南宁示范区北斗地基增强系统建设方案.doc

南宁示范区北斗地基增强系统 建设方案 武汉际上空间科技有限公司 二 一三年十一月 目录 第一章 项目概述 1 1 1 建设背景 1 1 2 建设意义 2 1 3 建设原则 3 1 4 参考标准 4 1 5 常用术语 6 第二章 项目建设目标 6 2 1 系统建设目标 6 2 2 系统技术指标 6 第三章 项目建设内容 8 3 1 系统总体结构 8 3 2 系统建设内容 10 3 3 系统管理中心建设 11 3 4 基准站系统建设 25 第四章 项目组织实施 42 4 1 项目组织过程 42 4 2 项目质量管理 42 4 3 项目风险管理 43 4 4 项目实施计划 45 第五章 投资预算 46 第一章 项目概述 1 1 建设背景 北斗卫星导航系统 BeiDou Navigation Satellite System 是中国 正在实施的自主研发 独立运行的全球卫星导航系统 缩写 BDS 与美国的 GPS 俄罗斯的 Glonass 欧盟的 Galileo 系统兼容共用的全球卫星导航系 统 并称全球四大卫星导航系统 目前 北斗导航定位系统已经成功发射 四颗北斗导航试验卫星和十六颗北斗导航卫星 其中 北斗 1A 已经结束 任务 将在系统组网和试验基础上 逐步扩展为全球卫星导航系统 该 系统完成后 可在全球范围内全天候 全天时为各类用户提供高精度 高 可靠性的定位 导航 授时服务并兼具短报文通信能力 较传统的单 GPS 系统 使用 GPS 系统与北斗卫星导航定位系统联合定位 对于提高导航定 位系统的环境适应性以及精密定位初始化时间方面有明显的优势 随着北 斗导航定位系统的发展 生产定位服务设备的生产商 都将会提供对 GPS 和北斗系统的支持 以提高定位的精确度 目前 北斗卫星系统已经对亚 太地区实现全覆盖 因此 发展北斗卫星地基增强系统 对于提高现有导 航定位稳定性有着极大的帮助 建立南宁北斗地基增强系统不仅能更好更 准确地服务于南宁及周边乃至广西全区 也为服务东盟国家提供借鉴和纽 带 为北斗走进东盟提供应用示范 1 2 建设意义 南宁北斗地基增强系统可以为南宁及附近地区提供高精度永久性连续 运行的定位基础设施 按用户对精度的需求不同 卫星导航定位用户可分 为导航用户和精密定位用户两类 目前测绘 国土 城建 规划 水利等 行业 及一些重大工程的建设 需要厘米级 甚至毫米级的精确定位 使 用的技术手段 90 以上为 GNSS 的基准站差分定位技术 相对于传统的测绘 手段 用 GNSS 的基准站差分定位技术 可以大大降低工作强度 缩短工 作时间 提高工作效率 北斗地基增强系统的建设 可以为测量区域内提 供永久性连续运行的基准站差分信号 避免在同一区域内的基准站的重复 建设 提高设备的利用效率 北斗地基增强系统基于北斗卫星导航系统的基本导航定位功能 统筹 北斗地面应用的密集跟踪站网 融合地面移动通信网 互联网等基础设施 为北斗应用推广与产业化的增强终端研制项目提供完整的应用规范 标准 支撑 为北斗终端应用的高端低用思路建立地面基础设施 北斗地基增强 系统能够提供实时与事后精密定位服务两个功能 事后精密定位服务可通 过 FTP 服务器事后下载基准站原始观测数据 进行事后数据处理 达到事 后毫米级定位结果 实时动态定位技术依靠网络 RTK 技术 可在区域范围 内向大量用户同时提供高精度 高可靠性 实时的定位信息 1 3 建设原则 1 先进性和实用性 DomeNet 系统紧密围绕导航定位工作的专业特点 工作方式 业务流 程及其他信息需求 结合现有的资料 数据库 信息管理系统等 进行系 统设计和功能开发 确保系统贴近实际应用 连续运行参考站系统采用了 国际领先的模糊度解算算法 并包含了数项高级核心技术 如可对 BDS GPS GLONASS 三模数据进行处理 移动站根据离基准站的最近距离动 态选择主站等 2 开放性和扩展性 采用的集成系统解决方案 包括基础数据的格式 操作平台 数据库 结构以及自行开发的软件和模型 在实用的前提下力求技术方向的高起点 和先进性 符合国际标准 并适应未来的网络互联趋势 数据库和软件的 设计可根据发展的需要进行扩充 以保证系统具有开放性 扩展性和较长 的使用期 满足将来系统升级要求 保护原有的投入 3 易操作 连续运行参考站系统考虑到对系统的操作方便 易学 直观 适合各 级决策 管理和技术人员等不同层次的要求 系统的设计和开发遵循行业 主管部门对软硬件环境 数据库 模块结构 网络协议等的有关规范 并 尽量协调或统一上述标准未能涵盖的结构及接口要求 