第08章 参考站设计和建设 第七稿 李 廖.docx

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第08章参考站设计和建设第七稿李廖

第08章参考站设计和建设

CORS参考站建设是CORS建设中工程量最大的建设内容，也是建设要求最高的建设内容。

参考站建设质量直接关系到系统的可靠性和稳定性。

参考站建设需要根据参考站功能和相关规范进行设计，作为参考站建设的依据。

而相关规范主要包括《全球导航卫星系统连续运行参考站网建设规范》、《中国地壳运动观测技术规程》、《电子计算机机房设计规范》、《计算机房防雷设计规范》等。

参考站建设具体内容主要包括参考站天线墩建设、参考站机房建设、防雷系统建设和参考站设备安装等。

本章介绍参考站的主要功能、参考站点位选择、参考站的建设以及参考站的测试和参考站的管理与维护。

8.1参考站主要功能

参考站作为CORS最重要的组成之一，具有很多的功能，其中最主要的功能为接收数据、传输数据、存贮数据，以及为参考站设备提供电源、自动监测报警和远程管理等。

8.1.1接收GPS卫星数据

CORS参考站的首要功能就是接收GPS卫星数据，包括卫星广播星历、卫星时钟数据、卫星有效数数据、卫星高度角数据、卫星单点定位数据、卫星位置数据、L1电波数据、L2电波数据和电离层数据等。

1．数据接收

GPS卫星发送的电波理论上在全世界是均匀分布的。

与其他电磁信号一样，GPS数据电波的存在是客观的，同时容易受到地理环境和其他电波的干扰。

一般情况下，在地球上任何无遮挡和无干扰的位置都能接收到GPS卫星的电波信号。

接收GPS卫星数据的设备是GPS天线，而GPS天线最核心的接收设备是GPS接收芯片。

理论上所有的卫星电波都集中于GPS芯片上的一点，该点即为天线的相位中心。

GPS芯片接收到卫星数据后，将GPS无线电波在天线内转换为可识别数字信号，并传输到GPS接收机内。

2．数据处理

GPS芯片接收到的无线电波信号是一种未解译的粗信号，没有经过解译，不能直接使用，因此需要专门的设备对GPS卫星信号进行解译。

目前采用的设备主要是GPS接收机。

GPS接收机接收到GPS芯片传输的卫星电波信号后，通过数据运算处理芯片和一定的标准将电波数据解译为标准或商业通用数据，如TrimCom数据、RT17数据和RTCM数据等。

8.1.2传输数据功能

参考站接收到GPS卫星信号并解译后，需要将数据实时传输到CORS数据中心，用于数据差分解算和存储。

参考站将数据传输到数据中心一般要经过以下两个步骤：

1、接收机数据传输

GPS接收机需要有一个实时输出的通道，该通道必须符合TCP/IP标准，能将GPS数据以网络形式进行传输。

早期的通道是通过单台计算机实现的，该计算机与GPS接收机连接，通过数据线和软件接收GPS接收机的数据。

并传输到网络。

随着技术的发展，现代的CORS参考站接收机自身带有网络通道，可以直接将数据传输到网络，无须再配备计算机。

2、网络传输通道

网络传输通道是指从GPS接收机到公网或专线通讯线路的传输路径。

该通道一般通过通用设备或专用设备实现，如光端机（光纤协议转换器）、VPN路由器和ADSL调制解调器等。

网络通道建设方法我们将在通讯子系统的建设章节详细叙述。

8.1.3存储数据功能

参考站数据实时传输到数据中心，数据中心会将数据进行存储。

但是如果出现意外情况（如通讯中断、参考站通讯设备故障等），数据将无法传输到数据中心，这样会导致数据中心无当天数据的存档，这种情况会影响用户进行后差分数据处理，特别是影响利用参考站数据进行地壳运动研究的工作。

