昆明市连续运行GPS参考站系统.doc

10.6 昆明市连续运行GPS参考站系统10.6.1 立项背景城市数字化和数字城市是现代化城市的发展趋势，城市空间数据基础设施是数字城市的基础，昆明市连续运行GPS参考站系统是昆明市城市空间数据基础设施的重要组成部分。该系统的基本任务是建成一个由若干连续运行的GPS参考站组成的参考站系统，实时获取参考站带有时间标记的位置信息，通过数据通信网络如因特网和广播网等方式，为需要测量和导航的用户提供坐标和GPS测量数据，以满足各种不同行业、不同用户对精密定位、快速和实时定位、导航的需要，满足城市规划、国土测绘、地籍管理、城乡建设、环境监测、灾害监测、安全监测，交通管理等多种现代信息化管理的社会需要，它将在数字昆明的建设和昆明市的城市规划、建设、管理中发挥巨大的作用。昆明市是一个发展变化迅速的城市，每天都要进行大量的城市规划、建设、工程施工等工作，这些工作的进行都需要以测绘作为基础，特别是测量控制点的坐标。但是以静态测量构成的静态测量控制点来作为城市规划、建设的基础设施，已不能适应现代化城市发展的要求，这表现在：1）由于城市变化日益加快，道路频繁翻新、改造、扩建，埋石的测量控制点约70%的被破坏, 严重制约了为城市规划、建设、管理和为领导决策提供基础信息资料的工作。GPS参考站系统的建设作为永久控制网的基准点，实现从传统的地面控制飞跃到无控制网系统，不受城市建设等因素的影响，能够准确实时快速提供控制点。2）目前维持城市规划、建设和管理基准的经典静态控制点是一次测量结果，作为城市长期的定位基准，从动态变化观点来说，它不能反映城市受环境变迁、灾害侵蚀、人工开发而引起的变化，而起到动态基准的作用。从满足城市高精度工程及现代化建设的需求来说，也必须建立长期的、连续运行的GPS参考站系统作为动态监测基准，及时反映城市空间信息多种动态变化，为地区工程变形、灾害监测、大气状态监测等提供科学的动态基础。3）城市GIS是城市现代管理和建设的必要手段，数据是GIS的血液，需要不断地实时更新、补充。目前很多部门只注重GIS系统的建立，却忽视了GIS数据的动态更新，GIS如果没有动态更新地理信息，用它来辅助决策将会产生错误的结果，会给城市规划与建设造成危害，GPS参考站系统的建立，将能够实时地、动态地更新地理信息，为昆明市的各行各业的专业信息系统提供准确及时的定位信息服务，为政府的正确决策提供有效、可靠的保障。10.6.2 系统设计1总体目标 21 世纪是一个信息化时代，城市信息化、数字化已成为迫切需要。目前全国各地政府都非常重视社会信息化的建设，全球乃至国内都在积极开展 GPS 城市参考站系统的建设，它是空间数据的一项重要基础设施，可满足不同行业用户的需求，具有降低成本、缩短作业时间、 提高测量效率和定位精度等优势。针对云南省昆明市区及周边的地理环境、应用的实际需求进行客观、科学设计，首期将由6个新建的 GPS 参考站组成，平均站间距在 40Km 左右，可覆盖昆明市和部分区县，面积约 6000 平方公里。整个系统由 GPS 硬件（接收机与扼流圈天线）、参考站管理、控制与计算软件、数据通讯系统、供电系统以及避雷设施等组成。系统的基本目标是能够连续不断地对各参考站进行数据采集，并监测 GPS 卫星原始观测数据及其质量，数据采样率达 20Hz，它不仅适合于高精度平面及高程测量等测绘工作，而且也可应用于导航、形变监测、地震预报、气象预报、水文、板块运动、潮汐研究、海洋应用、物探、火山/滑坡监测等领域。昆明市连续运行GPS参考站系统建成后，将为昆明市提供一个高精度三维动态测量基准，建立一个无控制点的电子测量控制网，为城市规划及工程建设提供各种精度的实时常规和网络 RTK/DGPS 或非实时的定位服务，也为市政管理、园林绿化、土地管理、基础地理信息更新，提供快速测量手段，同时也能为其他部门提供服务。因此它将是一个综合性定位服务系统。该系统具备多种通讯手段，包括无线电数据链、电话固网、GSM 流动通讯网以及 NTRIP(Internet RTK) 方式用于发布实时的 GPS 卫星观测改正数据给各类用户，可快速、可靠地达到毫米级至厘米级的定位效果。而且，此系统已考虑将来可扩展性的因素，可方便地配合其它软件及设备以增强整个系统的效能，达到综合性服务的目标。2技术设计依据由于GPS参考站系统的建设，目前没有相应的建设规范，该系统的建设参照国家的有关技术规范和行业标准以及一些国际现行通用标准来进行科学技术设计。