衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準站標準體系構(gòu)建分析

陳 明，張 鵬，武軍酈，張秋義

(1. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 400079； 2. 國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830；3. 導(dǎo)航與位置服務(wù)國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100830)

衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準站(以下簡稱“基準站”)是國家重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施，在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，對國家安全具有重要影響[1]。當前我國迎來了大規(guī)?；鶞收窘ㄔO(shè)和應(yīng)用的熱潮,測繪地理信息系統(tǒng)從1992年開始建設(shè)，“十二五”末期在全國范圍內(nèi)建設(shè)形成了由410個國家基準站、2300個省級基準站為主體的全國衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準服務(wù)系統(tǒng)，全國“一張網(wǎng)”的規(guī)劃建設(shè)初步形成。此外，地震、氣象、交通部門等部門及有關(guān)獨立機構(gòu)也各自建立了大量的滿足自己需求的基準站。這些基準站廣泛應(yīng)用于測繪、城市規(guī)劃、市政建設(shè)、交通管理、氣象研究與預(yù)報、地震及沉降監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)測、農(nóng)業(yè)管理等領(lǐng)域。

當前，全國基準站在技術(shù)體系、建設(shè)規(guī)模、服務(wù)能力等方面發(fā)展迅速，為滿足經(jīng)濟建設(shè)對高精度地理信息空間數(shù)據(jù)需求提供了有力支撐，助推了國家經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，而各部門、各地方獨立建設(shè)的這些基準站，缺乏統(tǒng)籌考慮與整體規(guī)劃，沒有統(tǒng)一的標準規(guī)范，特別是在高精度位置服務(wù)涉及的數(shù)據(jù)安全方面缺乏有效監(jiān)管，安全隱患問題突出，且相互之間無法互聯(lián)、互通、互操作，不能實現(xiàn)跨行業(yè)、跨地區(qū)的數(shù)據(jù)共享，重復(fù)建設(shè)又導(dǎo)致資源浪費。另外，隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，如何適應(yīng)當前以北斗為主體、兼容其他GNSS衛(wèi)星的多系統(tǒng)集成也是基準站技術(shù)體系的重要部分[2]。

1 體系架構(gòu)

統(tǒng)一標準、統(tǒng)一監(jiān)管有利于維護基準站的安全性、可靠性和廣泛的適用性，是促進相關(guān)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的必要前提，更是維護國家安全的有力保障。但是，目前各行業(yè)、各部門基準站采用的標準呈現(xiàn)碎片式和節(jié)點狀的特征，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和頂層設(shè)計，亟待系統(tǒng)地從建設(shè)、運行、服務(wù)、管理、質(zhì)量等各方面統(tǒng)籌考慮對標準化的需求，加強標準的頂層設(shè)計，以引導(dǎo)高精度位置服務(wù)的健康發(fā)展。為此，應(yīng)加快完善基準站網(wǎng)建設(shè)、應(yīng)用服務(wù)、運行維護等方面的相關(guān)技術(shù)標準，構(gòu)建完整、系統(tǒng)、規(guī)范、開放的基準站標準體系[3]，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)基準站建設(shè)、規(guī)范監(jiān)督管理、保證服務(wù)質(zhì)量、保障數(shù)據(jù)安全。

基準站標準體系主要包括基礎(chǔ)、系統(tǒng)建設(shè)、運行維護、產(chǎn)品和服務(wù)、質(zhì)量、檢驗和測試及管理等方面，基準站標準體系框架如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準站標準體系框架

2 標準需求和技術(shù)分析

2.1 基礎(chǔ)類

基礎(chǔ)類標準是在基準站建設(shè)和服務(wù)過程中，為達到對其一致的認識和理解，以基準站相關(guān)的定義、描述為對象制定的標準，主要包括術(shù)語和時空基準，主要解決術(shù)語規(guī)范一致和時空基準統(tǒng)一的問題。衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準站技術(shù)涉及領(lǐng)域較廣，包括建筑、通信、衛(wèi)星定位、大數(shù)據(jù)等，而衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準站標準作為系列標準，設(shè)立專門的術(shù)語標準統(tǒng)一各標準中相關(guān)的、通用的術(shù)語和縮略語非常有必要。如基準站的定義，各個標準均應(yīng)以“對衛(wèi)星導(dǎo)航信號進行長期連續(xù)觀測，并通過通信設(shè)施將觀測數(shù)據(jù)實時或者定時傳送至數(shù)據(jù)中心的地面固定觀測站”為準。英文縮略語也應(yīng)予以統(tǒng)一，以常見的RTK為例，以前的相關(guān)標準中有“實時載波相位差分技術(shù)”“實時載波相位差分定位”“實時載波相位測量”等定義，需要統(tǒng)一起來。另外，基準站涉及衛(wèi)星導(dǎo)航定位和高精度的位置信息，所有事物和位置均應(yīng)有一個時間和空間的基準，基準站系列標準應(yīng)首先將基準統(tǒng)一，并且應(yīng)當明確地球參考框架的定位、建立原則、常用坐標系統(tǒng)、坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、地圖投影等技術(shù)要求，時間系統(tǒng)的標記方法、系統(tǒng)時間換算方法和應(yīng)用中的技術(shù)方法，以及各級時空基準建立聯(lián)系的方式和要求等。