因此，除了数据中心存储各个参考站实时传输的数据外，参考站自身应该能够存储一定数量的GPS卫星数据。

以存储15秒采样率的卫星数据计算，每个参考站至少应该能保存1个月以上的GPS数据。

在进行参考站维护之后，管理员可以通过手动的方法把缺失的数据从参考站下载传输到数据中心进行存贮。

8.1.4持续供电

为了保证参考站接收机能够持续运行，保证CORS全天时的可用性和可靠性，要求参考站能够持续供电，在断电情况下，保证给参考站所有设备持续供电12个小时以上。

这就要求参考站能带有后备电源。

后备电源主要包括自动触发式发电机、UPS电源、接收机内部电池等三种电源。

1、自动触发式发电机

自动触发式发电机能够在停电的情况下自动启动，为参考站设备提供电源。

发电机作为后备电源，最大的优点是功率较大，能够维持时间较长，但是维护困难，噪声大，价格比较高。

2、UPS电源

UPS电源（UninterruptiblePowerSupply）全称不间断电源，主要起到两个作用：

一是应急使用，防止突然断电而影响正常工作，给参考站设备造成损害；二是消除市电上的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、电线噪声和频率偏移等“电源污染”，改善电源质量，为参考站设备提供高质量的电源。

UPS包括在线式和后备式两种。

在线式UPS由整流器、蓄电池以及其他设备组合而成，一般只能正常供电半小时，不适合做持续供电电源，但是可以作为发电机到供电终端之间的稳压设备和断电瞬间的供电器。

而后备式UPS的整流器和其他设备是与蓄电池分开的，其供电时间与电池数量有关。

目前出现了一种新的UPS——智能型UPS。

智能型UPS内部硬件与软件结合，可以监控UPS的运行工作状态，如UPS输出电压频率，电网电压频率、电池状态以及故障记录等。

还可以通过软件对电池进行检测、自动放电充电，以及遥控开关机等。

当UPS检测出供电电网中断时，自动切换到电池供电，在电池供电能力不足时立即通知服务器做关机的准备工作并在电池耗尽前自行关机。

智能型UPS通过接口与计算机进行通讯，从而使网络管理员能够监控UPS，因此其管理软件的功能就显得极其重要。

采用智能型UPS作CORS参考站后备电源是CORS参考站建设的发展趋势。

对于CORS参考站建设，最好采用智能型UPS。

3、接收机内部电池

某些GPS接收机内部有电池，断电时自身电池能继续接收卫星数据2小时以上，有些接收机甚至能到达12个小时以上，但其不能为参考站其他设备提供电源，故不适宜作参考站后备电源。

8.1.5自动监测报警功能

参考站监测报警功能指参考站在运行出现故障时，向数据中心发出报警信息，以供管理者决策。

报警信息的提示主要有四种形式，即滚动文本方式、警报声音方式、图形闪烁和变换方式以及发送短消息方式。

1、GPS接收设备监控和报警

GPS接收设备运行状况的监控和报警一般由GPS接收机自身或外接计算机向数据中心传输接收机和天线状态数据，包括接收数据质量、卫星状态、数据完好性等，当接收机运行出现异常时，接收机向数据中心发送警报，并同步发送故障信息。

2、电源监控和报警

电源运行状态通常通过UPS电源远程监控功能实现，智能型UPS可以实时监控自身运行状态和供电状态，通过自带的网络传输设备（网卡）将数据传输到数据中心。

供电出现异常时，UPS将向数据中心发送警报，并以文字形式说明异常信息。

UPS警报包括一般警报和紧急警报。

一般警报指UPS能处理或能暂时维持运行的工作状态，如电压不稳定、断电等情况；紧急警报指UPS本身无法处理的异常故障，如UPS电池电量即将用尽、UPS电池供电故障等。

