省级GNSS基准站网动态监测与运行维护策略

关沧海 岳 昊 赵忠海 殷菁遥

(1. 自然资源部第二大地测量队, 黑龙江 哈尔滨 150025;2. 黑龙江测绘地理信息局后勤管理中心, 黑龙江 哈尔滨 150081)

0 引言

全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)基准站,又称卫星导航定位基准站、连续运行基准站等,是维持国家和区域坐标参考框架、开展精密卫星定轨和行业融合应用等的重要空间基础设施。GNSS基准站网(continuously operating reference stations,CORS)由一定数量的基准站、数据中心、通信网络以及用户等构成,能够提供实时高精度导航定位服务,有效提高定位精度和生产效率[1-2]。

黑龙江省GNSS基准站网(HLJCORS)于2016年7月建成运行,目前建设有1座数据中心和148座基准站,支持全星座卫星系统接收与解算,面向全省各行业提供基于2000国家大地坐标系(China geodetic coordinate system 2000,CGCS2000)的空间基准支持与精准位置服务,在自然资源调查监测、农机自动驾驶、智能交通管理等方面发挥了巨大作用。为了保障GNSS基准站网的长期稳定运行,一方面需持续对基准站网运行状态进行实时监控,及时对故障问题进行处置,使数据传输和用户服务等不间断。另一方面需定期对设施设备等进行巡检维护,保障站点安全和设备正常运行。本文基于HLJCORS运行现状和维护经验,对省级GNSS基准站网动态监测与运行维护策略进行探讨研究。

1 基准站网运行状态监测

1.1 机房环境实时监控

省级基准站网均设立有数据中心,机房是数据中心的核心部分。为保证其安全、稳定、高效运行,需对机房的物理环境、设备运行、人员活动以及安全消防等进行实时监控。机房的温湿度通过空调设备进行调节,为此需要每日监控空调运行状况,对压缩机、风机、加热器、加湿器等的工作状态进行检查,同时应在机房中需要重点关注的地方安装温湿度检测模块,通过监控报警系统实现24 h自动化监测。当温湿度超出预警值时,立刻进行报警,提醒工作人员及时查看和排除故障。同时机房内部应安装视频监控系统,让工作人员能够实时关注机房环境状态,发现异常时快速处置。

1.2 站点运行监控

CORS中心是各省级基准站网的维护部门,负责基准站网的监测维护、运行服务以及拓展应用等。在日常运行中,CORS中心值班人员应通过数据解算服务软件等,每日查看站点的卫星接收状态,检查站点接收机的数据存储状态,并检测网络可用性、通信延迟、丢包率等[3]。对于卫星信号接收异常的站点,应登陆接收机查看问题原因,及时处理。基准站到数据中心的通信延迟应小于1 s,当基准站实时数据流中断或网络延迟大时,应研判故障原因,是由通信线路、市电或设备等发生故障导致,还是其他问题,告知相关责任人排除故障。

值班人员应每日上报值班日志,记录各项问题原因及处理措施。通过分析值班日志,发现故障率较高的站点并进行重点维护,保障基准站运行质量和效率。

1.3 服务性能监测

GNSS基准站网的服务稳定性、定位可靠性及时间可用性等应予以重点关注。为做到及时监测与分析,一般应在较为空旷的地点设立长期监测站,利用实时动态载波相位差分技术(real time kinematic,RTK)设备或带扼流圈天线的大地测量型GNSS接收机等,开展常年固定不间断观测,为精确开展导航定位服务提供数据支撑保障。在观测数据采集完毕后,通过计算和统计内符合精度、外符合精度以及固定率等,评估基准站网的性能等指标是否满足要求。

内符合精度可用来表示定位稳定性[4],其计算公式如式(1)所示。

(1)

外符合精度可用来表示定位可靠性[1],其计算公式如式(2)所示。

(2)

时间可用性可通过统计固定监测站观测数据的固定率获得。在开展自主监测的同时,还宜委托第三方机构每年开展一次基准站网的功能测试和性能测试,全面评估数据转发、存储、备份以及卫星系统兼容性、数据格式兼容性、自动组网与服务等功能是否正常,数据传输延迟、空间可用性、用户并发访问量等性能是否良好[5]。

