地面增强服务系统技术方案.docx
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地面增强服务系统技术方案
柳州市北斗卫星地面增强服务系统
技术方案
上海北斗卫星导航平台有限公司
2013年10月
第1章项目概述
1.1 项目背景
1.2 建设原则
1.3 建设依据
1.4 建设目标
1.5 建设内容
第2章项目建设必要性
2.1 国家战略安全领域的需要
2.2 提高北斗系统竞争力的需要
2.3 国家北斗地基增强系统的需要
2.4 推动卫星导航产业化发展的需要
第3章系统总体设计
3.1 设计依据
3.2 系统性能指标
3.3 系统结构设计
3.4 系统工作流程
3.4.1 系统内部数据流
3.4.2 系统外部数据流
3.5 系统软件设计
3.5.1 软件功能特色
3.5.2 软件可拓展性
3.6 参考站分布设计
3.6.1 参考站分布设计原则
3.6.2 柳州市自然地理概况
3.6.3 参考站分布设计
第4章项目建设内容
4.1 参考站网系统
4.1.1 系统功能
4.1.2 系统构成
4.1.3 选址设计
4.1.4 基准站接收机
4.1.5 接收机天线与馈线
4.1.6 安全防护监控设备
4.1.7 电源保障
4.1.8 观测墩建设
4.1.9 防雷工程
4.1.10 电涌防护
4.1.11 基建施工
4.2 控制中心系统
4.2.1 功能分析与设计
4.2.2 数据结构分析与设计
4.2.3 数据中心设计
4.3 通讯系统
4.3.1 设计原则
4.3.2 功能实现及设计
4.3.3 通讯协议设计
4.4 用户终端及使用流程
4.4.1 用户终端
4.4.2 用户使用流程
第5章项目实施进度计划
第6章经费预算
6.1 费用说明
6.2 费用预算
第7章项目建设成效
7.1 经济效益预测
7.2 项目社会效益
7.3 系统服务类别
第1章项目概述
1.1项目背景
全球卫星导航系统（GNSS，即GlobalNavigationSatelliteSystem）是全球所有卫星导航系统及其增强系统的总称，GNSS可为用户提供高精度、全天时、全天候的导航定位和授时服务，是最重要的时空基准信息资源之一。
GNSS包含全球系统、区域系统、天基增强系统和地面增强系统。
目前，GNSS包含美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo系统、中国的Compass（北斗），全部建成后其可用的卫星数目达到100颗以上。
发展以北斗卫星导航系统为核心的卫星应用服务产业已经成为国家战略，卫星导航系统是国家时空基准领域的重要基础设施，是现代军事装备及信息化条件下立体作战指挥的重要依托和影响战争胜败的关键因素，是社会信息化的重要支撑和国家经济社会安全运行的重要保障，对加快经济发展方式转变、推动产业结构升级、提高生产安全效率都意义重大。
为了构建自主、安全、高效的卫星导航系统，国家投入巨资启动了国家卫星导航应用平战结合重大工程，建成了北斗卫星导航系统的基本框架。
《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》（国发〔2010〕32号）中明确指出，“积极推进空间基础设施建设，促进卫星及其应用产业发展”。
发展北斗卫星导航产业已经纳入国家发展战略，为北斗推广提供了坚实的政策保障。
国防是当前北斗卫星应用推广的重点领域。
2009年12月，胡锦涛主席签署《中国人民解放军标准时间管理规定》，要求自2010年6月1日起中国人民解放军将全部采用基于北斗卫星导航系统的标准时间。
这不仅标志着北斗卫星导航系统的相关技术已经完全成熟，同时也明确表达了国家层面对加速推广北斗卫星导航系统的信心和决心。