3、网络设备监控和报警

网络设备的监控指对参考站网络设备包括交换机、VPN、光端机等设备的运行状态进行监控。

监控信息包括网络通路状态、网络传输速率和数据延时等信息。

当网络设备处于异常时，数据中心能够监控到网络设备故障，并远程进行处理。

网络设备工作异常报警一直是个难题，因为网络设备出现异常时，网络通讯可能已经中断，无法继续传输信息。

常用的方法是备用线路，有关其中细节我们将在通讯系统建设章节叙述。

4、参考站环境视频监测

参考站环境视频监测指对参考站GPS天线墩环境和机房环境的状况，采用视频的方式将环境视频传输到数据中心，管理者可以实时监控到参考站天线墩和机房的环境情况。

8.1.6远程管理功能

CORS参考站远程管理指在数据中心通过远程方式，设定、控制、检测参考站的运行。

其内容主要包括以下几个方面：

（1）远程参数：

包括参考站接收机设置、计算机设置和网络设备设置等；

（2）远程控制：

控制接收机数据采样率、网络数据流向和参考站定位基准；

（3）远程检测：

包括接收机检测、计算机检测、网络设备检测和UPS电源检测。

远程检测与监测功能不同，监测功能是参考站设备主动发送信息到数据中心，而检测是数据中心主动发送命令到参考站，参考站响应命令后将设备的状态数据回发到数据中心。

特别说明，以上所提功能不是参考站必需功能。

前四项是参考站必需功能，后两项功能根据系统建设要求和实际情况选择。

特别是远程视频监控功能，对通讯线路要求较高，并且可能会影响GPS数据传输，因此目前国内建成的系统中还极少使用视频监控。

此外，可以根据实际需要增加其他功能。

8.2参考站点位选择

参考站点位的选择是参考站建设中至关重要的环节之一。

参考站点位的好坏关系到参考站建设质量的高低，故进行参考站点位选择时，需从整体组网、参考站点位影响因素、参考站选址原则以及参考站点定位确定方法等方面综合考察。

8.2.1整体组网原则

CORS整体组网同时要考虑两个方面的内容：

一是分布，二是尺度。

所谓分布，是指CORS参考站在服务范围内布设的空间均匀性，包括平面方向和高程方向。

此处提到的服务范围是指CORS能提供服务的覆盖区域，一般由用户需要和当地情况决定。

在服务范围内均匀布设CORS参考站，可以提高空间相关误差内插的精度。

值得注意的是，在地形起伏较大的地区，布设CORS参考站时，应在高程方向也均匀布设站点，这样可以提高对流层湿分量内插的精度。

所谓尺度，是指CORS参考站间距离。

CORS参考站间距离越长，则使用相同数量参考站构成的网络控制范围越大，使用相同的成本实现网络RTK测量的效率越高，换句话说，在相同的服务范围内，CORS参考站间距离越长，需要的参考站数量越少，建设成本也越低，但与此同时，空间相关误差相关性越小，内插精度越低，导致网络RTK初始化时间很长甚至不能初始化，影响可用性。

CORS参考站间距离的最佳大小，实际取决于当地大气状况，特别是与电离层情况密切相连。

电离层活跃，变化剧烈导致较大范围的空间相关性降低，以至于流动站的模糊度（一般是宽巷模糊度）难以在短时间固定，所以影响网络RTK的作业效率和精度。

在电离层变化平缓、气候变化平缓的地区，CORS参考站间距离可以达到上百公里。

在低纬度地区，由于电离层活跃、变化剧烈等因素的影响，在最差情况下，CORS参考站间距离只能20公里。

8.2.2参考站点位影响因素

1．视场因素

视场是指在某个点上眼睛能看到的范围，视场越大,观测范围越大。

视场大小通常以视场角来表示，视场角就是天顶垂直位置到视场范围边缘处组成的夹角。

2．电磁干扰因素

电磁干扰一直是GPS高精度定位中一个非常严重的干扰因素。

GPS信号是采用无线电磁波的方式进行传输，由于电磁波的特性，电磁信号较易受到其他电磁因素的干扰，可能造成信号损失和信号中增加噪声。

电磁干扰来源主要包括以下几个方面：

（1）强磁场因素：

强磁场会干扰GPS电波的直线路径，并可能使无线电信号发生严重衰减，强磁场一般处于矿山、大型发电机或发动机周围；

（2）无线电信号因素：

无线电信号和GPS信号是相同的信号，不同的无线电信号采用的频率不同，但是各种频率的无线电信号广播、无线通讯信号之间频率比较接近时会出现干扰，空间中可能还存在其他非法电波，有些电波频率可能与GPS信号频率类似，可能回对GPS信号产生严重干扰。