1.4 数据存储与管理

GNSS基准站网数据主要包括GNSS原始观测数据、与接收机无关的交换格式(receiver independent exchange format,RINEX)数据、站点信息以及气象数据等[6]。GNSS接收机中应存储至少30 d的原始观测数据,并每日将观测数据自动推送到数据中心的磁盘阵列等介质中存储。发现数据推送不完整时,应及时去接收机中下载;若因网络等故障无法访问接收机时,应定期去现场下载。数据中心宜长期保存采样间隔30 s的观测数据,对于高采样率(如1 s、0.5 s)的观测数据,可根据需要选择保存期限。每月应对上月数据进行整理备份,一般以自动备份为主,备份到硬盘等介质中,备份数据应长期保存。

为保障基准站高质量运行,应持续开展基准站GNSS观测数据质量分析,评估站点数据可用率、多路径影响(MP1、MP2)及周跳比(o/slps)等指标是否满足要求。一般可采用美国卫星导航系统与地壳形变观测研究大学联合体(university NAVSTAR consortium,UNAVCO)研发的TEQC(translation , editing and quality checking)软件进行数据质量检查。数据可用率表示有效观测历元数占总观测历元数的比率。MP1和MP2分别表示L1和L2波段上的多路径效应对伪距和相位影响的综合指数[7-9],其中MP1的计算公式如式(3)所示。

(3)

MP2的计算公式如式(4)所示。

(4)

数据有效率、多路径影响可参照推荐性国家标准GB/T 39618—2020《卫星导航定位基准站网运行维护技术规范》要求执行,数据有效率应大于85%,多路径影响应小于0.5 m。

o/slps表示观测值和周跳的比值,反应观测数据的周跳情况,其参考值为200,值越小,说明周跳越严重[8]。通常用每千历元的周跳数(CSR)直观表示,如式(5)所示。

(5)

CSR值既能反应观测数据中的周跳信息,也可以反应接收机修复周跳的能力[10]。国际GNSS服务组织(international GNSS service,IGS)的数据质量检测分析显示,超过1/2的IGS站的平均CSR值小于5,超过2/3的IGS站的平均CSR值小于10。当发现数据质量无法满足要求时,应分析原因,及时解决。

2 基准站网运行维护

2.1 数据中心维护

数据中心是基准站网的核心,对于基准站网的正常运行至关重要。数据中心维护主要包括基础设施维护、设备维护和软件系统维护。机房设施包括供电系统、空调系统、安防系统、网络系统、电涌防护以及监控系统等,应定期检查各项设施的运行状态,同时对数据中心的通信网络进行检测和维护,主要检测项包括网络设备工作状态、传输速率、延迟时间、误码率以及丢包率等[11]。并定期开展防雷、防火、防盗、防水、防尘和防水检查。

机房设备通常包括服务器、磁盘阵列、交换机、路由器、防火墙、不间断电源(uninterruptible power supply,UPS)等,应定期对机房设备进行检修保养,及时解决设备故障,积极优化硬件配置,最大限度地发挥硬件效能,保证服务整体性能。可在既有网络结构基础上,通过负载均衡架构增加服务器的吞吐量,提高服务器响应速度,有效避免单点失效等,从而保证公共服务的不间断性。同时应对机房软硬件设备基本信息、效能、检修和更换等内容做好登记,建立磁盘整理与监控机制,做好软件更新与设备延保等工作,降低维修成本与时效性。软件系统应定期进行升级更新和漏洞修补等,及时更新杀毒软件病毒库,发现病毒感染时快速清除。

2.2 基准站维护

GNSS基准站通常由土建设施、软硬件设备以及通信网络等构成,某一个组件出现故障,都可能导致基准站运行不稳定或不能正常传输数据。基准站长期无人值守,应每年至少巡检一次,查看站点设施的完好性,检查站内设备的状态。通过例行或有针对性的实地巡检维护,可及时解决故障,保证基准站健康、持续运行。维护前,应先制定合理的维护计划和行进路线。巡检维护工作通常由内外业人员配合开展,对于内业无法解决的问题,应及时告知外业维护人员前往处理。

基准站设施通常包括观测室、观测墩以及供电系统等。观测室主要分为利用当地房屋和自建房屋两种。利用当地房屋的一般无须维护。对于自建房屋,应重点关注房屋墙面是否倾斜或开裂、内墙是否发霉、门窗是否破损锈蚀、屋顶是否漏水等,有外部围墙或围栏的,还应检查其安全性,发现问题后,应立刻有针对性地进行维修。对于观测墩,应检查观测墩外观完好性、地基沉降、墩体垂直度及周边环境变化和遮挡等。站点供电系统出现故障后,需联系当地电工解决;对于安装有独立电表的基准站,需定期开具电费发票。

