省級GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)動態(tài)監(jiān)測與運行維護(hù)策略

關(guān)滄海 岳 昊 趙忠海 殷菁遙

(1. 自然資源部第二大地測量隊, 黑龍江 哈爾濱 150025;2. 黑龍江測繪地理信息局后勤管理中心, 黑龍江 哈爾濱 150081)

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)基準(zhǔn)站,又稱衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站、連續(xù)運行基準(zhǔn)站等,是維持國家和區(qū)域坐標(biāo)參考框架、開展精密衛(wèi)星定軌和行業(yè)融合應(yīng)用等的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)(continuously operating reference stations,CORS)由一定數(shù)量的基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)中心、通信網(wǎng)絡(luò)以及用戶等構(gòu)成,能夠提供實時高精度導(dǎo)航定位服務(wù),有效提高定位精度和生產(chǎn)效率[1-2]。

黑龍江省GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)(HLJCORS)于2016年7月建成運行,目前建設(shè)有1座數(shù)據(jù)中心和148座基準(zhǔn)站,支持全星座衛(wèi)星系統(tǒng)接收與解算,面向全省各行業(yè)提供基于2000國家大地坐標(biāo)系(China geodetic coordinate system 2000,CGCS2000)的空間基準(zhǔn)支持與精準(zhǔn)位置服務(wù),在自然資源調(diào)查監(jiān)測、農(nóng)機(jī)自動駕駛、智能交通管理等方面發(fā)揮了巨大作用。為了保障GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)的長期穩(wěn)定運行,一方面需持續(xù)對基準(zhǔn)站網(wǎng)運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控,及時對故障問題進(jìn)行處置,使數(shù)據(jù)傳輸和用戶服務(wù)等不間斷。另一方面需定期對設(shè)施設(shè)備等進(jìn)行巡檢維護(hù),保障站點安全和設(shè)備正常運行。本文基于HLJCORS運行現(xiàn)狀和維護(hù)經(jīng)驗,對省級GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)動態(tài)監(jiān)測與運行維護(hù)策略進(jìn)行探討研究。

1 基準(zhǔn)站網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)測

1.1 機(jī)房環(huán)境實時監(jiān)控

省級基準(zhǔn)站網(wǎng)均設(shè)立有數(shù)據(jù)中心,機(jī)房是數(shù)據(jù)中心的核心部分。為保證其安全、穩(wěn)定、高效運行,需對機(jī)房的物理環(huán)境、設(shè)備運行、人員活動以及安全消防等進(jìn)行實時監(jiān)控。機(jī)房的溫濕度通過空調(diào)設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié),為此需要每日監(jiān)控空調(diào)運行狀況,對壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、加熱器、加濕器等的工作狀態(tài)進(jìn)行檢查,同時應(yīng)在機(jī)房中需要重點關(guān)注的地方安裝溫濕度檢測模塊,通過監(jiān)控報警系統(tǒng)實現(xiàn)24 h自動化監(jiān)測。當(dāng)溫濕度超出預(yù)警值時,立刻進(jìn)行報警,提醒工作人員及時查看和排除故障。同時機(jī)房內(nèi)部應(yīng)安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng),讓工作人員能夠?qū)崟r關(guān)注機(jī)房環(huán)境狀態(tài),發(fā)現(xiàn)異常時快速處置。

1.2 站點運行監(jiān)控

CORS中心是各省級基準(zhǔn)站網(wǎng)的維護(hù)部門,負(fù)責(zé)基準(zhǔn)站網(wǎng)的監(jiān)測維護(hù)、運行服務(wù)以及拓展應(yīng)用等。在日常運行中,CORS中心值班人員應(yīng)通過數(shù)據(jù)解算服務(wù)軟件等,每日查看站點的衛(wèi)星接收狀態(tài),檢查站點接收機(jī)的數(shù)據(jù)存儲狀態(tài),并檢測網(wǎng)絡(luò)可用性、通信延遲、丟包率等[3]。對于衛(wèi)星信號接收異常的站點,應(yīng)登陸接收機(jī)查看問題原因,及時處理。基準(zhǔn)站到數(shù)據(jù)中心的通信延遲應(yīng)小于1 s,當(dāng)基準(zhǔn)站實時數(shù)據(jù)流中斷或網(wǎng)絡(luò)延遲大時,應(yīng)研判故障原因,是由通信線路、市電或設(shè)備等發(fā)生故障導(dǎo)致,還是其他問題,告知相關(guān)責(zé)任人排除故障。