另外，功率很强的无线电波会使GPS卫星信号出现噪声或失帧情况。

这种情况一般处于大型无线电发射装置如移动、联通基站和广播、电视发射塔等。

（3）强电磁波：

强电磁波对GPS干扰与无线电信号对GPS信号干扰相同，但是强电磁波的电波频率通常是非固定的。

大型雷达、电磁波测距仪等设备可能产生强电磁波。

3．通电和通讯因素

要保证CORS参考站正常运行，通电条件和通讯条件是必不可少的条件，因此参考站选点时务必注意参考站点的供电和通讯情况。

（1）供电情况：

考察参考站的准备建设机房位置是否有正常的电路，机房内没有正常电路时需要布设电线，考察最近的市电接入点的距离和市电电压和稳定性是否符合要求，若供电条件无法达到要求则需要重新布设线路；

（2）通讯情况：

需要考察当地的通讯条件，可以将机房准确位置提供给通讯服务商，确定可以安装的通讯线路类型，如光纤、ADSL或DDN专线，并确认安装费用和年服务费用。

4．环境因素

环境因素指参考站建设地区的治安条件、交通条件和人文条件等方面。

参考站选址时务必注意环境因素，要求能够选择治安好、交通方便、当地居民素质较高的地区。

保证CORS运行后能够正常运行，并能够降低维护费用、提高维护质量。

8.2.3参考站选址原则

因参考站点位受视场、电磁干扰、通电、通讯、环境等因素影响，故参考站点位的选择因遵循一定的原则。

（1）距离易产生多路径效应的地物如高大建筑、树木、水体、海滩和易积水地带等的距离不小于200m。

所谓多路径效应是指由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应。

参考站受多路径影响越大，其观测值偏离真值越大，导致观测数据质量越差，降低整网结解算精度，故应尽量避开以上所说地物，减少多路径影响；

（2）应有10度以上的地平高度角卫星通视条件。

参考站点位视场应开阔，无高度角大于10度以上的障碍物，减少信号的阻挡，尽量能接收更多卫星的信号，增加更多的观测数据；

（3）距离电磁干扰区（如微波站、无线电发射台、高压线穿越地带、飞机场等）和雷击区的距离不小于200m，距离越远越好。

若参考站点位太靠近电磁干扰源，GPS信号容易受到干扰而造成数据丢失影响参考站的建设质量，甚至造成参考站无法使用。

若参考站属于雷击区，参考站设备容易遭受雷击而被毁，进而影响参考站的使用，故应远离电磁干扰区和雷击区；

（4）避开易产生振动的地带，比如公路边、铁道旁等地方。

由于参考站网用于构成高精度、连续运行的区域坐标参考框架，故其参考站间应该保持相对的稳定，若点位选在易产生振动的地带，参考站坐标易产生偏移，从而影响参考站间的稳定以及整网解算精度。

（5）避开地质构造不稳定区域，比如断层破碎带、易发生滑坡与沉陷等局部变性地区如采矿区、油气开采区、地下水漏斗沉降区以及易受水淹或地下水位变化较大的地区，参考站应建立在稳定块体上，；

（6）便于接入公共或者专用通信网络。

因CORS的建设需要通讯技术，若点位周围通讯不方便，则该点位不宜作为CORS参考站；

（7）具有稳定、安全可靠的电源。

因CORS系统是连续运行的参考站系统，故提供稳定安全可靠的电源是必备的，若该点位经常断电，会影响整个系统；

（8）交通便利，便于人员往来和车辆运输；

（9）便于长期保存和管理。

8.2.4参考站点位确定方法

参考站点位确定需要从整网评估、环境、点位测试等方面进行考察。

（1）整网评估

CORS网络的整网评估方法在第五章已经论述。

除了根据第五章论述的方法对CORS网的优化值进行评估外，对CORS网络评估时还要注意以下情况：

●CORS参考站建设地带的地形，一般来说，地形波动越大，站间有效距离越短，即最佳距离由实际情况而定；

●CORS参考站建设地点的实际情况，包括交通、供电、网络通信和保管人员等情况，网络优化评估最佳值一般受该因素影响较大；

●CORS网络优化评估值为参考站，实际情况需要具体分析。

（2）环境考察

根据参考站选址原则，在确定参考站点位时，需要对其周围的观测环境进行考察，确定其周围是否存在高大建筑、树木、水体、海滩和易积水地带以及其10度高度角以上是否存在障碍物，是否远离微波站、无线电发射台、高压线穿越地带、飞机场等电磁干扰源，是否具有通电通信能力。