除了军事应用，卫星定位在专业市场中还有多种行业应用，这些行业应用最大共性就是对行业的深刻理解。
厂商需要定制接收机的软硬件来满足行业的不同需求。
国内接收机厂商将比外资企业具有更多的本地优势，而且这一优势会随着北斗系统的成熟越来越明显。
在民用领域，根据国务院和中央军委“关于加快北斗卫星导航系统的应用发展，为国家经济建设提供信息化服务”的指示精神和战略意图，近年来各级政府先后在水利水电、海洋渔业、交通运输、气象测报、国土测绘、减灾救灾和公共安全等一些关系国计民生的重点领域上马了一批北斗卫星导航系统应用示范项目，产生了显著的经济效益和社会效益。
今后3~5年将是卫星导航产业发生根本性演变的关键转折期，用户数量和产业规模将发生巨大变化。
承接国家重大专项、结合省市推动发展已经成为北斗应用的明确思路，国家北斗发展战略明确，批准实施第二代卫星导航系统重大专项，在政策扶持、资金投入和组织管理等方面予以有力支持，凸显了其国家行为。
2012年12月27日起，北斗卫星导航系统正式提供区域服务，目前在轨卫星和地面系统工作稳定，通过各类用户终端测试和评估，系统服务性能均满足设计指标要求。
我国北斗导航试验系统已应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域。
在稳步推进北斗卫星导航系统建设的同时，我国高度重视北斗卫星导航系统的应用推广和产业化工作，积极完善产业支撑、推广和保障体系，加强市场开拓和推广应用，强化产业支撑和应用基础建设，为北斗卫星导航系统充分发挥应用效益，更好服务于经济社会发展奠定基础。
地面增强系统都是通过在一定区域布设若干个GNSS连续运行参考基站（CORS），对区域GNSS定位误差进行整体建模，通过无线数据通讯网络向用户播发定位增强信息，提高用户的定位精度，且定位精度分布均匀、实时性好、可靠性高。
地面增强系统辅助空间卫星，可以显著或成倍提高定位和授时精度，可使卫星导航仪的定位精度提高到米级以内，使原本无法应用卫星导航系统的特殊高要求领域如对车辆进行基于车道的管理，对特殊人群进行精确区域的进入等精细化管理可以有效应用，对于导航产业发展具有重要的推进作用。
地面增强系统是卫星定位技术、计算机网络技术、数字通讯技术等高新科技多方位、深度结晶的产物。
地面增强系统由基准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统、用户应用系统五个部分组成，各基准站与监控分析中心间通过数据传输系统连接成一体，形成专用网络。
北斗卫星地面增强服务系统是数字城市空间数据基础设施之一，它是动态的、连续的空间数据参考框架，可快速、高精度的获取空间数据和地理特征，它也是区域规划、管理、决策的基础。
随着国家信息化程度的提高及计算机网络和通信技术的飞速发展，电子政务、电子商务、智慧城市、智慧省区和数字地球的工程化和现实化，需要采集多种实时地理空间数据，因此发展地面增强系统的紧迫性和必要性越来越突出。
1.2建设原则
柳州市北斗卫星地面增强服务系统建设将坚持“技术先进、高效可靠、经济实用和易于扩展”的基本原则。
（1）军民两用、平战结合
要求系统具备高稳定性、高可靠性、高健壮性和高安全性，充分考虑军民两用的特点，提供军队和民用各类产品，非战时完全可以满足民用对定位、导航的精度要求；在战时、非常时期，全力支持国家需要。
（2）总体规划、分步实施
系统建设中，应先行进行总体规划和设计，全盘考虑系统建设目标。
根据总体规划指导和要求，进行项目的分期建设的设计和实施，避免不合理的建设投入。
充分利用项目一阶段工程的试验论证成果，调整和修改总体建设规划和设计，以确保项目二阶段工程的成功建设。
（3）开放性、兼容性
系统应具有充分的开放能力，以满足网间互联、多星兼容、多解算产品集成、多通讯模式集成和各类终端的兼容要求。
1.3建设依据