以利于系统的集成 和有效运行 使软件更加直观易学 容易操作 根据软件管理的不同角色 制定相 应的培训计划 对用户进行系统的培训 使其彻底掌握本系统 4 安全性 系统应具有切实可行的安全保护和保密措施 除了在硬件 网络 操 作系统 数据库一级提供可靠的安全保密措施以外 上层应用系统的设计 也必须进一步强化 确保用户数据在存储 传输 查询等过程中的绝对安 全 杜绝非法用户未经授权对数据进行访问 修改和操作 对计算机犯罪 和病毒具有很强的防范能力 保证数据传输可靠 防止数据丢失和破坏 确保数据的永久安全 实时监控基准站设备的在线状态 当基准站设备状 态出现异常 可实时安排人到现场查看 保证基准站设备的安全 另外 由于监控 预警 调度 紧急援助等功能的实现 能最大限度地防范安全 事故的发生 5 标准性 采用标准化的技术和协议才能交换数据和信息资源 保证连续运行参 考站系统的开放性 连续运行参考站系统的外部数据流 内部数据流 系统的接口 空间 数据库标准等采用相关的国际标准 国家标准 没有国际 国家标准的地 方根据应用的要求需制定自己的标准 以保证将来系统的扩展性 系统平 台采用开放工业标准的数据库来实现空间数据的管理 保证技术实现的开 放性与可维护性 便于日常维护和系统的扩展 1 4 参考标准 系统设计开发主要参照如下标准 GB T18314 2001 全球定位系统 GNSS 测量规范 CJJ73 97 全球定位系统城市测量技术规程 GB12897 91 国家一 二等水准测量规范 CJJ8 99 城市测量规范 GB T18326 2001 数字测绘产品检查验收规定和质量评定 CH1002 95 测绘产品检查验收规定 CH1003 95 测绘产品质量评定标准 表 1 4 1 引用的规范和标准 部分 名称 编号 批准单位 年份 全球定位系统测量规范 CH2001 中国测绘局 工程测量规范 GB 50026 93 中国技术监督局 1993 08 01 精密工程测量规范 GB T 15314 94 中国技术监督局 1994 12 22 全球定位系统城市测量技术规程 CJJ 73 97 中国建设部 1997 测绘技术设计规定 ZBA 75001 89 中国测绘局 1989 03 29 测绘技术总结编写规定 CH1001 91 中国测绘局 1991 01 21 计算机软件产品开发编写指南 GB8567 88 中国技术监督局 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 中国技术监督局 1989 07 04 信息处理系统 计算机系统配置 图符号及约定 GB T 14085 93 中国技术监 督局 计算机软件质量保证计划规范 GB T 12504 90 中国技术监督局 计算机软件配置管理计划规范 GB T 12505 90 中国技术监督局 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 中国测绘局 混凝土结构设计规范 GBJ 10 89 中国建设部 1 5 常用术语 GNSS 全球定位系统 GIS 地理信息系统 GPRS 分组无线通讯技术 RTK 实时动态定位技术 TCP 传输控制通讯协议 HTTP 超文本传输协议 CORS 连续运行参考站 DGPS 差分 GPS SNR 信噪比 第二章 项目建设目标 2 1 系统建设目标 南宁示范区北斗地基增强系统目标为 1 通过地面基准站系统的增强服务 实现对现有 CORS 系统的升级 进 行与北斗卫星导航系统的融合 提高在南宁及周边地区的高精度位 置定位服务能力 为广西低纬度地区及东盟各国的后续应用提供实 验验证数据和分析结论 2 初步建成南宁示范区的北斗系统导航与位置服务平台 为覆盖全区 区域的北斗地基增强系统的建设奠定坚实的基础 3 配合国家北斗地基增强系统的建设 探索充分整合利用现有 GPS 资 源加快北斗地基增强系统建设的有效途径 4 加快推动南宁市卫星导航应用领域技术创新及产业化研发 5 为南宁及附近地区各种地质灾害监测手段提供高精度 GNSS 定位基础 设施 6 通过示范应用探索北斗导航服务的规范 标准及政策 开展不同行 业部门多种应用模式的研究 推动北斗导航系统的大众化应用 2 2 系统技术指标 南宁示范区北斗地基增强系统完成后 要求系统具备以下功能与指标 1 对南宁及附近地区提供毫米级差分数据源 2 作为灾害监测与预警系统基础平台 为各监测手段提供 GNSS 实时或 事后差分参考数据 3 在定位信号的有效覆盖区域内 提供 