建设基岩参考站时，必须对其地质条件进行考察，由具有相应资质的地质机构出具地质报告，确认该点位避开地质构造不稳定区域以及确认基岩、土壤类型。

建设楼顶参考站时，必须对其大楼楼体沉降是否稳定以及承重能力进行考察。

（3）点位测试和数据分析

在确定参考站点位时，同时需要对点位进行实地测试，采用实地进行卫星定位观测的方式，以1秒采样间隔记录24小时或者48小时的观测数据，利用TEQC等相关软件进行分析。

其分析的内容包括数据完好观测比例、IOD载波失锁数、多路径影响、电离层影响、信噪比、周跳、接收机钟漂、跟踪卫星数等方面内容。

数据完好观测比例：

载波相位数据完好观测比例应高于95%，若低于95%，该点位不适合建站，应变更站址；

IOD载波失锁数：

受电磁信号的干扰，IOD载波和IOD/MP伪距会出现失锁，一般对10度以上的IOD载波和IOD/MP伪距的失锁数进行分析，若失锁数较大，说明该点受电磁干扰较严重，但为了排除偶然因素，应重新观测48小时或者72小时，以做进一步分析。

多路径影响：

MP1、MP2值反映了站址的多路径效应，一般对CORS站点的要求是MP1<0.4、MP2<0.5。

MP1、MP2值越小，说明该站点的净空条件越好，多路径影响越小，这样比较合适做CORS站点。

电离层影响：

对观测数据电离层残差以及每颗卫星历元间单差电离层残差进行分析，确认电离层对该站点是存在较大影响。

信噪比：

信噪比的影响，通过相互比较得到。

由于各仪器信噪比定义不同，因此此项比较仅在仪器类型相同时才有意义。

同时要求在24小时内，跟踪到的卫星数量不少于24颗，接收机时钟的日频稳定性不低于1×10-8。

8.2.5参考站GPS数据分析方法

1.多路径效应分析

GPS信号是一种电磁波信号，可以模拟为包络瑞利分布的噪声通道，对信号的跟踪和量测的影响很小。

一般说来，对多路径效应的研究主要是对镜面反射的研究。

对于GPS载波相位测量，L1和L2载波的波长分别为λ1=19.8cm，λ2=25.5cm。

反射体表面对GPS信号的反射可以看作是镜面反射，平静的水面，建筑物的墙面，城市的地面，水库大坝，木板或金属板等都表现为镜面反射。

因此，可以根据GPS接收机周围情况简单判断多路径效应可能的影响。

多路径效应分析的原理是采用路径比率分配的方法。

即在多数情况下，静态摆放的接收机接收到的最短路径（真实路径）即为真实路径，多路径效应的值都比正式路径长，通过比较分析可以得出多路径的比例和多路径效应的影响。

2.卫星周跳分析

周跳也称为失周。

在精密的GPS相对定位中采用的观测值是相位观测值。

相位观测值是接收机本机振荡产生的相位与接收到的卫星载波相位之差，在量测时，只能测到不足1周的小数部分（可准到0.01周）。

在理想条件下，接收机在锁住卫星后可保持跟踪，从而测出包括整数部分的相位变化量，因此每个历元的相位观测量与接收机到卫星的距离之差为卫星载波波长的一个整数倍。

它是一个固定不变的值，该整数被称为整周模糊度，在解算时与其他参数一起求出。

在实际观测条件下，接收机往往会由于某种原因（如卫星信号被挡住）对卫星短时间失去跟踪，在失去跟踪时间内相位的变化就不能被测出，称为失周或失锁，也称为周跳。

在短距离GPS基线定位中，大气轨道误差基本被抵消，电离层和对流层延迟也由于它们的相关性消除了大部分影响，失周大小能保持较好的整数特性，较容易处理。

产生周跳的原因，可分为外部原因和接收机质量问题。

（1）外部原因

①卫星信号被天线附近的地形地物短时间遮挡；

②动态测量时，由于载体运动速度太快或天线倾斜使信号丢失；

③由于多路径误差、电离层活动加剧、对流层延迟影响，使卫星信号的噪声偏大而产生周跳。

（2）GPS接收机质量不佳

①卫星信号在接收机电路中受干扰，导致信号丢失；

②接收机内信号处理单元质量不佳；接收机内跟踪环路设计不理想，在某些环境下，将使相位发生180°或90°位移，从而产生周跳或1/4周跳。