Ø《关于加速推进北斗导航系统应用的有关工作通知》2005年，国家发改委、国防科工委
Ø《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》2006年，国务院
Ø《促进卫星应用产业发展的若干意见的通知》2007年，国家发改委、国防科工委
Ø《卫星导航应用产业“十一五”投资指南》2008年，国家工信部
Ø《中国第二代卫星导航系统重大专项实施方案》2009年，国务院
Ø《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》2010年，国务院
1.4建设目标
按照优势互补、集约建设、资源共享原则，依托现有的资源，加强系统升级改造，逐步建立以北斗为主体、统一的多系统、高精度GNSS地基增强系统网络。
合理规划，加强资源整合与集约建设，逐步规范柳州市高精度差分站点资源，实现优化配置；加强与周边地区的数据共享和互联互通，扩大柳州市北斗地面增强服务系统的网络覆盖范围；积极争取国家资源，充分利用柳州市通信资源，加快推进建立基于互联网、移动通信网、卫星通信网等的天地一体化卫星导航通信综合网络，形成多链路、跨区域的高精度卫星导航发布系统；积极跟踪，融入国家GNSS地基高精度系统，参与筹建国家GNSS天基广域增强服务网，接轨国际GNSS应用服务，努力拓展应用服务面，满足经济生产、社会服务的需要。
1.5建设内容
柳州市位于广西壮族自治区中北部的城市，市辖六县四区，总面积1.87万平方公里，地形为“三江四合，抱城如壶”。
随着新区建设的实施，柳州市城市化速度的不断加快，城市规模的扩大，要求城市的功能也要更加完备。
本项目通过在全柳州市范围内布设北斗地面增强参考站，建设覆盖全柳州市的高精度增强定位系统。
项目旨在为国家北斗导航平台提供空间基础数据，是平战结合、军民两用的基础设施建设工程。
项目建立以柳州市重点区域为主、以北斗为主体、兼容其他GNSS卫星、统一的多系统、高精度GNSS地基增强系统网络。
在柳州市区域共建15个北斗卫星地面增强参考基准站的服务系统，其中市区内3个北斗卫星地面增强参考基准站，各县内合12个北斗卫星地面增强参考基准站。
系统建设完毕后，可向系统覆盖区域内的用户提供各种不同精度的位置和时间信息服务，以满足军队、行业和大众应用的定位、导航和时间服务的实际需求。
系统为用户提供高精度导航定位、精确授时、数字报文通信服务和基于位置的增值信息等服务。
可广泛应用于交通运输及物流、智能公交、两客一危车辆、公共安全应急管理、特殊人群管理、特殊区域作业设备、智能电网、通信、金融、资源调查、水利水电、海洋渔业、减灾救灾乃至个人消费。
第2章项目建设必要性
柳州市北斗卫星地面增强服务系统基本目标是建成一个以北斗卫星导航系统为核心，兼容美国GPS和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统，融合移动通信网络、互联网等多种信息服务资源，为行业用户和大众提供导航定位、精确授时、数字报文通信服务和基于位置的增值信息服务。
2.1国家战略安全领域的需要
美国GPS系统虽然成熟且提供免费服务，但是并不保证在“非常时期”提供服务，中国国防需要北斗系统来提升精确打击、战略协同和综合保障能力；其次，以通信和电力为代表的国家命脉行业需要自主的北斗系统来提供通信、授时服务，以保证全网同步稳定运营；再则，由于GPS顶层算法不公开，中国卫星设备和服务商无法占据产业价值链的有利位置，出于扶持国内卫星产业发展的考虑，也需要加快发展北斗卫星系统。
目前我国高精度定位领域如：
测绘、国土、城建、规划、水利等行业，及国家一些重大工程（如高铁）的建设，依赖于厘米级甚至毫米级的卫星精确定位，目前95%以上使用GPS基准站差分定位技术。
