甘肃省北斗地基增强系统建设方法研究*

赵 亮，杜玉祥，周 星

(1. 甘肃省测绘工程院，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省应急测绘工程研究中心， 甘肃 兰州 730000)

0 引言

着眼于国家安全和经济社会发展需要，中国自主建设了北斗卫星导航系统，2020年6月23日，北斗三号最后一颗全球组网卫星在西昌卫星发射中心点火升空。2020年7月31日北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式在人民大会堂举行，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平出席仪式，并宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通，标志着北斗卫星导航系统建成。

依据国家、省对北斗地基增强系统建设要求和《甘肃省“十三五”基础测绘规划》主要内容，结合国家军民融合项目，以“立足自然资源，服务社会”为总体目标，以保障国家、甘肃省及地方的重大工程的实施对测绘基准的迫切需求为出发点，按照“精心组织，合理安排，服务用户，拓展能力”的原则，甘肃省北斗地基增强系统建设项目的目标是完成现有卫星导航定位基准站网改造和升级，搭建基于北斗的综合服务平台，为用户提供广域米级、分米级以及厘米级的北斗高精度导航位置和相关的完好性服务[1-3]。

本文以甘肃省北斗地基增强系统建设为例，详细阐述了省级北斗地基增强系统的建设方法，随着系统的建设完成和不断完善，将充分发挥北斗地基增强系统的作用，为北斗卫星导航产业和应用市场提供良好的基础平台，同时为其他省份和行业北斗地基增强系统的建设提供借鉴[4]。

1 前期调研与准备工作

1.1 局部区域实地测试

为了解和掌握甘肃省现有CORS系统(甘肃省卫星导航定位基准站网，以下简称GSCORS)兼容北斗卫星导航系统时提供实时定位服务的基本情况，2016年，甘肃省自然资源厅在兰州、白银区域开展了多品牌接收机、多系统、多服务平台网络RTK定点测试工作，并得出以下结论：

1)国产软硬件的稳定性、性能还有很大的提高空间，特别是网络RTK服务软件，在高程方面比国外服务系统精度差2-3倍，还不能满足现有工程测量及高精度测量的要求。

2)在观测条件较好的情况下，GPS+GLONASS+BDS三星系统、GPS+GLONASS双星系统在PDOP、测量精度上基本一致；在观测条件不理想的情况下，GPS+GLONASS+BDS三星系统比GPS+GLONASS双星系统的固定率提高50%，初始化时间节约40%，证明在观测条件不理想的情况下，GPS+GLONASS+BDS三星系统测量效率比GPS+GLONASS双星系统有明显的提高，这是需要升级现有双星省级CORS系统的主要原因。

1.2 省外单位调研

2019年，对全国30个省、自治区、直辖市开展调研工作，调研内容主要涉及各省级CORS北斗地基增强系统建设情况、站间距、站点密度、接收机品牌和网络RTK服务软件类型等，结合以上工作，总结了一些经验，提出了甘肃省北斗地基增强系统建设的基本思路和主要内容，主要包括：

1)相比之下，甘肃省站点数量还是偏少，需要进一步加密，提高服务效率和稳定性。表1为调研统计结果(仅摘录部分有代表性的省份)。

表1 各省(市、自治区)基准站建设和服务情况

2)调研的各省(市、自治区)大多是多套(国外+国产)服务系统并行使用，以国外服务系统为主提供服务，用户的首选也是国外服务系统，建议甘肃省也实行两套(天宝+国产)服务系统并行使用。

2 系统概况

“十二五”期间，甘肃省自然资源厅初步建成由省内120座(省级站点93座，其他站点为共享陆态网、城市CORS网点)和共享省外47座卫星导航定位基准站组成的导航定位基准信息公共服务系统，提升了甘肃省地理信息数据获取和服务能力，在全省经济建设和社会发展各个领域发挥了应有的作用，为自然资源、国防、矿产、水电、建设、交通、规划、农林、地震、气象等数十个行业370多家单位，2 000余个用户提供了地理信息定位导航服务，累计服务时间超过100万h，社会经济效益显著[5-6]。