卫星在空间的运行轨迹是一条平滑的曲线，因而卫星至接收机的距离观测值（载波相位值）的变化是平缓而有规律的。

周跳将破坏这种规律，是观测值产生一种系统性的粗差。

因此周跳分期从本质上就是载波相位观测值变化分析。

分析方法包括三种：

即高次差法、多项式拟合法、双频P码伪距值探测法和三次差法。

本书不做详细介绍。

3.电离层和对流层影响分析

在第一章已经讲述过电离层和对流层对定位精度的影响，对于电离层和对流层影响的分析，通常是通过数学模型实现，主要模型包括：

（1）电磁波在电离层和对流层中传播的速度与折射的影响模型。

（2）电子密度Ne和电子含量TEC对传播延迟影响模型；

（3）数据改正模型；

（4）气象影响元素模型。

4.GPS数据分析方法

（1）TEQC分析

TEQC（Translation，Editing，andQualityChecking）软件是UNAVCO（UniversityNavstarConsortium）开发的,是目前国际上公认的较好的数据质量检查软件。

IGS（InternationalGPSService）数据中心通常采用该软件对遍布全球的连续运行站每天的数据进行检查和监控。

该软件是一款公开免费的软件，具有格式转换、数据编辑和质量检核等功能。

其中,格式转换功能可将许多不同厂家的GPS接收机观测（二进制）文件转换为RINEX文件,也可以在RINEX文件的不同格式之间转换，RINEX2.10是TEQC默认的处理格式，低于2.10版本的RINEX数据可以通过TEQC转换成2.10再进行处理，目前TEQC尚未能处理RINEX2.11格式。

数据编辑功能可用于RINEX文件字头块部分,也可进行数据文件的任意切割与合并、观测值类型的删减、卫星系统的选择及特定卫星的禁用；质量检核功能可用于检查双频GPS接收机动态和静态数据的质量，可以反映出GPS数据的可用性、电离层延迟、多路径影响、接收机周跳、卫星信号信噪比等信息。

TEQC的运行环境对计算机的硬件要求不高，可以在下列操作系统运行：

Linuxx86、SolarisSparc2.3andhigher、Solarisx862.6andhigher、HP-UX10.20andhigher（PA-RISCplatforms）、DECDigital-UNIXOSF1V4.0、DECAlphaLinux、IBMAIX4.3、SGIIRIX5.3、MacintoshOSX、Microsoft（95/98/NT/2000/XP）。

主要功能

TEQC三大功能对应着三个模块：

●数据格式转换模块（Translation）；

●RINEX数据编辑模块（Editing）；

●数据质量检核模块（QualityChecking）。

（2）TTC分析

TTC,全称TrimbleTotalControl，是美国Trimble公司出品的一种常规GPS数据处理包软件，可用于地学测量、GPS数据分析以及数据管理等内容。

TTC软件可以采用图形和数字表示的方式来体现数据分析的结果。

分析速度快，特别适合于分析大规模的CORS网络数据，并支持多站数据导出，最大支持参考站数量为超过5600个。

软件主要功能包括：

①GPS基线处理；

②静态数据资料处理；

③自动IGS站数据下载；

④GPS/GLONASS数据分析；

⑤手动和自动双模式数据分析。

TTC用于分析GPS数据质量，功能强大，特别适合于分析GPS数据，其中包括各个时段跟踪卫星数分析、原始数据电离层残差分析、历元间单差电离层残差分析和卫星信噪比分析。

见图3.4、图3.5、图3.6、图3.7所示：

图4.4跟踪卫星数分析例图

图4.5原始数据电离层残差分析例图

图4.6历元间单差电离层残差分析例图

图4.7卫星信噪比分析例图

（3）QC分析

LeicaGNSSQC是徕卡公司开发的一款专业用于GPS数据分析的软件，即可以分析CORS参考站数据，也可以分析流动站静态观测数据。