2.2 建設(shè)類

系統(tǒng)建設(shè)類標準是為規(guī)范基準站建設(shè)規(guī)程中的各個環(huán)節(jié)的技術(shù)要求和技術(shù)參數(shù)，以設(shè)計、內(nèi)容、過程、方法和行為等為對象制定的標準，主要包括設(shè)計建設(shè)、技術(shù)規(guī)范和服務(wù)管理系統(tǒng)規(guī)范等標準，主要解決基準站網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、軟硬件系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容、建設(shè)方法和技術(shù)規(guī)范的問題?；鶞收揪W(wǎng)是一個集建筑設(shè)計、通信網(wǎng)絡(luò)、供電系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)、計算機機房等多種技術(shù)于一體的系統(tǒng)，因此對各部分進行單獨設(shè)計和集成設(shè)計是必要的步驟?；鶞收揪W(wǎng)從組成上劃分主要包括基準站、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心3大部分，這3部分的建設(shè)技術(shù)在標準中進行詳盡描述，如基準站的觀測墩設(shè)計和建設(shè)規(guī)格、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬和速率、數(shù)據(jù)中心的功能組成等[4]。另外，由于數(shù)據(jù)中心作為基準站網(wǎng)的樞紐，實現(xiàn)系統(tǒng)的管理、計算和服務(wù)等功能，因此對數(shù)據(jù)中心的引擎服務(wù)管理系統(tǒng)的基本要求、分類和組成、功能要求、配置要求和系統(tǒng)測試等需進行規(guī)定，為基準站網(wǎng)信息化建設(shè)和管理提供標準依據(jù)，提高基準站網(wǎng)建設(shè)效率和管理水平[5]。

2.3 運行維護類

運行維護類標準是為保障基準站有效、連續(xù)、穩(wěn)定地運行，以基準站運行維護過程中的內(nèi)容、過程、方法、接口等為對象制定的標準，主要包括運行維護、數(shù)據(jù)處理標準，主要為規(guī)范基準站網(wǎng)設(shè)施設(shè)備、軟硬件系統(tǒng)運維的要求和技術(shù)方法，并對數(shù)據(jù)處理提出標準流程、方法和評價指標等規(guī)定?；鶞收揪W(wǎng)建設(shè)完成后進入運行維護階段，規(guī)范化的運維是基準站網(wǎng)正常運行和高效服務(wù)的保障。運行維護過程中，在坐標框架及時間維護的基礎(chǔ)上，應(yīng)對基準站、數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)等基本條件進行規(guī)范化的日常運行管理，對設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)和產(chǎn)品的安全管理進行保障，并對產(chǎn)品檢查、存儲和備份等產(chǎn)品管理進行細致的要求。在設(shè)施和系統(tǒng)運維之外，對基準站網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的方法流程進行規(guī)范，指導(dǎo)各級基準站網(wǎng)坐標框架的處理和維持更新，標準可包括網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、處理軟件、方法策略、產(chǎn)出結(jié)果及技術(shù)指標等內(nèi)容[6-7]。

2.4 產(chǎn)品服務(wù)類

產(chǎn)品服務(wù)類標準是為保障基準站提供的產(chǎn)品能夠滿足用戶需求，以一種或一組產(chǎn)品和服務(wù)應(yīng)達到的技術(shù)要求為對象制定的標準，主要包括基本產(chǎn)品、數(shù)據(jù)格式、服務(wù)規(guī)范和分級分類等標準，是對基準站網(wǎng)產(chǎn)出的成果內(nèi)容和格式，以及服務(wù)提供的方式、對象、精度劃分和分級分類進行規(guī)定。首先，對基準站網(wǎng)的產(chǎn)品進行類型劃分，產(chǎn)品內(nèi)容和技術(shù)要求進行規(guī)定，用于基準站網(wǎng)產(chǎn)品的生產(chǎn)和提供。其次，基于基準站網(wǎng)產(chǎn)品的互聯(lián)網(wǎng)傳輸特點和支持北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的必然要求，對基準站網(wǎng)的信息傳輸格式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及基于HTTP、RTSP(實時流傳輸協(xié)議)、RTP(實時傳輸協(xié)議)等的接口要求和源信息表進行設(shè)計[8]。最后，應(yīng)規(guī)范基準站服務(wù)提供的基本要求、服務(wù)內(nèi)容、服務(wù)方式、服務(wù)設(shè)施、服務(wù)流程、服務(wù)人員和服務(wù)質(zhì)量評價等，為提升基準站網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量提供依據(jù)[9]。

