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GPS连续运行单参考站解决方案

 

一、  前言

        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、数字城市、数字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，中国发展CORS系统的紧迫性和必要性越来越突出。几年来，国内不同行业已经陆续建立了一些专业性的卫星定位连续运行网络，目前，为满足 国民经济建设信息化的需要，一大批城市、省区和行业正在筹划建立类似的连续运行网络系统，一个新的建网高潮正在到来。

当前国内不同行业建设的网站系统基本上还是独立运行的，很多单位的数据只在本单位甚至是本部门内共享和利用。目前国内市场上的连续运行参考站的建站方案动 则百万甚至上千万的资金投入相对于这些小规模的应用对连续运行参考站的需求而言就显得投入与产出太过于失衡，导致许多行业与单位只能对连续运行参考站系统 望而怯步。

针对这种情况，我们提出了“服务现在、面向未来的可拓展的SOUTH-CORS GPS独立连续运行参考站解决方案”。

本方案立足于当前的具体实际应用，单参考站在满足现势应用的前提下可拓展成为未来的多基站应用。

二、系统设计

1、系统概述

本方案设计是根据湖南地矿局在中山、佛山等固定区域的RTK生产作要求结合独立运行参考站的特点而专门设计的，方案设计遵循如下的原则。

l        先进性——在保证系统可靠性和稳定性的前提下，采用当前世界上先进的GPS技术、通讯技术、软件设计和开发技术，以保证系统的性能在较长的时间内不落后，并随着技术的不断发展得到相应的更新。

l        可靠性——系统设计就是为了更有效的提高RTK在区域内作业的效率，更合理的应用和利用RTK。系统设计以可靠性为前提，否则，不但不能起到应该起到的作用，有可能还带来反面的影响。

l        可拓展性——系统在设计上考虑到产品的可扩展性，独立的连续运行参考站只需要通过软件升级就能接入多基站的连续运行参考站系统。系统可以进行整体升级，因此系统在升级时对终端用户来说是透明的。

l        高性价比——为了极大的降低客户的运行成本，在同样的价格下，尽量让客户享受做好的服务和高性能的系统。

l        易用性——在设计系统时，尽量使用户操作界面友好、简单、易用，充分体现人性化。

2、方案目标与内容

　　连续运行单参考站系统为一个独立的连续运行的GPS参考站，利用现代计算机、数据通信和互联网(LAN／WAN)技术组成的网络，实时地向不同类型、 不同需求的用户自动地提供经过检验的不同类型的GPS观测值(载波相位，伪距)，各种改正数、状态信息，以及其他有关GPS服务项目的系统。

连续运行单参考站系统方案目标为：建立和维护测量区域内的GPS基准站支持，为该系统提供一套完整的GPS工程技术标准，其具体项目为：

（1）建设一个永久连续观测的GPS定位基准站观测墩。

（2）建立若干个可提供基准站网络服务的网络系统。

（3）建立基准站与系统管理中心的内部局域网的数据传输

（4）为用户提供静态、RTK测量的数据信息。

3、系统性能指标

本系统工程完毕后，要求达到下表内列举的各项性能指标：

 

项目	内 容	技  术  指  标
系统精度	实施方式	水平精度	高程精度
	网络RTK	≤3CM	≤8CM
	静态事后差分定位	≤5mm	≤10mm
	导航	≤5M	≤10
服务领域	导航	提供高精度导航定位的信息
	测量	提供静态、后差分、RTK的数据服务
兼容性	导航	RTCM-SC104V2.X
	差分	RTCMv2.X格式

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4、系统原理和结构

（1）系统原理

连续运行参考站系统是建立在GPS硬件的等技术平台之上。它将尖端科技领域的卫星定位技术和地理信息技术、通信技术和先进的软件开发技术有机的结合在一 起，为用户提供了全新、透明、可视、实时、的测量服务。根据系统功能的要求，本系统的GPS硬件由如下几个单元组成：GPS基站、电源系统、用户系统，如 下图所示整个系统的原理图如下：

 

（2）系统作业流程与数据流程

1）系统运作的流程如下：

l        基准站连续不间断的观测GPS的卫星信号获取该地区和该时间段的“局域精密星历”及其他改正参数，按照用户要求把静态数据打包存储并把基准站的卫星信息送往服务器上GPS软件的指定位置。

l        用户单元接收定位卫星传来的信号，并解算出地理位置坐标。

l        用户单元的数据通讯模块通过局域网从服务器的指定位置获取基准站提供的差分信息后输入用户单元GPS的OEM板进行差分解算。

l        用户单元在野外完成静态测量后，可以从基准站软件下载同步时间的静态数据进行基线联合解算

2）GPS硬件系统总体数据流程如下：

 

 

三、基准站系统设计

1、功能设计

综合系统的功能设计与要求，并结合有关项目的基准站资料，对本系统连续运行定位服务基准站提出以下功能分析与设计：

1）在中山建立一个永久性的基准站，设计为无人职守型，设备尽可能少，连接可靠，在佛山配置两个基准站的网络设备。

    2）基准站都为屋顶型基准站，采用SOUTH-BASE主机的方式。

3）基准站为分体式，主机天线置于屋顶，主机置于室内，采集数据直接显示在服务器上。

4）在断电情况下，基准站能够靠自身的UPS支持两个小时以上。

5) 佛山配置的网络RTK的基准站为可移动式，根据作业的需要，天线和主机硬件可以随时拆用。

 