值班人員應(yīng)每日上報值班日志,記錄各項問題原因及處理措施。通過分析值班日志,發(fā)現(xiàn)故障率較高的站點并進(jìn)行重點維護(hù),保障基準(zhǔn)站運行質(zhì)量和效率。

1.3 服務(wù)性能監(jiān)測

GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)的服務(wù)穩(wěn)定性、定位可靠性及時間可用性等應(yīng)予以重點關(guān)注。為做到及時監(jiān)測與分析,一般應(yīng)在較為空曠的地點設(shè)立長期監(jiān)測站,利用實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)(real time kinematic,RTK)設(shè)備或帶扼流圈天線的大地測量型GNSS接收機(jī)等,開展常年固定不間斷觀測,為精確開展導(dǎo)航定位服務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐保障。在觀測數(shù)據(jù)采集完畢后,通過計算和統(tǒng)計內(nèi)符合精度、外符合精度以及固定率等,評估基準(zhǔn)站網(wǎng)的性能等指標(biāo)是否滿足要求。

內(nèi)符合精度可用來表示定位穩(wěn)定性[4],其計算公式如式(1)所示。

(1)

外符合精度可用來表示定位可靠性[1],其計算公式如式(2)所示。

(2)

時間可用性可通過統(tǒng)計固定監(jiān)測站觀測數(shù)據(jù)的固定率獲得。在開展自主監(jiān)測的同時,還宜委托第三方機(jī)構(gòu)每年開展一次基準(zhǔn)站網(wǎng)的功能測試和性能測試,全面評估數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、存儲、備份以及衛(wèi)星系統(tǒng)兼容性、數(shù)據(jù)格式兼容性、自動組網(wǎng)與服務(wù)等功能是否正常,數(shù)據(jù)傳輸延遲、空間可用性、用戶并發(fā)訪問量等性能是否良好[5]。

1.4 數(shù)據(jù)存儲與管理

GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)數(shù)據(jù)主要包括GNSS原始觀測數(shù)據(jù)、與接收機(jī)無關(guān)的交換格式(receiver independent exchange format,RINEX)數(shù)據(jù)、站點信息以及氣象數(shù)據(jù)等[6]。GNSS接收機(jī)中應(yīng)存儲至少30 d的原始觀測數(shù)據(jù),并每日將觀測數(shù)據(jù)自動推送到數(shù)據(jù)中心的磁盤陣列等介質(zhì)中存儲。發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)推送不完整時,應(yīng)及時去接收機(jī)中下載;若因網(wǎng)絡(luò)等故障無法訪問接收機(jī)時,應(yīng)定期去現(xiàn)場下載。數(shù)據(jù)中心宜長期保存采樣間隔30 s的觀測數(shù)據(jù),對于高采樣率(如1 s、0.5 s)的觀測數(shù)據(jù),可根據(jù)需要選擇保存期限。每月應(yīng)對上月數(shù)據(jù)進(jìn)行整理備份,一般以自動備份為主,備份到硬盤等介質(zhì)中,備份數(shù)據(jù)應(yīng)長期保存。

為保障基準(zhǔn)站高質(zhì)量運行,應(yīng)持續(xù)開展基準(zhǔn)站GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析,評估站點數(shù)據(jù)可用率、多路徑影響(MP1、MP2)及周跳比(o/slps)等指標(biāo)是否滿足要求。一般可采用美國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地殼形變觀測研究大學(xué)聯(lián)合體(university NAVSTAR consortium,UNAVCO)研發(fā)的TEQC(translation , editing and quality checking)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查。數(shù)據(jù)可用率表示有效觀測歷元數(shù)占總觀測歷元數(shù)的比率。MP1和MP2分別表示L1和L2波段上的多路徑效應(yīng)對偽距和相位影響的綜合指數(shù)[7-9],其中MP1的計算公式如式(3)所示。