有关 GPS 测量部分将参照国家技监局、测绘局制定的测绘规范或规定，数据中心机房建设参照有关电子计算机机房建设的国家标准，站址和墩标施工参照国家土建施工建筑行业规范以及 IGS 跟踪站的相关技术要求，通信部分参照国家通信线路施工的有关规范，系统设备的防雷和电涌防护参照国家信息产业部制定的相关标准。主要有以下一些规范和标准：名 称编 号发布单位全球定位系统(GPS)测量规范GB/T 18314-2001国家技术监督局差分全球定位系统（DGPS）技术要求GB/T 17424-1998国家技术监督局测绘技术设计规定CH/T 1004-1999国家测绘局测绘技术总结编写规定CH 1001-1991国家测绘局城市测量规范CJJ8-99中华人民共和国建设部IGS Site Guidelines2004 Apil 14IGS Central Bureau/JPL混凝土结构设计规范GBJ10-89中华人民共和国建设部电子计算机机房设计规范GB 50174-93国家技术监督局、建设部通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范YD/T 5098-2001中华人民共和国信息产业部建筑物防雷设计规范，2000年修订版GB 50057-94中华人民共和国建设部计算机信息系统防雷保安器CA 173-1998中国公安部工程测量规范GB 50026-93中华人民共和国建设部10.6.3 参考站系统的建设1参考站选址和建网原则在选择 GPS 参考站站址的时候，需要考虑卫星可用性，是否存在潜在干扰源等因素，尽量选在有利于 GPS 卫星信号接收的地方，另外，应遵循以下一些基本原则：（1）站址基础坚实稳定，避开地质构造不稳定的区域；（2）远离周边一些易于产生多路径信号源的地方，如高大建筑物，金属物体反射面，树林，水域等，一般距离应不小于 100m；（3）站址 10 度以上高度角天空无障碍物；（4）站址应远离电磁信号干扰源，如微波站，无线电发射台，高压线和雷击区等，一般距离应不小于 100m；（5）站址应便于接入市电、通讯线路，且稳定、安全和可靠； 避开交通要道线路附近，但到达站址要交通便利；（6）便于管理和维护，保证设备安全。同时在拟建站址处进行连续两天 48 小时 GPS 观测，以考察是否会存在有较强的多路径、电磁等干扰以及网解和区域模型效果等问题。系统建网基本原则有以下几点：（1）昆明市连续运行GPS 参考站系统在满足系统技术要求的条件下以最少的参考站数量实现最大的覆盖服务区域；（2）符合 GPS 参考站建站的基本要求；（3）有利于工程总体目标的实现及系统分期建设。2参考站选址测试为了确保昆明市连续运行GPS参考站系统满足实际工作的应用，昆明市勘察测绘研究院使用徕卡GPS530双频RTK接收机对选择的参考站进行实测，以考察网设计是否合理，参考站网软件是否能够对所测数据进行解算（参考站的分布见图10-9）。野外观测采用静态方式，参考站站址观测时段为两天（48小时）。同时为模拟实时RTK测量效果，在参考站网的覆盖的最弱区域，静态观测1015分钟。昆明市设有IGS永久跟踪站，处理数据时，也下载了该站的数据一同进行解算，将该站的精确坐标传递到网中的各个参考站上。为了了解数据质量的情况，首先利用徕卡GPS软件包SKI-Pro对所测数据进行了初算，结果令人满意。环闭合差仅为0.09ppm，GPS网平差结果为平面在5mm左右，高程在1cm左右。平差后基线精度在0.2ppm以内。同时，把所有的模拟观测原始数据发给徕卡总厂，由他们使用参考站网软件Spider/SpiderNET进行解算。通过解算结果令人满意。该模块能固定网中各参考站的整周未知数，因此由6个站构成的网状能满足技术设计的要求。另外，从数据分析中发现，昆明地区电离层活动水平有时非常高，变化异常，且达到50ppm以上，单站RTK会比较困难，但网解没有问题，因此可以进入参考站站墩标施工阶段工作。图10-93参考站的建设（1） 墩标的建设 GPS 参考站时应选在地质结构稳定的地面，但有时因条件限制需选在建筑物楼顶上。根据实地情况和应用要求，在赛马场站、昆阳站、嵩明站、宜良站采用了建造混凝土墩标，高度在5米左右。浑水塘站采用了屋顶型墩标，建立一个不锈钢的天线支架，高度大约是 1.5 米，把支架固定于混凝土平台上。 （2） 电涌防护的建设为了防止参考站电子设备遭受雷电袭击，将各种线路之间安装电涌保护器 （Surge Protective Devices，SPD），用于各类通信系统对各种雷电电流、操作过电压等进行保护的器件。