受当时条件限制，其缺少“北斗”相关基础设施和服务，卫星导航定位基准站不能接收北斗三代卫星数据，系统不能支持北斗数据接收、处理、分发服务。2020年，结合国家1909军民融合项目，甘肃省北斗地基增强系统建设项目的目标是完成现有卫星导航定位基准站网改造和升级，搭建基于北斗的综合服务平台，为用户提供广域米级和分米级的北斗高精度导航位置和相关的完好性服务[7-9]，主要内容包括：

1)现有93座卫星导航定位基准站北斗改造主要包括增加北斗接收机、位置服务软件北斗功能升级、专用通信网络升级、不间断电源更新等4个方面内容。

2)按照GB/T 28588—2012《全球导航卫星系统连续运行基准站网技术规范》要求，在原基准站建设密度不具备北斗服务区域加密19座北斗卫星导航定位基准站，主要包括站址勘选、设计与施工、专用通信网络搭建、设备安装与调试、坐标联测、水准连测等内容。

3)结合省自然资源厅信息化建设的统一要求，搭建基于北斗的综合服务平台，并在此基础上，完成甘肃省卫星定位连续运行基准站网安全升级改造和整网测试，为用户提供可靠、高精度的北斗导航定位基准信息公共服务。

3 系统建设

3.1 基准站子系统

现有卫星导航定位基准站改造升级站点由93座省级卫星导航定位基准站组成，相邻卫星导航定位基准站之间最长站间距为185.05 km，最短站间距为17.03 km，平均站间距为61.19 km。点位分布，见图1。

图1 甘肃省北斗地基增强系统站点分布图

利用甘肃省卫星定位连续运行基准站现有结构和基础设施，在省级自建的93座卫星导航定位基准站上加装一套北斗接收机设备，配备相应的支撑环境，详情见图2。

1)在现有的天宝扼流圈天线上加装信号分流器，重新布设天馈线连接北斗接收机。

2)在北斗接收机等设备加装一套UPS，以满足新增设备电力供应。

3)将现有的通信专网带宽升级，以满足北斗数据传输的需要，IP地址统一在现有卫星定位连续运行基准站IP地址加1。

图2 北斗基准站结构示意图

由于GSCORS利用了陆态网站点和兰州市连续运行卫星定位参考站(以下简称LZCORS)共计21座，目前都为双星系统，为避免重复投资建设，后续这21座站点也会进行北斗升级改造，可继续采用共享模式。在部分存在信号盲区和薄弱的经济较为活跃地区，按照纯国产系统配置GNSS设备，对原有基站补充，为今后全面代替现有CORS系统做示范。

3.2 数据通信子系统

GSCORS现有通信链路一共114条，所有省级基准站(兰州市站点除外)经中国电信的2M MSTP专线汇聚到当地市(州)电信部门，再由2M(小于8个站点)或4M(大于或者等于8个站点)MSTP专线传输至GSCORS数据中心；兰州市新建站点采用中国电信的2M MSTP专线直接传输至GSCORS数据中心；陆态网站点采用2M SDH地震专线传输至省地震局数据中心，再由10M MSTP专线传输至GSCORS数据中心；兰州市CORS站点采用中国电信的ADSL线路传输至兰州市CORS数据中心，再由2M MSTP专线传输至GSCORS数据中心。其网络结构，如图3所示，可根据需要对网络带宽进行升级。

图3 GSCORS基准站网络结构拓扑图

甘肃省北斗地基增强系统新建19个站点至数控中心采用电信MSTP专网敷设，技术指标如下：

1)基准站到数据中心的通信延迟<200 ms。

2)误码率<10-9。

3)链路可用性>98%。

4)基准站到数据中心专线带宽不少于4 MB，最高不超过10 MB。

3.3 数控中心子系统

GSCORS现有机房空间有限，存在安全隐患，数据中心设备老化严重，系统配置复杂、不合理，甘肃省北斗地基增强系统建设项目完成后，新增不少设备。结合省自然资源厅信息化建设的统一要求，将数据中心统一放置在省自然资源信息中心机房，进行适当的改造，建成后实现甘肃省卫星定位连续运行基准站网与北斗地基增强系统两个数控中心两套系统并置运行。