2.5 質(zhì)量檢測類

質(zhì)量和檢測息息相關(guān)，分別規(guī)定產(chǎn)品性能品質(zhì)的評定及質(zhì)量保證的檢驗體系。質(zhì)量類標準是為保障基準站提供的產(chǎn)品和服務(wù)滿足用戶需求，以產(chǎn)品和服務(wù)的質(zhì)量評價內(nèi)容、方法及其技術(shù)要求為對象制定的標準，對基準站網(wǎng)的各個環(huán)節(jié)進行質(zhì)量評價，包括建設(shè)質(zhì)量、產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量等標準，規(guī)定基準站網(wǎng)建設(shè)、產(chǎn)品和服務(wù)等的質(zhì)量評價內(nèi)容、方法和過程，采用《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》制定扣分標準和評分方法，對質(zhì)量元素與錯漏分析、權(quán)重進行要求。檢測類標準主要是為檢測基準站系統(tǒng)及其軟硬件設(shè)備，以檢測內(nèi)容、方法和技術(shù)要求為對象制定的標準，包括系統(tǒng)測試、設(shè)備檢測和軟件測試。系統(tǒng)測試對基準站網(wǎng)的坐標框架檢驗、系統(tǒng)功能和性能測試的測試內(nèi)容、方法和技術(shù)指標進行規(guī)定；硬件檢測主要是規(guī)定接收機、天線等硬件的檢定項目、要求和檢定規(guī)程；軟件測試是規(guī)定基準站網(wǎng)數(shù)據(jù)處理軟件的性能要求、安全性要求、測試條件、測試方法和質(zhì)量評定等內(nèi)容[10]。

2.6 管理類

管理類標準是在《測繪法》《測繪成果管理條例》《衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準站建設(shè)備案辦法》等法律法規(guī)框架下，在基準站數(shù)據(jù)密級劃分和管理的文件要求的基礎(chǔ)上，以基準站設(shè)施、數(shù)據(jù)、用戶等為對象制定的管理和安全等方面的標準，對基準站網(wǎng)的管理和安全進行規(guī)范性的要求，包括基準站數(shù)據(jù)管理、用戶管理、數(shù)據(jù)匯交等，以及基準站基礎(chǔ)設(shè)施與數(shù)據(jù)安全管理、安全方法及應(yīng)急處理等要求。其中，將基準站安全管理要求的標準作為強制性國家標準，保障基準站建設(shè)、運維、服務(wù)等全過程的安全和有效實施[11]。

3 層次劃分及相關(guān)性

3.1 體系層次

基準站標準體系從層次上劃分，主要包括基礎(chǔ)層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層[12]。

(1) 基礎(chǔ)層包括時空基準、術(shù)語和安全管理等，在基準站標準體系中通用。其中，時空基準是衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準站的基礎(chǔ)，基準站網(wǎng)的運行維護、產(chǎn)品服務(wù)等都需要在統(tǒng)一的時空基準下開展。術(shù)語標準是將系列標準中的術(shù)語和縮略語進行統(tǒng)一，避免同詞不同義、同詞不同釋的情況。安全管理要求規(guī)范是在相關(guān)法律法規(guī)和保密規(guī)定的框架下，對基準站安全管理方法進行明確的要求，為系統(tǒng)建設(shè)、運維和服務(wù)提供安全保障。

(2) 業(yè)務(wù)層包括系統(tǒng)建設(shè)、運行維護、系統(tǒng)測試等。對于基準站網(wǎng)相關(guān)的活動來講，系統(tǒng)建設(shè)、運行維護、產(chǎn)品生產(chǎn)和服務(wù)是基準站網(wǎng)的主要業(yè)務(wù)流程，也是基準站網(wǎng)標準體系的主線。對基準站網(wǎng)各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工作流程、建設(shè)技術(shù)方法、技術(shù)指標等進行描述和規(guī)定，使得基準站高效、穩(wěn)定地運行，是基準站高質(zhì)量、高精度產(chǎn)品應(yīng)用服務(wù)的基礎(chǔ)。而測試檢驗和質(zhì)量規(guī)范作為輔助，是基準站網(wǎng)標準體系的必要支撐。

