我国测绘基准服务保障能力，经济效益和社会效益显著。具体应用推广和效益包括：

1）为维持全国坐标框架动态性和统一性提供支撑

2000国家大地坐标系(CGCS2000)是国家法定的坐标系和我国新一代的大地基准，而基准站是CGCS2000坐标框架的骨干设施，是建立和维护全球地球参考框架，实现国家与地方大地基准统一，以及我国大地坐标系统与全球地球参考系统保持动态联系最主要的技术手段。国家基准站网将获取高精度、海量、可靠观测数据，为准确描述中国坐标框架动态性，统一全国坐标框架提供重要的数据支撑。

2）提供跨区域大范围高精度定位服务

国家基准站对区域基准站网的网型结构进行了优化升级，节约了各省在基准站建设的投入经费，避免重复建设。以国家基准站网为主体组成的全国卫星导航定位基准服务系统，建立了国家与地方基准站数据汇集机制以及数据交换平台，有效地解决省与省接边和空白区域的服务问题，实现各省区域资源的共享。通过全国基准站网数据交换和共享平台，充分地利用各省现有卫星导航定位基准服务系统网络RTK服务平台，在全国范围内实现跨区域、大范围、高精度、无缝的卫星导航定位服务，对于促进地理信息产业和位置服务的快速健康发展具有积极作用。

3）促进和引导北斗产业应用蓬勃发展

中国北斗二代导航卫星系统已经完成了区域服务建设，作为卫星导航定位最主要的应用行业，集北斗、GPS、GLONASS和Galileo四系统的国家基准站的建设完成，形成了全国最权威的导航定位服务系统和应用平台，这对于推进现代测绘基准的广泛使用、为用户提供更高精度的北斗导航与定位服务、大力促进北斗系统产业化应用将产生显著效果。同时北斗基准站在确定和提高北斗导航卫星轨道方面具有不可替代的作用，国家基准站将为我国北斗应用推广和卫星导航事业持续健康发展提供更大支持与帮助。

4）提供高精度卫星导航定位数据和成果服务

国家基准站是连续采集多模多频卫星定位观测数据的重要基础设施，是国家大地基准维持与实用化的主要保障手段，通过连续观测，采集了大量的1s和30 s的连续观测数据，直接用于计算精密卫星轨道、钟差和电离层等实时产品，并与省级基准站网无缝衔接，补充和完善省级定位服务，应用于广域实时精密导航定位服务和区域厘米级实时导航定位，可直接或间接地为地学、空间科学、海洋学、气象学、环境科学、资源开发等领域提供高精度、地心、动态的连续观测数据，满足国内外各类高精度用户需求。

6 结束语

目前，410个国家基准站已经全部建设完成并投入正式运行，向国家数据中心实时传输稳定有效的观测数据。作为卫星导航定位基准服务系统的重要组成部分，国家基准站可用于国家坐标框架建立与维持，以及广域实时精密定位，可面向其他政府部门、企业和社会大众提供导航定位服务，这对于推进现代测绘基准的广泛使用，为用户提供更高精度、范围更广的测绘地理信息服务，以及将对大力促进测绘地理信息应用产生显著效果。