GNSS 实时测量数据 满足工程 测量 地图修测 精密授时等项要求 4 采用内部专用网接入共享观测成果给其他职能部门 如国土资源部 地震局 资源环境部等 本系统工程完毕后 要求达到表 2 2 1 内列举的各项技术指标 表 2 2 1 系统技术指标 项目 内 容 指 标 注 1 网络 RTK 水平 3cm 垂直 5cm 事后精密定位 水平 5mm 垂直 10mm 变形监测 水平 5mm 垂直 10mm 导 航 注 2 水平 1 5m 垂直 3m 精度 定 时 单机精度 100ns 多机同步 10ns 导 航 95 0 365 天内 95 0 1 天内 可用性 注 3 定 位 95 0 365 天内 95 0 1 天内 报警时间 6 秒 完好性 注 4 误报概率 0 3 卫星信号 BD2 B1 B2 B3 GPS L1 L2 GLN L1 L2 兼容性 差分数据 RTCM v2 3 v3 0 v3 2 CMR RINEX 实时用户 GSM GPRS CDMA 方式 不限制用户数量 容 量 注 5 事后用户 无限制 注 1 精度数值为 1 倍中误差 注 2 导航精度为码差分精度 提供 BDS GPS 双模单频差分数据 注 3 可用性指标为不顾及通信网络可用性条件下的指标 注 4 完好性指标中的报警时间为发生故障到通知用户的时间间隔 注 5 容量与通信网络和服务平台性能有关 此处为不顾及通信网络 条件下的用户数量 第三章 项目建设内容 3 1 系统总体结构 南宁示范区北斗地基增强系统是以管理中心为中心节点的星型网络 管理中心建立在高速局域网 1000M 的互联上 主要由参考站网 通信 网络 控制中心以及用户部分组成 系统的网络协议基于 TCP IP 服务 参考站的接入主要使用光纤或有线数据网络 中心服务器采用分布式部署 方式结合多种先进架设 安装 防护 存储手段 系统组成简图见图 3 1 1 实 时 用 户 参 考 站 网 INTER气 象 专 网 地 震 专 网 以 太 网服 务 器 服 务 器 服 务 器服 务 器服 务 器 服 务 器 控 制 中 心 事 后 用 户 人 实 时 用 户 实 时 用 户Inter GSMCDMAGPRS用 户 图 3 1 1 系统组成简图 系统由基准站网 系统管理中心 用户数据中心 用户应用系统 数 据通讯系统组成 子系统的定义与功能如表 3 1 2 所示 基准站子系统 Reference Station Sub System 简称 RSS 基准站 简称 RS 系统管理中心 System Monitoring and Analysis Center 简称 SMAC 数据传输子系统 Data Communication Sub System 简称 DCS 用户数据中心子系统 Data Transmission Sub System 简称 DTS 用户应用子系统 User s Application Sub System 简称 UAS 表 3 1 2 系统各单元定义与功能 系统名称 主要工作内容 设备构成 技术说明 基准站子系统 RSS 卫星定位数据跟踪 采集 传输 设备 完好性监测 GNSS 接收机 计算 机 电源 网络设备 避雷设备 气象设备 等 覆盖南宁示 范区 8 个地 市 21 个基准 站 系统管理中心 SMAC 数据处理 计算 系统管理 维护 服务提供 管理 计算机网络设备 数 据传输发送设备 电 源保障设备 数据输出设备 分布式部署于 维护 独立备 份 数据传输子系 统 DCS 把基准站 GNSS 观 测数据 气象数据 基准站各设备的工 作状态信息等传输 至管理中心 SDH 100 1000Base T 光纤或有线 网络集中式 传输 传感 器集成采用 物联网技术 用户数据 中心子系统 DTS 把 RTCM v2 3 3 0 3 2 等定 位数据发送给用户 并监测用户定位状 态等 Internet 链路 GSM 链路 因特网 GSM 用户应用子系 统 UAS 按照用户需求进行 不同方式 不同精 度定位 专有数据接收 解码 设备 专有软件系统 适于 RTK 的 软件系统 系统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 内部数据流是指在连续运行参考站内部交换的流量数据 其主要特点是不 对外公开 外部数据流是连续运行参考站与系统用户间进行交换的流量数 据 这两类数据通过连续运行参考站的各子系统进行处理变换 以下详细 说明外部数据流 因为该部分也主要是用户关心的 系统总体数据流程图 参见图 