2、功能模块的选用

（1）中山永久连续观测基准站

根据上述功能，中山永久连续观测基准站的设计出如下图所示。图中各功能模块的选择和性能描述如下：

1) 南方GPS扼流圈接收天线

目前，国际上通用的民用GPS接收机均接收来自美国军方全球卫星定位系统的民用频段。基准站的采用南方GPS扼流圈测量型的双频天线，南方GPS双频高精 度抗多径干拢扼流圈天线，主要用于大地测量，地震预报和大气水汽含量研究等项目。它采用铝质等圆4圈凹槽扼流圈和一个对称多点极化的天线加上一个36dB 低噪声带通滤波放大器，可以在直流电压3～12V中工作。该天线工作在并通过先进的电路减少低仰角信号的干扰，具有抗电磁干扰和抗多路径效应的能力，密闭 的天线罩可以适应不同天气和恶劣工作环境。

2）连续运行参考站主机SOUTH-BASE

南方测绘的SOUTH-BASE参考站主机是一款基于工控机硬件平台带有多种通讯接口的高性能参考站，可持续长时间稳定工作；内部安装Windows XP操作系统，使用操作简单方便；内置1G/2G CF卡用于存储操作系统、应用软件和GPS接收数据；操作者可通过串口、USB设备或网络工具及鼠标/键盘对基准站进行管理和设置。其有如下特性：

l        工控机CPU主频667MHz/1GHz可选；

l        内部安装Windows XP，操作界面友好，方便客户二次开发；

l        支持CF卡，容量1G/2G可选；

l        外壳设计为DIN导轨安装或壁挂式安装，便于客户安装；

l        以太网/1 COM（RS232）/1 USB/VGA/Keyboard&Mouse/天线 接口

 3) 基准站控制软件-BASE TRANS 软件

基准站控制软件运行在SOUTH-BASE主机的工作环境下，对存在于同一网络中的所有参考站进行统一地管理和配置，构建所有的主网和子网，分配和控制入网用户的权限，功能强大，操作简便。负责配置、监控、管理单参考站的运行状况。在整个基准站系统中，BASE TRANS 软件是一个相当重要的组成部分。主要起到以下几个作用：

l        通过数据线把主机与网络相连，接收控制电路发送过来的GPS数据，并将数据进行分类，分组。

l        把基站接收到的GPS数据通过Internet传送给用户部分的GPS接收机。

l        把用户部分的GPS传送回来的定位数据（速度，方向），进行分组归类，经过处理后发给后台的监控系统和数据库，以便后期的管理和控制。

l        由于GPS信号在GPS天线通过电缆传送给OEM板的过程中会有衰减的问题，所以接收天线与主机的距离不宜太远，如果GPS天线架设在楼顶的话，主机（ OEM板）与服务器尽可能的要放到接近楼顶的位置。

4) UPS/电源（UPS电源由用户根据自己的需要自行选择）

随着电子技术的不断发展，对供电系统的质量要求也不断提高，由于公共电网自身的原因，以及自然界雷击，地电等影响，不能满足客户对高精度，高可靠度电源质 量的要求。在我国，随着信息技术高速发展，计算机应用日益普及，计算机对我们的工作和日常生活影响也愈来愈大，人们越来越依赖着信息技术，而信息的交换， 传输和存储的需要有一个良好的供电质量，否则会直接影响到通信设备的正常使用，甚至会缩短其使用寿命。为了保证基准站能正常供电，持续不断的运行，在保持 常规供电的情况下，我们还需使用UPS设备，当市电正常输入时，UPS就将市电稳压后供给负载使用，同时对机内电池充电，把能量储存在电池中，当市电中断 （事故停电）或输入故障时，UPS立即将机内电池的能量转换为220V交流电继续供负载使用，使负载维持正常工作并保护负载软，硬件不受损坏。

（2）佛山网络观测基准站

考虑到佛山的网络观测基准站不是永久性台站，且估计成本的因素，在这两站不建立永久性的观测墩，只埋设永久性的控制点，使用时用脚架架设分体式的天线即可。

在室内部分不需要UPS电源，只需要提供 固定的IP地址即可，需要使用电脑部分时，装上SOUTH-BASE主机即可。

3、基建结构

中山基准站的基建结构部份是根据在以往工程中的永久性基站建设的经验进行设计，在此提供以供参考。

基准站由仪器室和观测墩两部分组成：

（1）观测墩：用于支撑GPS观测天线。观测墩建立于基岩上的称为基岩站，建立于屋顶上的称为屋顶站。观测墩柱体内预埋PVC管道，用于敷设天线电缆。仪 器墩外部进行保温和防风处理，顶部安装强制对中装置，并用透波材料的天线罩覆盖，以避免自然环境如强风、雨雪、日照、盐蚀等对天线的损坏。天线墩结构图见 图。

 

（2）仪器室：用于安置基准站设备。要求距离观测墩距离不超过天线电缆的许可长度，并可提供可靠的电力供应和网络接入，此外需根据条件安装防盗设施并注意 通风散热。基准站设备以模块化方式集成在仪器室的机柜内，由GPS接收机、工业计算机、网络设备、UPS电源系统、防护系统、机柜等组成。机柜内设备安置 见图2.3所示。

（3）室外观测墩防雷

 1)、室外天线防雷的接地地网原则上使用观测墩所在的大楼的防雷地网，所以大楼的防雷地网对地地阻必须小于5Ω，对于不满足要求的要进行地网改造直至满足要求。

 2)、避雷针要采用提前放电式避雷针，避雷针的引线要采用双接点与防雷带或建筑物的主筋焊接，焊接点要做好防锈措施。

 3)、避雷针的引线若是在建筑物的外墙新布设的，要在靠近地面处做好安全保护。

 4)、避雷针的高度和安放位置要符合相关防雷规范的规定。