(3)

MP2的計算公式如式(4)所示。

(4)

數(shù)據(jù)有效率、多路徑影響可參照推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 39618—2020《衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)運行維護(hù)技術(shù)規(guī)范》要求執(zhí)行,數(shù)據(jù)有效率應(yīng)大于85%,多路徑影響應(yīng)小于0.5 m。

o/slps表示觀測值和周跳的比值,反應(yīng)觀測數(shù)據(jù)的周跳情況,其參考值為200,值越小,說明周跳越嚴(yán)重[8]。通常用每千歷元的周跳數(shù)(CSR)直觀表示,如式(5)所示。

(5)

CSR值既能反應(yīng)觀測數(shù)據(jù)中的周跳信息,也可以反應(yīng)接收機(jī)修復(fù)周跳的能力[10]。國際GNSS服務(wù)組織(international GNSS service,IGS)的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測分析顯示,超過1/2的IGS站的平均CSR值小于5,超過2/3的IGS站的平均CSR值小于10。當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量無法滿足要求時,應(yīng)分析原因,及時解決。

2 基準(zhǔn)站網(wǎng)運行維護(hù)

2.1 數(shù)據(jù)中心維護(hù)

數(shù)據(jù)中心是基準(zhǔn)站網(wǎng)的核心,對于基準(zhǔn)站網(wǎng)的正常運行至關(guān)重要。數(shù)據(jù)中心維護(hù)主要包括基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)、設(shè)備維護(hù)和軟件系統(tǒng)維護(hù)。機(jī)房設(shè)施包括供電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、電涌防護(hù)以及監(jiān)控系統(tǒng)等,應(yīng)定期檢查各項設(shè)施的運行狀態(tài),同時對數(shù)據(jù)中心的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測和維護(hù),主要檢測項包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備工作狀態(tài)、傳輸速率、延遲時間、誤碼率以及丟包率等[11]。并定期開展防雷、防火、防盜、防水、防塵和防水檢查。

機(jī)房設(shè)備通常包括服務(wù)器、磁盤陣列、交換機(jī)、路由器、防火墻、不間斷電源(uninterruptible power supply,UPS)等,應(yīng)定期對機(jī)房設(shè)備進(jìn)行檢修保養(yǎng),及時解決設(shè)備故障,積極優(yōu)化硬件配置,最大限度地發(fā)揮硬件效能,保證服務(wù)整體性能?？稍诩扔芯W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,通過負(fù)載均衡架構(gòu)增加服務(wù)器的吞吐量,提高服務(wù)器響應(yīng)速度,有效避免單點失效等,從而保證公共服務(wù)的不間斷性。同時應(yīng)對機(jī)房軟硬件設(shè)備基本信息、效能、檢修和更換等內(nèi)容做好登記,建立磁盤整理與監(jiān)控機(jī)制,做好軟件更新與設(shè)備延保等工作,降低維修成本與時效性。軟件系統(tǒng)應(yīng)定期進(jìn)行升級更新和漏洞修補(bǔ)等,及時更新殺毒軟件病毒庫,發(fā)現(xiàn)病毒感染時快速清除。

2.2 基準(zhǔn)站維護(hù)

GNSS基準(zhǔn)站通常由土建設(shè)施、軟硬件設(shè)備以及通信網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成,某一個組件出現(xiàn)故障,都可能導(dǎo)致基準(zhǔn)站運行不穩(wěn)定或不能正常傳輸數(shù)據(jù)。基準(zhǔn)站長期無人值守,應(yīng)每年至少巡檢一次,查看站點設(shè)施的完好性,檢查站內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)。通過例行或有針對性的實地巡檢維護(hù),可及時解決故障,保證基準(zhǔn)站健康、持續(xù)運行。維護(hù)前,應(yīng)先制定合理的維護(hù)計劃和行進(jìn)路線。巡檢維護(hù)工作通常由內(nèi)外業(yè)人員配合開展,對于內(nèi)業(yè)無法解決的問題,應(yīng)及時告知外業(yè)維護(hù)人員前往處理。