(3) 數(shù)據(jù)層包括基本產(chǎn)品、數(shù)據(jù)格式等?；鶞收揪W(wǎng)建設(shè)和運維的目標是獲取數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、加工分析數(shù)據(jù)和提供數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)從原始觀測數(shù)據(jù)、差分改正數(shù)據(jù)到精密衛(wèi)星軌道鐘差、速度場等分析數(shù)據(jù)，基準站網(wǎng)各個環(huán)節(jié)都產(chǎn)出了各類數(shù)據(jù)，可以說數(shù)據(jù)是基準站網(wǎng)成果的最終實體和載體。對基準站網(wǎng)數(shù)據(jù)的內(nèi)容、格式、接口協(xié)議等進行規(guī)范化的要求，保障基準站數(shù)據(jù)實時或定時地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心或用戶，是基準站網(wǎng)成果得以利用的主要形式。

(4) 應(yīng)用層包括服務(wù)提供、分級分類等?；鶞收揪W(wǎng)向用戶提供服務(wù)是應(yīng)用服務(wù)的落腳點，明確基準站網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)的內(nèi)容、方式、設(shè)施人員及服務(wù)流程等，指導(dǎo)基準站網(wǎng)服務(wù)在具體場景中進行實際應(yīng)用?；鶞收揪W(wǎng)可提供產(chǎn)品服務(wù)和技術(shù)服務(wù)，包括基本信息、觀測數(shù)據(jù)、成果數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理、技術(shù)咨詢等服務(wù)。根據(jù)不同的服務(wù)內(nèi)容和產(chǎn)品精度，采取相應(yīng)的審核、協(xié)議、公開等方式提供服務(wù)。

3.2 邏輯關(guān)系

基準站網(wǎng)標準體系中，各標準之間的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準站網(wǎng)標準關(guān)系

(1) 從基礎(chǔ)分類角度描述，時空基準、術(shù)語、安全管理要求構(gòu)成了基準站標準體系的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上開展基準站建設(shè)、運行維護、產(chǎn)品生產(chǎn)、服務(wù)提供等業(yè)務(wù)。時空基準標準為基準站網(wǎng)所有活動提供統(tǒng)一的時間和坐標基準，術(shù)語標準提供各個標準統(tǒng)一的術(shù)語和縮略語，安全管理要求標準對基準站網(wǎng)的安全措施和保密要求進行了規(guī)定。三項基礎(chǔ)類標準貫穿整個基準站標準體系，對基準站網(wǎng)相關(guān)活動全過程進行約束。

(2) 從業(yè)務(wù)流程和實施階段角度描述，可將基準站網(wǎng)的生產(chǎn)業(yè)務(wù)劃分為建設(shè)階段、運維階段和服務(wù)階段[13-14]。①在建設(shè)階段，應(yīng)按照基準站建設(shè)、服務(wù)管理系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計和建設(shè)要求，進行基準站網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施和軟硬件系統(tǒng)的建設(shè)，形成基準站、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心等基準站網(wǎng)物理實體?；鶞收揪W(wǎng)建設(shè)完成后，進行系統(tǒng)性的測試方可進入運行維護階段[15]。②系統(tǒng)測試是建設(shè)階段和運維階段的過渡，是基準站網(wǎng)建設(shè)驗收的必要條件，是檢驗基準站網(wǎng)建設(shè)質(zhì)量的具體實現(xiàn)。運行維護階段，定期進行系統(tǒng)測試和設(shè)備檢測，從而保障基準站網(wǎng)運行維護和產(chǎn)品服務(wù)的質(zhì)量。系統(tǒng)建設(shè)、測試檢驗、運行維護和質(zhì)量等規(guī)范既有時間先后的邏輯順序，又有相輔相成的互補關(guān)系。③在服務(wù)階段，基準站網(wǎng)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)加工和數(shù)據(jù)處理分析，產(chǎn)出觀測數(shù)據(jù)、坐標值、差分改正數(shù)據(jù)、精密衛(wèi)星軌道鐘差、大氣延遲模型、時間序列和速度場等各類產(chǎn)品，并基于產(chǎn)品實時或定時向用戶提供服務(wù)。

4 結(jié) 語

衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準站網(wǎng)作為國家重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施，對于促進導(dǎo)航定位市場發(fā)展具有重要作用。我國基準站建設(shè)較快，但也存在統(tǒng)籌規(guī)劃不夠、法規(guī)標準不完善、有效監(jiān)管不足和安全隱患突出等問題[16]。為進一步規(guī)范基準站的有序建設(shè)和安全應(yīng)用，國家測繪地理信息行政主管部門依據(jù)職責(zé)主導(dǎo)推進了10余項國家標準研制。國家標準的發(fā)布和實施，將在建設(shè)運維、產(chǎn)品生產(chǎn)、服務(wù)提供、安全管理等方面進一步提升我國衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準站網(wǎng)建設(shè)與管理水平，對衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準站網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)和北斗導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)化推廣具有重要作用，并將隨著我國空間基準和衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)能力的提升，在自動駕駛等領(lǐng)域持續(xù)產(chǎn)生顯著的社會和經(jīng)濟效益。