一旦GPS停止服务，这些行业和工程将陷入混乱或停顿，造成的损失和影响将远远大于导航用户。
因此满足我国高端精密定位用户的应用需求，是北斗系统的重要使命。
可以预见在北斗系统完成区域覆盖之后，这些领域的定位授时应用将首先切换成北斗系统，或者采用双系统兼容方式。
由于这段时间只有国内厂商生产北斗兼容芯片和接收机，因此将直接带动国产芯片和接收机需求的快速增长。
2.2提高北斗系统竞争力的需要
通过北斗地基增强服务系统将大幅度提高北斗终端的定位精度、灵敏度和定位速度等，增强北斗的位置服务能力，可以提高北斗卫星导航系统与GPS的竞争能力，从而在与GPS的竞争中占据优势。
因此，北斗地基增强系统是开拓北斗精密定位应用的必备设施，是提高北斗系统服务能力和竞争力的必要手段。
2.3国家北斗地基增强系统的需要
通过系统建设，可为建设全国范围内实现实时厘米级定位服务系统提供统一选点、统一规划、统一建设、验收的标准以及应用示范，可纳入国家北斗地基增强系统的一部分，极大推动柳州市甚至全国北斗卫星导航定位战略性新兴产业发展。
2.4推动卫星导航产业化发展的需要
全球卫星导航产业经历1994-2003年的高速增长、2004-2010年的较快增长，08年全球产业规模于已经达249亿美元。
从2000年到2009年，全球卫星定位应用市场的产值已经从100亿美元增长到近700亿美元，翻了7倍；从2003年到2010年，中国卫星定位应用市场的产值也从50亿元增长到了550亿元，翻了10倍。
在中国卫星定位应用市场中，又以大众消费应用领域发展最为迅猛，是最有发展潜力的方向。
未来几年，全球GNSS将有巨大的成长空间。
估计到2013年，将至少达到2390亿美元的产值。
我国卫星导航应用由于起步较晚，目前占全球卫星导航应用产值的比例仅为1%-2%，远远低于日本34%、美国32%和欧洲22%的比例。
我国卫星导航在专业领域的发展慢于消费领域，2009年的产值仅为35.9亿元，2003－2009年年复合增长率为13％，远低于消费领域58.5％的复合增长率。
同时我国专业领域的产值占总产值的比例不足10％，远远低于国际上36％的比例。
从卫星导航技术应用领域分析来看，专业应用市场是行业制高点，消费应用市场是主力。
从中国经济总量和人口总量发展来看，中国的汽车和手机总量将成为世界第一，因此以车载和手机为应用载体的卫星导航消费应用市场将得到蓬勃发展。
车载导航仪在国外汽车前装市场占有率已经超过50%，而我国只有5%左右。
目前车载导航仪已经与通信、互联网结合，成为新型的汽车电子产品，市场潜力巨大。
从嵌入式手机应用来看，随着中国的移动、联通、电信等公司通信3G、4G技术、互联网技术的发展，以手机为应用载体的卫星导航市场将成为新兴的主流市场。
随着我国3G智能导航手机和车载导航仪的广泛使用，使人们对导航与位置服务的认知度和依赖程度迅速提高，公众需求巨大，2010年产值达到500亿元，预计2015年产值可达2650亿元，其中位置服务1550亿元，用户终端1.3亿台，用户数量3.5亿，存在巨大的市场潜力；同时，卫星导航与位置服务作为战略性新兴产业，具有举足轻重和不可或缺的地位，在物联网、数字地球、智能交通、节能减排等领域发挥着重要的基础性支撑作用，受到国家的高度重视，我国通过北斗卫星导航系统、连续运营参考站系统等建设，为导航与位置服务发展奠定了良好的基础。
目前，卫星导航定位产业正在经历三大转变：
从单一的GPS系统时代转变为多星座并存兼容的GNSS时代,从以专业行业（车辆）应用为主体的市场格局转变为与通信相融合的个人消费应用为主流市场的新格局,以及从经销应用产品为主逐步转变为运行服务为主的服务产业化新时期。
云计算技术在空间信息领域的应用，将产生一种跨平台、跨网络、跨行业的空间信息云计算技术，将已有的网络差分定位RTK、广域精密单点定位的PPP、卫星定位精密后处理技术等，使得多星座不同终端的个人消费应用，都可以纳入统一的空间信息服务平台下。