基準(zhǔn)站設(shè)施通常包括觀測室、觀測墩以及供電系統(tǒng)等。觀測室主要分為利用當(dāng)?shù)胤课莺妥越ǚ课輧煞N。利用當(dāng)?shù)胤课莸囊话銦o須維護(hù)。對于自建房屋,應(yīng)重點關(guān)注房屋墻面是否傾斜或開裂、內(nèi)墻是否發(fā)霉、門窗是否破損銹蝕、屋頂是否漏水等,有外部圍墻或圍欄的,還應(yīng)檢查其安全性,發(fā)現(xiàn)問題后,應(yīng)立刻有針對性地進(jìn)行維修。對于觀測墩,應(yīng)檢查觀測墩外觀完好性、地基沉降、墩體垂直度及周邊環(huán)境變化和遮擋等。站點供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障后,需聯(lián)系當(dāng)?shù)仉姽そ鉀Q;對于安裝有獨立電表的基準(zhǔn)站,需定期開具電費發(fā)票。

基準(zhǔn)站設(shè)備通常包括GNSS接收機(jī)、GNSS天線、供電設(shè)備、通信設(shè)備以及雷電防護(hù)設(shè)備等?；鶞?zhǔn)站設(shè)備集成如圖1所示。

圖1 基準(zhǔn)站設(shè)備集成示意圖

GNSS接收機(jī)及天線巡檢主要關(guān)注接收機(jī)工作狀態(tài)、天線罩是否損壞、饋線是否破損、接頭是否松動等。供電設(shè)備巡檢主要關(guān)注UPS運行狀態(tài)、電池漏液等。雷電防護(hù)設(shè)備巡檢主要關(guān)注接地電阻變化、接地連接是否松動生銹等。

為整體掌握所有基準(zhǔn)站的運行情況,每站宜建立基準(zhǔn)站維護(hù)檔案,詳細(xì)記錄基準(zhǔn)站設(shè)施及設(shè)備的基本信息,如站點的站名、代碼、建站時間、墩標(biāo)類型、概略坐標(biāo)、地質(zhì)地形、點位環(huán)境、看護(hù)人員及電話、站址供電及用地情況等,設(shè)備的類型、型號、序列號、初裝日期、配置信息等;并在每次巡檢維護(hù)時詳細(xì)填寫維護(hù)信息,形成歷史維護(hù)記錄。

2.3 坐標(biāo)框架更新

GNSS基準(zhǔn)站受板塊運動、地殼形變、潮汐負(fù)荷以及地面沉降等因素的影響,其坐標(biāo)會動態(tài)變化。為了維持區(qū)域高精度、動態(tài)、地心、三維坐標(biāo)框架,持續(xù)提供與國家坐標(biāo)框架統(tǒng)一的高精度定位服務(wù),應(yīng)充分利用GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)的歷史觀測數(shù)據(jù),收集周邊的IGS基準(zhǔn)站以及國家基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù),按照一定的復(fù)測策略開展坐標(biāo)框架解算和整體平差,研究基準(zhǔn)站點位坐標(biāo)的變化規(guī)律。當(dāng)局部區(qū)域的個別基準(zhǔn)站的平面位置位移超過2 cm或高程位移超過3 cm時,應(yīng)及時更新基準(zhǔn)站坐標(biāo)。當(dāng)基準(zhǔn)站網(wǎng)中超過30%的站點坐標(biāo)發(fā)生明顯變化時,應(yīng)進(jìn)行全網(wǎng)更新[12]。

對于坐標(biāo)框架更新形式,可通過建立站點速度模型,利用模型計算站點坐標(biāo)的速度并不斷修正;或考慮站點的非線性運動,顧及各種不連續(xù)性和物理參數(shù)等的影響,計算給出站點的時間序列[13]。