3 1 3 G N S S 数据 图 3 1 3 系统数据流程 外部数据流 连续运行参考站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 连续运行参考站的外部数 据流可根据具体的应用而不断增加其种类 目前 工程建成后 连续运行 参考站系统可向用户提供的数据类型见表 3 1 3 2 表 3 1 3 2 系统外部数据流 类别 传输方式 内容 方向 频度 网络 RTK GSM RTCM V2 3 V3 0 V3 2 差分 数据 DTS UAS 1s 专用数 据共享 内部专用网 RINEX V2 1 V3 02 基线数 据文件 SMAC UAS RINEX Internet FTP RINEX V2 1 v3 02 DTS UAS 30min file 用户位 置 GSM NMEA 0183 GPGGA DTS UAS 10 30s 用户信 息 Internet 内 部专用网 Data Base 用户登陆信息 用户注册信 息等 SMAC UAS 3 2 系统建设内容 根据南宁示范区北斗地基增强系统的子系统构成 南宁示范区北斗地 基增强系统工程主要建设内容包含以下几点 1 系统建设部组建 2 系统管理中心建设 3 基准站网的规划 选址与建设 3 基准站网与管理中心的数据传输系统组网建设 4 中心系统局域组网 调试 安全系统建设 5 参考站网 中心网络 中心软件维护部门的建立与人员分级培 训 6 应用平台与接口的定制 开发 功能实现 3 3 系统管理中心建设 3 3 1 功能设计 系统管理中心 SAMC 是整个连续运行参考站系统的核心单元 由网络 设备 服务器主机 安全监控 数据处理软件 应用接口软件等构成的内 部局域网和软件系统组成 与各基准站之间依靠 SDH 网络连接 管理中心 要求具备有以下功能 数据接入 处理 系统运行监控 维护管理 网络 管理 用户管理 安全监控 公共接口 专用接口等功能 3 3 1 1 数据结构设计 管理中心的数据从来源可分为 基准站 GNSS 数据 基准站设备完好 性数据 内部数据 结果数据 用户数据 控制数据 详细说明列入表 3 3 1 1 表 3 3 1 1 管理中心数据结构 类别 项目 内容 说明 协议 频度 工作机观测结 果 GNSS 原始观测数据 1Hz 基准站 数据 原始 观测 数据 工作机定位结 果 实时定位坐标值 BLH 质 量因子 DOP RMS 定位 类型 观测卫星数 卫 星高度角 方位角 NTRIP NMEA 1Hz 设备工作状态 接收机内存情况 CPU 使 用率 电源电压 功率 天线接口状况 外部传 感器工作状态 UPS 工作状态 输入电压 输出电压 电池剩余容量 气象仪器状态 是否工作正常 计算机工作状 态 CPU 使用率 剩余硬盘 空间 网络丢包率等 设备 完好 性数 据 通讯连路状态 通讯速率 调制解调器工作状态 心跳时间 自定义 不定时 内部数 据 各种计算的中间结果 一般保存为文件形式 结果数 据 系统外部数据流 网络数据流 文件 用户数 据 入网用户的注册信息 权限信息 计费信息 控制命 令 基准站管理指令 控制设备的休眠 启动 传输 修改配置等 3 3 1 2 数据处理 负责对各基准站采集并传输过来的数据进行质量分析和评价 对某些 数据 如导航 进行多站数据综合 数据分流和数据存储 利用网络 RTK 技术形成的差分数据并提交给用户数据中心 管理中心应输出的数据结果 有 1 RTCM V2 3 3 0 3 2 伪距差分修正信息 服务于米级 亚米级导 航定位的用户 2 RTCM V2 3 3 0 3 2 相位差分修正信息 服务于厘米级 分米级 定位的用户 3 网络 RTK 差分修正信息 服务于网络 RTK 用户 4 RINEX V2 1 V3 02 原始观测数据 服务于事后毫米级定位的用 户 5 RAIM 系统完备性监测信息 服务于系统运维人员 提供系统完 备性指标 3 3 1 3 系统监控 自动监测设备的运行状态 可远程控制基准站设备的工作参数 发出 必要的指令 改变各基准站设备运行状态 1 对基准站的设备进行远程管理 2 对基准站进行设备完好性监测 3 网络安全管理 禁止各种未授权的访问 4 网络故障的诊断与恢复 3 3 1 4 信息服务 提供事后精密处理服务 坐标系统转换 高程系统转换服务 控制测 量 工程测量软件下载和计算服务 3 3 1 5 网络管理 监控并管理网络 使用防火墙接入与传输控制防止对网络的恶意访问 与数据获取 并通过 Internet 向用户提从 