在统一的空间信息服务平台下，现有的导航、位置服务应用面窄、大众普及率低、服务节点分散、服务功能有待完善的现状将彻底改变。
系统将推动导航产业云时代的新局面的出现，使我国导航产业从经销应用产品逐步转变为运行服务的产业化新时期，将推动导航与位置服务应用市场的蓬勃发展，促进卫星导航定位产业的升级转变，推动我国向导航应用强国迈进。
第3章系统总体设计
3.1设计依据
本方案将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技术设计，有关卫星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：
表：
设计依据
名 称
编 号
批准单位
年份
全球定位系统测量规范
CH2001
国家测绘局
1997年
全球定位系统（GPS）测量规范
GB18314-2009
国家测绘局
2009年
全球导航卫星系统连续运行参考站网建设规范
CH/T2008-2005
国家测绘局
2006-01-01
工程测量规范
GB50026-93
国家技术监督局
1993-08-01
精密工程测量规范
GB/T15314-94
国家技术监督局
1994-12-22
全球定位系统城市测量技术规程
CJJ73-97
中国建设部
1997
卫星定位城市测量技术规范
CJJ73-2010
中国建设部
2010
测绘技术设计规定
ZBA75001-89
国家测绘局
1989-03-29
测绘技术总结编写规定
CH1001-91
国家测绘局
1991-01-21
计算机软件产品开发编写指南
GB8567-88
国家技术监督局
信息处理-数据流程图、程序流程图、系统流程图、程序网络图和系统资源图的文件编制符号及约定
GB1526-89
国家技术监督局
1989-07-04
信息处理系统计算机系统配置图符号及约定
GB/T14085-93
国家技术监督局
计算机软件质量保证计划规范
GB/T12504-90
国家技术监督局
计算机软件配置管理计划规范
GB/T12505-90
国家技术监督局
UNAVCO基准站建立规范
国际UNAVCO组织
IGS基准站建立规范
国际IGS委员会
中国地壳形变监测网络基准站建立规范
中国地震局、国家测绘局
法国国家防雷标准
NFC17-102
法国LCIE
中华人民共和国公共安全行业标准
GA173－1998
国家技术监督局
1998-06-01
混凝土结构设计规范
GBJ10—89
建设部
电子计算机机房设计规范
GB50174—93
国家技术监督局
建筑物防雷设计规范
GB50057—94
国家技术监督局
电子计算机机房施工及验收规范
SJ/T30003-93
注：
表中未列出的其它规范，按国家现行规范执行。
3.2系统性能指标
本项目完成后，要求达到下表列出的各项性能指标
表：
系统性能指标
项 目
内 容
技 术 指 标
覆盖范围
网络RTK
重点区域95％以上的地区
DGPS
CORS网内及网外100km
PPP
不受限制
服务领域
导航
交通监控，地理信息采集、更新
定位
测绘，地籍，规划，工程建设，变形监测，地壳形变监测
系统精度
动态参考基准
地心坐标的坐标分量的绝对精度不低于0.05米
基线向量的坐标分量的相对精度不低于3×10-7
网络RTK
DGPS
区域增强PPP
广域PPP
水平≤3cm，垂直≤5cm（平坝、丘陵），垂直≤8cm（山区）
30cm—50cm
水平≤2-3cm；垂直≤5cm
水平精度<10cm，初始化时间20min
事后精密定位
水平≤5mm，垂直≤10mm
可用性
定位 95.0%（365天内）；95.0%（1天内）
完好性
报警时间
＜6秒
误报概率
＜0.3%