2.4 應(yīng)急保障及安全管理

數(shù)據(jù)中心和基準(zhǔn)站應(yīng)建立故障應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制,制定應(yīng)急工作預(yù)案,對數(shù)據(jù)中心和基準(zhǔn)站軟硬件設(shè)備故障、網(wǎng)絡(luò)通信故障、系統(tǒng)故障以及數(shù)據(jù)安全等相關(guān)突發(fā)事件做出應(yīng)急處理[14]。對遭受破壞的基準(zhǔn)站,應(yīng)及時處理,恢復(fù)正常運行。無法恢復(fù)的,應(yīng)搬遷或重建。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房和基準(zhǔn)站應(yīng)建立安全管理制度,制定消防安全預(yù)案。機(jī)房為涉密場所,應(yīng)制定保密管理制度,進(jìn)出入應(yīng)填寫訪客登記表?；鶞?zhǔn)站到數(shù)據(jù)中心的傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用專網(wǎng)或商用密碼手段加密保護(hù)。基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)應(yīng)由專人負(fù)責(zé)管理,對外提供服務(wù)時,應(yīng)采取用戶審核的方式,實現(xiàn)受控管理。

3 服務(wù)管理與應(yīng)用

3.1 用戶服務(wù)管理

省級基準(zhǔn)站網(wǎng)的服務(wù)類型主要包括事后毫米級GNSS數(shù)據(jù)處理、實時厘米級網(wǎng)絡(luò)RTK定位、實時分米級網(wǎng)絡(luò)實時動態(tài)碼相位差分技術(shù)(real time differential,RTD)定位、不同平面系統(tǒng)和高程系統(tǒng)間相互轉(zhuǎn)換、基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)下載以及相應(yīng)的接口服務(wù)等。

在使用基準(zhǔn)站網(wǎng)服務(wù)前,用戶需要進(jìn)行注冊,提交完備的資料,管理人員進(jìn)行審核。CORS中心應(yīng)制定健全的資料提交審批制度、用戶管理服務(wù)制度以及日常值班制度,配備相應(yīng)的服務(wù)設(shè)施、專業(yè)人員和網(wǎng)絡(luò)人員等,做好用戶資料建檔備份及用戶信息安全保密工作。在日常服務(wù)中,持續(xù)開展新技術(shù)、新技能培訓(xùn),通過門戶網(wǎng)站、教學(xué)視頻、電話、短信、郵件、微信、QQ服務(wù)群等方式提供遠(yuǎn)程技術(shù)咨詢和問題處理,在必要時需提供現(xiàn)場技術(shù)支持。針對主要問題及操作細(xì)則等編寫用戶手冊,讓服務(wù)更優(yōu)質(zhì)。

3.2 應(yīng)用能力拓展

為不斷提高服務(wù)質(zhì)量和用戶滿意度,應(yīng)在日常的運行維護(hù)中,不斷創(chuàng)新服務(wù)方式,增強(qiáng)研發(fā)能力,提升系統(tǒng)健壯性。如應(yīng)積極開展高精度位置服務(wù)平臺等的建設(shè),讓服務(wù)更加便捷化[15];進(jìn)一步擴(kuò)增機(jī)房軟硬件設(shè)備,實現(xiàn)冗余工作能力,滿足海量用戶需求;部署備用電源或柴油發(fā)電機(jī)組等實現(xiàn)電力供應(yīng)不中斷;部署雙鏈路網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸不中斷等。

4 結(jié)束語

目前全國各省均已建立起省級GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng),面向行業(yè)和大眾等提供專業(yè)化、社會化服務(wù)?；鶞?zhǔn)站網(wǎng)監(jiān)測與維護(hù)相對于建設(shè)而言,是長期性、復(fù)雜性的工作,需要不斷研究與完善,目前各省級基準(zhǔn)站網(wǎng)在運行維護(hù)方面暫未形成較為統(tǒng)一的監(jiān)測與維護(hù)策略。本文結(jié)合HLJCORS運行維護(hù)經(jīng)驗,對基準(zhǔn)站網(wǎng)監(jiān)測維護(hù)以及用戶服務(wù)管理等過程中需要注意的問題和內(nèi)容等做了研究分析,以期為省級GNSS基準(zhǔn)站網(wǎng)運行維護(hù)提供一定的參考借鑒。