Http Ftp 等访问服务 3 3 1 6 用户管理 管理中心对所服务的各类用户进行管理 包括 1 用户收费管理 2 用户登记 注册 撤消 查询 权限管理 3 3 1 7 其他功能 1 具备一定的自动控制能力 减少工作量 2 对系统的完备性进行监测 并提供最佳的计算方案 3 有足够的扩充能力 可适应基准站数量的增加 3 3 2 技术设计 系统管理中心的技术设计可分为结构设计 网络设计 防护设计 流 程设计和通信设计几方面 以下分别予以详细说明 3 3 2 1 结构设计 系统管理中心结构包括网络设备 安全设备 存储设备 服务器主机 维护保障设备 线路等组成 基建工作主要是机房装修 线缆 网络通信 设备 服务器布设 内容主要有 1 系统管理中心机房内 各场所的供电 供网 且安置有防静电 地板 所有电源应有良好地线 2 机房内安装空调 解决计算机等设备的散热问题 3 防火墙软 硬件安装在系统总线出口处 3 所有进出机房的线缆应通过布线管道 内部网络联结采用超五 类网线 有必要可采用光纤通信 4 机房内分为基准站区 系统管理区 服务器区三部分 并有相 应隔断分离 3 3 2 2 网络设计 连续运行参考站系统网络是建立在现代计算机互联技术上的城市范围 的计算机网络 各基准站作为系统网络的叶子节点 管理中心作为系统的 中心节点 整个体系是以管理中心为中心节点的星型网络 作为中心节点 的管理中心是系统的管理与处理中心 它的结构与性能会直接影响整个系 统的运行与可靠性 按照设计 基准站子系统内各站点都应建立起数据通 信网络 采用 SDH 网络 把各基准站连结致控制中心的路由器 组成一个 虚拟局域网 VLAN 每一个站都会带有一个固定 IP 地址 而各基准站 的 GNSS 接收机可使用 TCP IP 协定把 GNSS 原始数据流连续不断地传送至 控制中心系统内 而系统操作员也可从控制中心向每一个站点进行远程访 问 监测及调整各站 GNSS 接收机的工作 在控制中心内 首先建立起一个内部的局域网 LAN 通过交换机把所 有的服务器 工作站计算机 路由器 硬件防火墙 后备电源系统等都连 结起来 在内部局域网互相沟通 3 3 2 2 1 设计方案 根据对系统的功能要求和指标 主要设计方案如下所述 1 网络形式 1000M 分布式结构 网络协议为 TCP IP 2 网络规模 6 台 PC 服务器 4 台 PC 计算机工作站 可以随时扩 充 3 网络元件 CISCO Linksys SR224 交换机 1 台访问服务器 网络元件的规格和要求列入表 3 3 1 1 表 3 3 2 1 主要网络元件的使用 名称 型号 规格 说明 LAN 交换机 CISCO Linksys SR224 全双工 半双工自适应 24 口 10 100Mbps 构建网络 访问服务器 E1 T1 32Xrs232C 网络 RTK 用户接入 3 3 2 2 2 服务器与工作站设计 系统采用 6 台服务器计算机来运行主要的核心网络 RTK 软件 进行数 据收集 处理 分析 计算及发送 RTK 改正信息 用户管理 认证 授权 记录和计费等工作 第一台服务器为数据处理服务器 主要模块包括 1 数据接入服务模块 2 事件 Email 及消息服务模块 3 网络 RTK 计算和处理模块 进行下列的主要工作 1 生产网络 RTK 改正数信息 2 存储管理用户信息 基准站数据 第二台服务器为接收机管理与接入服务器 1 实时采集各基准站 GNSS 观测数据 并且提供原始数据转发分流 服务 2 可把 GNSS 观测数据自动转换为标准 RINEX 格式文件 自动数据 质量检查 并进行归档存储 第三台服务器为 GNSS 数据发送服务器 安装 RTK 数据服务模块及实 时用户管理与收费服务模块 这台服务器的主要作用是面对外用户的 它可以向流动站用户使用不 同的通讯手段如 GSM GPRS CDMA 无线上网等发送网络 RTK 信息 而且用 户可从此服务器的网页下载後处理 GNSS 数据文件 并可进行用户管理 认证 授权 记录及计费等工作 当网络 RTK 数据计算及准备好往外发送 时 系统可有 2 种可行的方法传送 RTK 数据给流动站用户 使用 GSM 手机拨号连接到系统 然后就可接收到由软件生产的网络 RTK 信息 由于 Internet 发展快 成熟 而且可同时支持很多流动站用户 连接 而不增加控制中心系统的设备与运作成本 作为当流动站用户于野 外不能使用 GPRS CDMA 连结时 信号盲区 便可使用 GSM 拨号方法来获 取所需的 RTK 改正数信息 使用 