数控中心是整个系统的核心，每套系统包括服务器、网络设备等，主要负责收集各卫星导航定位基准站GNSS数据和气象数据，并对GNSS数据进行分析、处理、计算、存储；网络RTK系统建模、差分改正数据生成、传输、记录；数据管理、维护和分发；进行用户管理，并为用户提供服务。

数控中心网络拓扑结构(见图4)主要特点如下：

1)服务器，分为通信服务器、网络RTK服务器、数据库服务器、磁盘阵列等；

2)内部网络由1 000 M高速交换机构成；

3)控制中心UPS保障整个系统不间断运行；

4)数据发布服务器通过核心交换机与防火墙连接，实现对终端用户实时数据的发布。

图4 数控中心架构图

说明如下：

1)GSCORS数控中心和北斗地基增强系统数控中心共用2台1 000 M高速交换机和2台防火墙；

2)GSCORS七台服务器和磁盘阵列的网口、北斗地基增强系统数据处理和播发服务器、磁盘阵列的网口分别与交换机连接，4台PC机、打印机和UPS与另一台交换机连接，两台交换机级联；

3)GSCORS七台服务器与磁盘阵列的光纤口与光纤交换机连接，北斗地基增强系统数据处理和播发服务器、磁盘阵列的光纤口与光纤交换机连接；

4)两套系统都要求建立热备份系统，用于提高系统可靠性；

5)UPS的网络接口接入交换机；

6)网络服务器通过防火墙与内部局域网连接，以FTP方式实现静态数据下载；

7)申请1固定IP互联网2条，用于服务播发；

8)一台防火墙配置6个WAN接口和2个LAN接口；

9)另一台防火墙配置6个WAN接口和1个LAN接口。

3.4 安全改造

根据国测成发〔2016〕1号《关于规范卫星导航定位基准站数据密级划分和管理的通知》要求，普通卫星定位导航基准站坐标、基准站网观测数据属于秘密级，实时差分服务数据属于受控管理，采取用户审核注册的方式提供服务。

按照国家有关网络安全防护的标准和政策要求，在已有安全保密管理制度的基础上结合卫星导航定位基准服务系统的特点，有针对性地对其进行完善和改进。例如：落实数据审计职责、涉密网络分级保护、等级保护等。

数控中心建设涉及普通卫星定位导航基准站坐标、基准站网观测数据部分按照秘密级分保要求建设，其他部分按照三级等保要求建设。

考虑到数控中心两套系统并行，在分保和等保建设时，统一将两套系统涉及分保、等保部分纳入一起建设。

甘肃省卫星定位连续运行基准站网和建成后的甘肃省北斗地基增强系统组成甘肃省级基准服务系统，两个数据中心安全防护技术路线和国家级节点保持基本一致，在涉密网络秘密分级保护的基础上，在基准站网和涉密计算服务器之间(数据输入端)部署单向光闸和基准数据格式规约软件，实现基准站合规观测数据流、文件单向导入到涉密计算机网络进行计算；涉密计算网和数据播发交换子网之间(产品播发输出端)部署数据产品内容审计软件和单向光闸设备，实现非涉密合规数据产品单向导出到非涉密网。同时对基准站坐标值进行安全变换后通过加密硬盘导入到涉密计算网，并由计算服务器直接读取。数控中心改造示意图，如图5所示。

图5 数控中心改造技术路线示意图

1)在基准站数据传输部分(非涉密广域网)、IGS数据下载部分(互联网)、数据处理部分(涉密计算网)配备单向光闸等硬件设备，安装数据规约和内容审计软件，并按照网络安全相关要求部署涉密网络分级保护和非涉密网络等级保护系统。