兼容性
导航、定位
原始GNSS数据采用RINEX格式，实时差分数据采用RTCM3.X格式，与各类GNSS接收机和后处理软件兼容。
卫星信号
Ø北斗B1、B2
ØGPS：
同步L1C/A、L2E、L2C、L5
Ø可扩展支持GLONASS：
同步L1C/A、L1P、L2C/A（仅限于GLONASSM）和L2
接收机设备
目前国内主流厂商的GNSS接收机
容量
实时用户
GSM、GPRS、CDMA方式：
多用户同时使用
事后用户
无限制
3.3系统结构设计
柳州市北斗卫星地面增强服务系统的设计将按照严格的现代计算机网络的规范与标准。
整个系统是以数据中心为中心节点的星型网络。
数据中心建立在高速广域网（100M）上，网络采用TCP/IP协议，服务器操作系统采用WindowsServer，基准站采用基于LINUX系统设计的专业网络基准站接收机。
系统组成简图如下。
图：
系统组成
系统构成的定义和主要功能如下表：
系统名称
主要工作内容
备注
基准站子系统
卫星定位数据跟踪、采集、传输、系统可靠性（完备性）监测
控制中心子系统
接收并控制各基准站发回的数据。
检查各基准站工作状况；对数据进行分析、处理、存贮、管理。
形成一定格式的数据文件，发送给用户。
通讯子系统
将基准站观测数据传到中心系统；GNSS差分数据、定位数据实时发送给用户；通过Internet网络发布GNSS数据。
公共通讯网络、专用无线网络、电台
用户终端子系统
GNSS信号接收；实时差分解算；事后处理解算；
高精度卫星接收机；手机；车载终端等
3.4系统工作流程
系统的数据流可以分为内部和外部数据流两类（相对于系统用户而言），内部数据流是指在CORS站网系统内部交换的流量数据，其主要特点是不对外公开；外部数据流是CORS站网系统与用户间进行交换的数据。
系统总体数据流程图如下图：
3.4.1系统内部数据流
本系统的基准站子系统、中心系统及其通信设备间的数据交换称之为系统内部数据流。
内部数据流不对外部公开，且对于系统操作人员也有访问等级的限制。
按照系统结构划分，内部数据流可以分为基准站与数据子系统间的交换数据；数据子系统与服务中心与控制中心间的交换数据；控制中心与数据通信设备间的交换数据。
详细的数据交换内容如下表所示。
地面增强系统内部数据流一览表
类别
描述
内容
方向
频率
基准站与中心子系统交换数据
基准站的GNSS观测数据
各基准站的导航实时观测数据：
L1、L2、B1、B2、C/A、P1、P2，定位值，DOP值
基准站→中心系统
1Hz
基准站完好性监测信息
导航接收机工作状态、UPS工作状态（气象仪器状态）
不定时
遥控命令
GPS接收机设置、计算机设置、设备完好性查询、设备参数的查询
中心系统→基准站
不定时
导航电文
自主定位时形成的北斗导航电文和时间同步信息
战时
连续
数据子系统与运算子系统交换数据
基准站的GNSS观测数据
各基准站的导航实时观测数据
数据子系统→运算子系统
1Hz
基准站完好性数据
各基准站的设备完好性数据
不定时
用户数据
入网用户的注册信息，权限信息，计费信息
运算子系统内部交换数据
内部数据
各种计算的中间结果
运算子系统内部
不定时
结果数据
RTCMv2.0/2.1、DGPS、RTK、
RINEXv2.0、RAIM
不定时
中心系统与通信子系统交换数据
实时服务数据
中心向用户发送的实时差分数据、实时定位数据、精密星历和时钟改正数等，通过无线数据链路
控制中心→数据通信设备
1-30s
事后应用数据
各种可供事后分析应用的数据，通过InternetWebSite发送的数据
不定时
3.4.2系统外部数据流
本系统的外部数据流是指由系统生成的、向用户实时或事后广播的数据，即系统的服务成果，用户的服务请求和注册信息等。
系统的外部数据流可根据具体的应
升级会员 