Internet 网络 控制中心的数据发送服务器采用有标准的 NTrip 数据协定及用户认证方法 所以只需把 GNSS 数据发送服务器连接上 Internet 及带有一个固定 IP 地址 这样 流动站用户就可便用 GPRS CDMA 等无线上网以获取网络 RTK 改正数信息 或其他的实时数据信 息产品 作为运行下列的工作的要求所需 1 向流动站用户提供 RTCM 数据服务 2 提供以使用 NTrip 协定的 Internet RTCM 数据服务 支持 TCP IP 连结系统 3 用户管理 认证 授权 记录 和计费等工作 4 作为备份 实时获取基准站原始观测数据 并提取短缺原始观 测数据 第四台服务器为专用网络数据传输服务器 提供下面功能 1 为各内部网络或专用网络用户提供 GNSS 原始观测数据服务 2 为各内部网络或专用网络用户提供处理中间过程与结果 如 TEC 残差 基线结果文件等 第五台服务器为 Internet 服务器 提供下面功能 1 提供基于 Internet 的事后基准站原始观测数据下载服务 2 用户管理 认证 授权 记录 和计费等工作 第六台服务器为网络安全服务器 提供以下功能 1 所有服务器外部网络入口点 防火墙软件安装点 2 内部外部信息检索点 如 e mail 端口检查 攻击防御 恶意 连接 病毒传播等 6 台服务器 配置见表 3 3 3 表 3 3 3 网络服务器配置 编号 操作系统 功能 名称 服务器 1 Windows 2003 Server 网络 RTK 计算 数据处理服务器 服务器 2 Windows 2003 Server 数据转发分流服务 数据分流服务器 服务器 3 Windows 2003 Server 提供 RTCM 数据 GNSS 数据发送服务器 服务器 4 Windows 2003 Server 专用网络数据传输 局域网或内部专用网络数据服务器 服务器 5 Windows 2003 Server Web Server 事后数据下载服务 HTTP FTP 服务 服务器 6 Windows 2003 Server 网络安全服务器 作为内外部数据交 换出 入口 其他 服务器在此映射服 务 所设计的网络工作站可分为两类 一类是用于管理员操作的工作站 可使用高档 PC 机实现 采用 Windows 7 操作系统 优化界面与用户体验 工作站的数量可根据需要随时扩充 另一类是数据处理用工作站 使用高 档 PC 完成 工作站配置表参见表 3 3 4 表 3 3 4 SMAC 的工作站配置 名 称 配 置 作用 设备实现 工作站 1 数据处理软件 数据处理主机 IBM PC 工作站 2 用户计费系统 用户管理系统 用户管理 IBM PC 工作站 3 系统管理软件 其它工具软件 系统主控 IBM PC 工作站 4 RDS 编码软件 系统数据发播 IBM PC 3 3 2 2 3 网络拓扑结构 按照以上分析 设计得到的管理中心网络拓扑图的特点是 1 主干网是由 1000M 主高速交换机组成 2 各服务器与交换机直接连接 工作站经交换机汇集后与主交换 机连接 3 网络的输入输出部分 采用硬件与软件防火墙集中控制 由路 由器和访问服务器组成 直接连接在交换机上 4 增加基准站数目时 只需增加接入线路和扩充路由器数即可 5 网络规模扩充方便 3 3 2 3 防护设计 系统管理中心网络须考虑电涌防护 另外由于该网络与 Internet 互 联 必须考虑网络的安全性 不仅要能够防止来自 Internet 外部的网络 攻击 还要能够防止内部的攻击 对系统管理中心网络的防护设计如下 为保持控制中心的连续运行 应配置一台 UPS 后备电源系统 支持本 系统的所有服务器 工作站及其他有关的通讯设备在市电中断时保持运行 继续提供数据服务 电力线进入 UPS 之前 加装电力线电涌防护设备 隔离 UPS 和电力线 设备选型如 美国 MCG 公司的 SF80 电力线保护器 通信线进入通信终端前 加装通信线 数据线 电涌防护设备 各网线的接插口采用 AMP 防雷插件 Internet 通过路由器接入 并设置为硬件防火墙 整个网络配置内部 IP 地址 各计算机进出 Internet 通过硬件防火墙代理 3 3 3 用户数据中心子系统设计 3 3 3 1 功能分析 连续运行参考站系统的用户数据中心是提供服务下行链路 此系统将 整个系统的计算结果与数据传递给各用户 由用户子系统的设备接收并进 行处理 完成系统服务中的最后环节 在系统中 要求具备以下的功能 1 实时的数据发送功能 2 大范围广播发送 