2)基准站观测数据在涉密计算网进行数据处理后，产出格网化差分改正数，经内容审计软件审核后，发送至数据播发交换子网和数据播发服务子网。数据播发交换子网负责对数据产品再次审核并去除内容审计软件植入的软件标签，数据播发服务子网负责用户交互服务。

3)数据播发服务子网(互联网)设置产品播发服务器，安装开发的专业软件实现用户管理和差分改正数的播发等功能。流动站用户作业保持原有交互模式不变，即在作业时将其概略位置上传到数据中心，数据中心将差分改正数发送至用户。

4 北斗综合服务平台搭建

基于北斗的综合服务平台是现代测绘基准体系的基础设施，集GSCORS、北斗地基增强系统、厘米级似大地水准面、GNSS大地控制网和高程基准框架于一体，能够实现全省坐标基准和高程基准框架的建立和维持，同时为各类客户提供高精度、实时、智能化的现代测绘基准体系应用服务新模式。结合用户在线坐标转换系统和全省似大地水准面精化模型，可实现不同坐标系及CGCS2000大地高至1985国家高程基准精化高程之间的在线实时转换。其总体框架流程，如图6所示。

图6 基于北斗的综合服务平台总体构架示意图

平台功能主要分为系统管理、用户管理、实时服务、事后服务4个模块(见图7)，每个模块的具体功能为[10]：

图7 北斗综合服务平台的总体功能设计

1)系统管理。CORS系统播发服务管理，通过负载均衡实现流动站用户智能接入；基准站及流动站信息管理功能；用户实时及作业轨迹监测；用户作业区域管理及相应报表生成。

2)用户管理。该部分主要用于对各种用户的管理，用户主要分为两类，即Web用户、GNSS用户。其中，Web用户采用分级管理，不同管理员具备不同权限。该部分主要包括单位信息管理、单位缴费、单位审核、用户登记、用户管理、管理员权限管理与分配等。

3)实时服务。该部分用于向用户提供各种实时服务：通过加载并播发坐标转换模型及省级似大地水准面精化模型所提供的差分信息以便用户获取实时地方坐标系及正常高成果服务；通过电子邮件或手机短信功能与用户建立双向通信，以便实时为用户提供服务；通过CORS观测数据及其他相关信息，实时反演大气延迟参数，实现对大气的监测。

4)事后服务。该部分主要针对事后客户，包括坐标转换服务、多系统卫星星历下载及基准站观测数据下载等。

5 结论

北斗卫星导航系统可为全球用户提供8:26 2021-4-228:26 2021-4-228:26 2021-4-228:26 2021-4-228:26 2021-4-228:26 2021-4-228:26 2021-4-228:26 2021-4-228:26 2021-4-228:26 2021-4-228:26 2021-4-228:26 2021-4-228:26 2021-4-228:26 2021-4-228:26 2021-4-228:26 2021-4-228:26 2021-4-228:26 2021-4-228:26 2021-4-228:26 2021-4-22全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。北斗地基增强系统是北斗卫星导航系统的重要组成部分，使北斗定位精度达到厘米级，是解决关键行业及领域高精度位置安全的重要手段，是加快北斗应用推广的关键基础设施，是促进全球卫星导航系统地基资源融合发展的重要手段，同时也是实现现代化、大众化、高质量测绘基准体系的核心设施，是测绘服务转型发展的基础性平台。

甘肃省北斗地基增强系统是结合国家军民融合1909工程在西部地区较早建立的全省域覆盖、与原有CORS系统并置运行的地基增强系统，搭建的北斗综合服务平台集成了现代测绘基准体系基础设施及成果，旨在为用户提供三维、高精度、实时、智能化、一体化的测绘服务新模式，有效提升了甘肃省北斗卫星导航定位产业竞争力，促进了全国北斗卫星导航定位产业化的快速发展。