1）在 AT504 天线与 GPS 传感器的数据电缆中间将加入一个电涌保护器。当 AT504 天线不幸遭受雷击，电流通过数据电缆传往传感器时，断路器便会自动中断电流的输送，以保护传感器。电涌保护器放置于一个外置的防水盒内； 2）在市电源的接入端和GPS参考站设备的接入端安装电涌保护器；3）在网络线路接入端安装电涌保护器；另外在参考站 GPS 卫星天线旁边安装一根避雷针，并确保避雷针的有效保护范围是针径下垂直 45 度角，有效范围内安置卫星天线。 （3）后备电源系统的建设考虑到连续供电对连续运行GPS参考站系统的重要性，采用 UPS后备电源供电。在一般情况下，整套系统是依赖AC交流电源运行，但当电源中断时，后备电源可自动代替主电源使各项设备连续运行达大约四十八小时。后备电源系统包括一台电源控制充电器、电压转换及一组多个深充电池。 （4）GPS 参考站的硬件配备整个系统包括 6个 GPS 参考站，每个参考站将配备一台高精度双频 GRX1200 Pro 专业型 GPS 参考站型接收机、一个符合 IGS 标准的 AT504 双频扼流圈卫星天线及天线保护罩、大容量记忆卡及其它所需电缆及配件用于采集GPS原始数据进行GPS基线后处理计算工作，各站可选配 35W PDL UHF 无线电台、56K 调制解调器进行实时 RTK 数据发送给流动站用户。并在各 GPS 卫星天线旁建造一支避雷针，避雷针接地，以在雷电时保护整个参考站系统设施。避雷针的覆盖范围不得小于从避雷针尖往下 45 度角，以确保避雷针能有效地保护天线。GPS 参考站设备安装连接示意图如下图10-10所示。图10-10 GPS 参考站设备安装连接示意图4数据中心的建设数据中心是整个系统非常重要的一个部分，配备一台服务器与6台 GRX1200Pro GPS 参考站接收机相连，用于遥控操作，徕卡最新专业参考站型 GPS 具有 IP 端口，各接收机与数据中心之间的通讯采用 ADSL 宽带(带固定 IP)。在数据中心可快速进行系统状态监控和数据采集等；一套系统控制和管理软件包（徕卡 Spider/SpiderNET）以及相应通信设备，将来根据需要可增配 FTP 服务器或 Web 数据发布服务器。另外，为了播发网络RTK改正数据，申请两条电话线，将来可根据注册用户数量具体确定。数据中心的计算机采用服务器，安置在机柜中，它性能稳定，能够在高温和长时间条件下连续无故障工作，该配置远远优于参考站网软件 Spider/SpiderNET 的要求，完全满足多个以上参考站的数据输入/输出，且有利于将来系统扩展。每个串口与参考站接收机连接，网卡与网络连接，与其它计算机实现数据共享，并支持徕卡参考站网软件进行数据发布以及通过 Internet（NTRIP） 发送 RTK 数据给流动站用户。5通讯系统的建设（1）参考站与数据中心间的数据通讯为 6个 GPS 参考站和数据中心申请 7 条 ADSL 宽带线路，并且有固定 IP 地址的 Internet 接入。另外，配备宽带路由器。将来需要增加参考站站时，只需为该站再申请一条 ADSL 线路即可。系统操作员只需输入各参考站 GPS 接收机的 IP 地址。徕卡 Spider 软件可通过 TCP/IP协议直接与每个参考站连接，这种数据连接速度高且稳定。徕卡 Spider 软件可直接与参考站 GPS 接收机，自动采集记录得原始数据文件，如徕卡 LB2 原始数据文件，RINEX 数据文件，GPS 数据质量检查报告和系统消息日志文件。系统操作员也可调阅各站的工作状态， 通过电话网授权的操作员能够从数据中心遥控修改 GPS 设置和系统操作参数。可在各参考站或数据中心播发 RTCM 改正数。若采用 TCP/IP（固定的 IP 地址）方式， 流动站用户还可采用 GPRS 无线上网技术(NTRIP)接收 RTCM 改正数。系统可一直保持数据中心与各参考站的连接，不必考虑电话费。（2）RTK 数据播发的数据通讯 此外，对于 RTK 数据播发，同时采用两种方法同时播发 RTK 改正数数据。第一种方法是采用高功率(35W)电台，可根据需要在作业区较近的参考站上安置电台（单站常规 RTK 方法）。第二种方法是在数据中心使用调制解调器，通过 GSM 拨号或者GPRS无线上网获取的网络RTK改正数据（网络 RTK 定位方法）。 通过 GSM 或者GPRS只要作用区内有 GSM或者GPRS 信号，流动站用户就可以进行定位。