以广播的方式向区内所有用户播发信息 要 求基本覆盖整个系统的服务区域 3 小范围广播发送 服务于某个小区域的用户 满足用户的特殊 需要 4 用户的使用管理 可以在信息中 加播用户的权限与使用管理 信息 完成对用户管理的最后环节 5 事后的数据发送功能 通过网络或者其他方式 向用户传输事 后的差分处理数据 6 多种通信方式的适应能力 能够在不改变子系统基本结构的情 况下 实现与其他通信方式的兼容 3 3 3 2 数据结构 数据类型按照播发方式的不同有以下几类 1 实时数据 1 米级精度的差分数据 RTCM 104 伪距差分数据 2 分米精度的差分数据 RTCM 104 伪距 相位数据 3 厘米精度的差分数据 RTCM 104 相位差分数据 4 网络 RTK 的差分数据 RTCM 104 格式或自定义 5 系统完备性信息 RAIM 检验信息 6 用户许可信息 用户的授权信息 2 事后数据 高精度的相位差分数据 包括各基准站采集的 GNSS 原始观测数据 气象数据和星历数据 供用户事后精密差分使用 其他应用类数据包括坐 标系转换 海拔高程计算 控制点坐标 局部区域现有矢量化电子地图等 数据 3 3 3 3 结构设计 按照数据播发的时效性的不同 其结构可分为两个链路 一个部分用 于实时的数据播发 另一个链路用于事后的数据传输 以下分别说明 1 实时的数据播发 1 无线上网方式 GPRS CDMA 2 GSM 公众移动通信网络 利用 GSM 调制解调器实现网络 RTK 信息 的传输 完成大范围内的网络 RTK 作业 3 其他通信方式 为了便于今后通信方式的扩充 播发界面采用标 准 RS 232 利用多功能适配器进行扩展 2 事后的数据传输 对于事后的数据 采用 Internet 的方式向公众服务 通过 Web 访问 Ftp 文件传输功能实现 3 3 3 4 数据发播流程 按照以上结构设计得到的系统数据发播流程如图 3 2 3 1 所示 G N S S 数 据 库 图 3 2 3 1 系统数据发播流程图 3 3 4 流程设计 按照以上的网络模式 并根据系统性能指标的要求 在管理中心网络 中设计以下数据流 实时计算数据流 方向为 RS 编码 解码 数据分流 计算模块 含 完备性检验 网络 RTK RTCM 合成 发播 备份数据流 用于对各基准站数据的实时备份 RS 编码 解码 DBMS 控制数据流 发自系统管理中心的控制命令 可分为人工控制和自动 控制两类 具体描述为 人工控制 操作者 键盘 总控制台 加密 RS 报警控制 RS 编码 解码 数据分流 计算模块 含完备性检验 网络 RTK RTCM 合成 总控制台 屏幕 实时监控数据流 对各基准站工作状态的监控 RS 编码 解码 数 据分流 总控制台 屏幕 发播数据流 正常工作条件下 系统管理中心的输出数据流 RS 编 码 解码 数据分流 计算模块 含完备性检验 网络 RTK RTCM 合成 发播模块 DBMS 发播模块 DTS 以上的数据流不一定同时发生 在正常工作下 计算流 备份流 控 制流 监控流和发播流同时发生 在通信中断恢复后 自动产生缺断数据 流 系统管理中心网络数据流如图 3 3 4 1 所示 图 3 3 4 1 系统管理中心数据流程 3 3 5 设备配置 根据以上对网络和数据流程的分析 得到系统管理中心的配置如表 3 3 5 1 所示 表 3 3 5 1SMAC 系统配置表 类别 项 目 参考型号 规格 服务器 1 IBM 待定 服务器 2 IBM 待定 服务器 3 IBM 待定 服务器 4 IBM 待定 服务器 5 IBM 待定 服务器 6 IBM 待定 工作站 IBM 待定 UPS 电源 APC SURT10000XLI 电池 12V 100AH 密封铅酸免维护蓄电池 LAN 交换机 CISCO Linksys SR224 全双工 半双工自适应 24 口 10 100Mbps 路由器 Cisco2811 四个扩展模块数 可支持 VPN 内 置防火墙 固定广域网接口 可选 广域接口 WIC 卡 固定局域网接 口 1000Base T 路由器模块 CISCO NM 4T 4 端口串行网络模块 配线架 AMP24 口 硬件防火墙 CISCO PIX 501 BUN K9 调制解调器 Robotic US V Everything V 90 56K Modem 机柜 19 标准 MCG SF80 电源线保护器防电涌设备 MLP10E 数据线保护器 Windows 2003 Server 操作系统 Windows 7 Professional软件 