南方CORS单基参考站设计方案.docx

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南方CORS单基参考站设计方案

南方GPS连续运行单参考站

解决方案

广州南方测绘仪器有限公司

二OO九年九月

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-CORSGPS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。

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。

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。

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。

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。

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

RTK实时

定位

10KM以内

10mm+1ppm

20mm+1ppm

20KM－40KM

20mm+1ppm

40mm+1ppm

40KM－50KM

50mm+1ppm

80mm+1ppm

50KM－100KM

亚米级

亚米级

静态事后差分定位

≤5mm

≤10mm

变形观测

3－5mm

6－10mm

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

差分

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：

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。

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。

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。

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：

图二数据流程

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）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。

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。

2、功能模块的选用

（1）永久连续观测基准站

根据上述功能，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：

图三基准站设备示意图

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WindowsXP操作系统，使用操作简单方便；内置1G/2GCF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：

工控机CPU主频667MHz/1GHz可选；

内部安装WindowsXP，操作界面友好，方便客户二次开发；

支持CF卡，容量1G/2G可选；

外壳设计为DIN导轨安装或壁挂式安装，便于客户安装；

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

3）基准站控制软件-BASETRANS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，BASETRANS软件是一个相当重要的组成部分。

主要起到以下几个作用：

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。

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。

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。

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。

3、基建结构

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，实例见图。

图观测墩结构

图观测墩实例

（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所示。

图仪器室实例

（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。

基准站建设规程

一.1.12.2.1基准站观测墩建设

一.1.1.12.2.1.1点位选取

　　点位选取在符合选点基本要求的基础上，选在建筑物的主承重支柱上；对于无法确定或主承柱已有其它建筑物时，可选在主承重横梁上。

一.1.1.22.2.1.2观测墩土建

（1）、凿开点位所在的水泥板约为600×600mm，深约10cm，直至露出楼面钢筋。

凿开的楼面上在承重柱上用水钻至少钻4个深60~80cm、间距约为16cm的矩形排列的钻孔（孔径为38mm）；并对钻孔进行清洗、风干。

（图）

（2）、用植筋胶分别在四个钻孔中植入直径为20mm的螺纹钢筋（长度视观测墩设计高度定），作为观测墩支柱的主筋，并将植入的钢筋与凿出的楼面钢筋焊接在一起；主筋上每隔15cm捆扎一个钢筋直径为8mm的钢筋圈形成钢笼；根据观测墩基座设计的样式再捆扎相应的基座钢笼，并也与凿出的楼面钢筋焊接。

（图、）

图图

图图

（3）、将直径为300mm的无缝不锈钢管套在主支柱钢笼外（安装时尽量保持钢管的竖直度），其低部与基座钢笼顶部焊接在一起；根据GPS信号线设计的走线路线在基座的侧面或后面预埋PVC线管（管内直径为5cm，拐弯处用两弯角为135度的接合头拼接成直角弯或用钝角接合头，并在线管内预留装信号线用的牵拉线）；在基座的侧、后三面预留通风、排水管（直径约2cm的PVC管）。

（图、）

图图

（4）、用镀锌铁板条焊接在支柱的主筋上作为防雷的引线通出基座外。

在不同的位置焊接两个上述的引线。

（图）

（5）、用洗干净的河沙和石块与水泥兑成C30标号的混凝土进行浇筑，主支柱的顶部要预留一直径约为6cm深15cm的强制对中器安装位置，并水平地安装上砝兰盘。

（图）

图图

（6）、待混凝土基本定位后，用玻璃棉对支柱外面和外装饰钢筒的内侧进行隔热处理。

（图、）。

（7）、安装观测墩外装饰和砝兰盘。

外装饰是分别采用两个半圆柱形和两个半圆台形不锈钢片焊接成一筒形和一圆台形构件组成（圆台形构件的上底直径固定为60cm，高30cm，其他尺寸以设计为准），各构件的焊接处要用玻璃胶密封；外装饰套在支柱外（图），圆柱形和圆台形接合处用电焊焊接（点焊）；法兰盘装置在圆台顶部，用满焊焊接，并用螺旋固定。

（图）

图图

图

（8）、用圆水准管严格整平安装强制对中器，并保证强制对中器不与观测墩的任何金属部件连接。

（图）

（9）、对观测墩基座进行防水处理并修复原建筑物的防水层；根据设计对基座进行外装饰。

（10）、布设观测墩到机房的GPS信号线保护管，保护管的大小要合适（参考直径为63mm的饮水管）。

（11）、安装天线保护罩。

在天线保护罩上钻4到6个孔，用自攻螺丝固定保护罩；另钻2到3个通气孔。

一.1.1.32.2.1.3机房的建设

（1）、机房的位置选取要考虑GPS信号线保护管的布设方便，并要满足机房到观测墩的信号线保护管的折线总长度不能超过60米。

（2）、用钢化玻璃或其他材料隔成长宽不小于2米×2米的机房间，拉一路从楼层市电总闸连接出来的强电并安装一16A的插座；间内要做好照明、通风、散热等措施。

（3）、若机房位置选在楼层比较少人看管的地方，如楼梯间等，要做好安全措施。

（4）、若楼层内已有其他机房，在其满足以上条件的基础上也可将基准站机房设备安放在此机房内，不另外建设基准站机房。

一.1.22.2.2防雷设备安装

防雷安装必须由有国家乙级以上防雷设计施工资质的单位进行。

1、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。

2、机房防雷

（1）、机房的市电要做好防浪涌保护措施，防浪涌设备性能不能低于美国MCG防浪涌设备的性能指标。

防浪涌保护设备要并联装在给UPS供电的市电前。

（2）、机房内的所有设备要做接地处理。

（3）、GPS接收机信号线要做好馈线防雷，性能指标不低于。

3、整个防雷工程要通过相关部门的验收并取得防雷合格报告书。

四、应用建议

系统作业主要针对单位的测绘应用，更具引用特点模式分为高精度测量、控制测量、大比例尺测图和施工放样等几项。

1.静态测量

静态方法主要是利用系统基准站的原始观测数据和用户所观测的数据联合处理完成的，具体内容如下：

观测时间：

1时段，2-3小时

采样率：

15秒

使用仪器：

双频GPS接收机

处理软件：

接收机厂商提供的商业软件，广播星历

测量精度：

平面点位精度3cm。

使用领域：

城市控制测量，工程控制测量

使用方法：

静态仪器直接观测。

通过网络下载CORS基准站数据。

利用商业软件进行基线处理。

利用商业软件进行平差计算，得到控制点坐标。

2.动态测量

使用方法：

GPRS或CDMA拨号，拨叫基准站的网络系统接入号码。

流动站GPS天线保持稳定，进行初始化工作，得到RTK固定解。

这一时间根据卫星状况、观测环境状况等可能会持续15-120秒。

在待测点上得到固定解且稳定2-5秒钟后，开始记录数据，连续记录10次结果（5秒采样间隔）。

取平均值作为该点的精确坐标。

如果不能顺利初始化，可移动流动站天线位置，选择观测条件好的地点进行初始化，然后移动到待测点上。

作业过程中如果发生初始化丢失时（即定位结果降低为RTK固定解以下水平），需要重新稳定进行初始化工作，直至得到RTK固定解为止。