（3）在数据中心将数据发送到 FTP 或 Web 服务器 当徕卡 Spider 软件从各站将 GPS 原始数据采集到数据中心，数据文件如徕卡 LB2 原始 数据文件，RINEX 数据文件，GPS 数据质量检查报告和系统消息日志文件可传送到客户的 FTP 或 Web 服务器上。用户可通过 Internet 下载必要的数据。 为了进行数据归档，客户需要提供数据中心的 Internet 连接设备，徕卡 Spider 可自动将从 GPS 参考站下载的数据文件或其他数据检查报告和事件记录文件传送到指定的 FTP 或 Web 地址。6.6.4 参考站系统的组成及功能昆明市连续运行GPS参考站系统由GPS参考站子系统、通讯网络子系统、数据控制中心子系统、用户应用子系统等组成；6个GPS参考站分别建在昆明市西山赛马场公园、昆阳气象站、嵩明嵩阳二中、宜良职高、呈贡县建设局、浑水塘长水小学，参考站系统网络RTK覆盖昆明市域6000多平方公里。 系统各部分的功能如下：GPS参考站子系统：由6个参考站组成，主要功能是全天24小时不间断地接收GPS卫星信号、采集原始数据；通讯网络子系统：由1条静态IP和6条动态IP组成的VPN网络以及GSM/GPRS无线通讯网组成，功能是实时传输各参考站GPS数据至数据中心和发送RTK改正数到流动站用户；数据控制中心子系统：由服务器和相应的软件构成，功能是控制、监控、下载、处理、发布和管理各参考站GPS数据，计算网络RTK改正数，生成各种格式的改正数据，并发给流动站用户。用户应用子系统：由不同的流动站组成，功能是接收改正数，并解算出流动站的精确位置。6.6.5 系统的关键技术（1）GPS参考站系统VPN组网通讯系统通过动态ADSL利用VPN虚拟专网技术组成GPS定位数据通讯网络，把各参考站与数据中心连接起来。各GPS参考站动态ADSL端和数据中心静态ADSL端，各配备一台路由器。GPS参考站动态ADSL端利用路由器，通过加密的数据传输，把由Internet接入后分配到的动态ADSL IP 信息通知数据中心静态ADSL IP端，静态IP ADSL端对此信息进行身份认证后，根据传来的信息自动调整VPN 隧道策略，与动态ADSL端完成VPN的组建，从而实现了各GPS参考站与数据中心连接，实现了各GPS参考站数据的不间断通讯。由于动态ADSL运营商基本上每天会对动态ADSL的IP信息进行更换，在更换的一瞬间使得参考站与数据中心失去联系。昆明市勘察测绘研究院根据其特点开发了信号中断自动检测及恢复技术，在动态ADSL的IP信息更换后，参考站的路由器会及时通知数据中心静态ADSL IP端，快速自动调整VPN 隧道，恢复数据传输网络，提高了系统的稳定性。（2）主副站技术实时动态定位解算主副站技术是基于最新多站、多系统、多频（L1,L2,L5）和多信号非差处理算法，采用著名的LAMBDA算法和SmartCheck技术和卡尔曼滤波方法进行严格实时平差的通用软件包。它实际上是区域改正数的一种优化，选择距流动站最近的一个有效参考站作为主站，一定半径范围内至少二个其他有效的参考站作为副站，主站和副站自动组成一个单元进行网解，发送主站差分改正数和副站与主站改正数的差值给流动站，对流动站进行加权改正，最后得到精确坐标。10.6.6 系统测试2005年5月系统建设完成后，昆明市勘察测绘研究院组织人力物力对系统进行了为期一个多月的严格测试。由于参考站系统性能指标目前国际国内没有相应的标准，从应用实践角度，我院进行了以下几个方面的测试：1）有效服务范围：包括网络RTK和单站RTK作业模式，分别给出相应的服务半径和覆盖范围。2）可利用性：在有效的服务范围内，并正常跟踪卫星信号情况下，能够获取参考站的差分信息并获得定位解的概率。3）可靠性：在获得定位解的条件下，符合精度指标的与采用的观测样本总数的比值。4）精度：给出不同距离条件下不同定位成果的精度衰减情况。5）效率：通常情况下RTK作业所需要的时间。6）系统的平均无故障时间、完备性监测功能、容错性以及系统的智能化、自动化、信息化水平。7）其他指标。如可供使用的通信手段、兼容性、系统建设与维护的成本等等。8）不同仪器（如徕卡530、1230、SMARTSTATION，南方S80等），不同时间段（早上、上午、中午、下午、晚上）。9）同点不同仪器不同时段的测试。通过精心的测试，大量数据的统计得出如下结论：1） 有效服务范围：网络RTK：覆盖参考站网内区域以及网外20Km半径覆盖的范围，共6000平方公里；单站RTK：最大达到53.4KM,满足030KM;2）可利用性：从