基准站设备通常包括GNSS接收机、GNSS天线、供电设备、通信设备以及雷电防护设备等。基准站设备集成如图1所示。

图1 基准站设备集成示意图

GNSS接收机及天线巡检主要关注接收机工作状态、天线罩是否损坏、馈线是否破损、接头是否松动等。供电设备巡检主要关注UPS运行状态、电池漏液等。雷电防护设备巡检主要关注接地电阻变化、接地连接是否松动生锈等。

为整体掌握所有基准站的运行情况,每站宜建立基准站维护档案,详细记录基准站设施及设备的基本信息,如站点的站名、代码、建站时间、墩标类型、概略坐标、地质地形、点位环境、看护人员及电话、站址供电及用地情况等,设备的类型、型号、序列号、初装日期、配置信息等;并在每次巡检维护时详细填写维护信息,形成历史维护记录。

2.3 坐标框架更新

GNSS基准站受板块运动、地壳形变、潮汐负荷以及地面沉降等因素的影响,其坐标会动态变化。为了维持区域高精度、动态、地心、三维坐标框架,持续提供与国家坐标框架统一的高精度定位服务,应充分利用GNSS基准站网的历史观测数据,收集周边的IGS基准站以及国家基准站的数据,按照一定的复测策略开展坐标框架解算和整体平差,研究基准站点位坐标的变化规律。当局部区域的个别基准站的平面位置位移超过2 cm或高程位移超过3 cm时,应及时更新基准站坐标。当基准站网中超过30%的站点坐标发生明显变化时,应进行全网更新[12]。

对于坐标框架更新形式,可通过建立站点速度模型,利用模型计算站点坐标的速度并不断修正;或考虑站点的非线性运动,顾及各种不连续性和物理参数等的影响,计算给出站点的时间序列[13]。

2.4 应急保障及安全管理

数据中心和基准站应建立故障应急响应机制,制定应急工作预案,对数据中心和基准站软硬件设备故障、网络通信故障、系统故障以及数据安全等相关突发事件做出应急处理[14]。对遭受破坏的基准站,应及时处理,恢复正常运行。无法恢复的,应搬迁或重建。

数据中心机房和基准站应建立安全管理制度,制定消防安全预案。机房为涉密场所,应制定保密管理制度,进出入应填写访客登记表。基准站到数据中心的传输网络应采用专网或商用密码手段加密保护。基准站观测数据应由专人负责管理,对外提供服务时,应采取用户审核的方式,实现受控管理。

3 服务管理与应用

3.1 用户服务管理

省级基准站网的服务类型主要包括事后毫米级GNSS数据处理、实时厘米级网络RTK定位、实时分米级网络实时动态码相位差分技术(real time differential,RTD)定位、不同平面系统和高程系统间相互转换、基准站观测数据下载以及相应的接口服务等。

在使用基准站网服务前,用户需要进行注册,提交完备的资料,管理人员进行审核。CORS中心应制定健全的资料提交审批制度、用户管理服务制度以及日常值班制度,配备相应的服务设施、专业人员和网络人员等,做好用户资料建档备份及用户信息安全保密工作。在日常服务中,持续开展新技术、新技能培训,通过门户网站、教学视频、电话、短信、邮件、微信、QQ服务群等方式提供远程技术咨询和问题处理,在必要时需提供现场技术支持。针对主要问题及操作细则等编写用户手册,让服务更优质。

3.2 应用能力拓展

为不断提高服务质量和用户满意度,应在日常的运行维护中,不断创新服务方式,增强研发能力,提升系统健壮性。如应积极开展高精度位置服务平台等的建设,让服务更加便捷化[15];进一步扩增机房软硬件设备,实现冗余工作能力,满足海量用户需求;部署备用电源或柴油发电机组等实现电力供应不中断;部署双链路网络实现数据传输不中断等。

4 结束语

目前全国各省均已建立起省级GNSS基准站网,面向行业和大众等提供专业化、社会化服务。基准站网监测与维护相对于建设而言,是长期性、复杂性的工作,需要不断研究与完善,目前各省级基准站网在运行维护方面暂未形成较为统一的监测与维护策略。本文结合HLJCORS运行维护经验,对基准站网监测维护以及用户服务管理等过程中需要注意的问题和内容等做了研究分析,以期为省级GNSS基准站网运行维护提供一定的参考借鉴。