计算软件 DomeNet CORS 中心管理软件 PRI E1 E1 2 048M 带宽 访问服务器 SDH 2 048Mbps 路由器资源申请 Internet 专线 DDN FrameRelay SDH 2M 路由器 固定 IP Internet IP 3 2 6 工程安装 系统管理中心的设备安装需要按照表 3 3 6 1 的步骤进行 表 3 3 6 1 系统管理中心网络工程建造步骤 工序 项 目 内 容 提交成果 1 设计 机房结构 装修 布线 等设计 机房布线分布图 2 土 建筑施工 机房装修 机房装修工作报告 建 管线敷设 敷设网线 电力 通信 等管线 供电系统安 装 防电涌设备 UPS 电源3 设备 安装 室内设备安 装 各计算机 通信设备 主机 电涌防护设备的设 计报告 电涌防护设 备的安装报告 各设备的安装报告 各单元测试 系统各单元分别测试 4 调试 整体测试 网络整体测试 网络测试报告 网络建设总结报告 3 4 基准站系统建设 3 4 1 功能设计 3 4 1 1 功能分析与设计 综合系统的功能设计与要求 并结合有关国内外的基准站资料 对连 续运行参考站系统基准站提出以下的功能分析与设计 1 基准站设计为无人值守型 设备尽可能少 连接可靠 2 由于南宁示范区处于低纬度地区 电离层活动活跃 基线长度 设置不宜过长 在南宁示范区共设置覆盖 8 个地市布设 21 个基准站点 在系统服务区内避开敏感区域 为今后各类应用服务 测绘工程和服务提 供精密的稳定空间基准 为全系统提供区域性电离层 各类差分信息服务 分析增强系统的实验数据 统计达到的定位精度 为低纬度地区提供验证 结论 为进一步推广至东盟各国提供实验参考 3 基准站均采用 GNSS 接收机 可接收 BDS GPS GLONASS 三模数据 4 基准站保存接收机采集的 GNSS 数据 GNSS 接收机内存保留最 新的 12 24 小时的原始观测数据 计算机硬盘上至少能够保存 60 天数据 5 在断电情况下 基准站能够靠自身的 UPS 工作 12 小时以上 并 向管理中心报警 6 基准站按照设定的时间间隔自动将 GNSS 观测数据等信息通过政 府专网传输给管理中心 7 具备设备完好性检测功能 定时自动对设备进行轮检 出现问 题时向管理中心报警 8 管理中心通过远程方式 设定 控制 检测基准站的运行 设 定包括 接收机参数 计算机参数 控制包括 接收机参数的修改 检测 包括 接收机状态 计算机状态 UPS 电源状态 3 4 1 2 数据结构分析与设计 按照系统要求 基准站应能严格按规定的时间间隔将数据实时传输给 管理中心 并且响应管理中心的控制命令 这样对于各基准站就存在着输 出与输入的两类信息 即基准站采集的数据类型和向基准站输入的数据类 型 前者是指基准站使用 GNSS 接收机 气象设备 传感器等设备主动采 集的数据 与管理中心无关 后者是基准站接收的数据 是由管理中心通 过网络发来的控制或查询命令 与基准站本身所采集的数据无关 3 4 2 技术设计 基准站子系统的技术设计可分为结构设计 网络设计 防护设计 通 信设计 数据流程设计等方面 3 4 2 1 结构设计 基准站的结构设计包括了基准站站址选择 仪器安置设计等部分 以 下分别说明 3 4 2 1 1 选址要求 1 观测环境 距易产生多路径效应的地物 如高大建筑 树木 水体 海滩和易积 地带等 的距离不小于 200m 应有 10 度以上地平高度角的卫星通视条件 距电磁干扰区 如微波站 无线电发射台 高压线穿越地带等 的距 离不小于 200 米 避开易产生振动的地带 2 地质环境 参考站网的参考站应建立在稳定块体上 避开地质构造不稳定地区 如断裂带 易发生滑坡与沉陷等局部变形地区 和易爱水淹或地下水位 变化较大的地区 3 维持条件 便于接入公共或专用通信网络 具有稳定 安全可靠的电源 交通便 利 便于人员往来和车辆运输 便于长期保存 4 实施步骤 1 根据技术设计进行踏勘 确认基岩 土壤类型及其承重能力等 在实地按要求选定点位 2 实地绘制点之记 3 实地绘制概略地图 从参考站设计使用 4 实地进行卫星定位观测 采样间隔记录不小于连续 24 小时的观测 数据 参照相关参考站数据质量检查规范与经验 若不符合要求则可以更 换站址或者重新采集 部分采集数据可能由于偶然因素失真 5 提交成果 1 所属行政区划 自然地理 地震地质概况 交通 通讯 物质 水量 治安等情况 2 点位的远 近景照片 3 选址点之记 4 实时测试数据和观测数据质量分析报告 5 收集的其它资料 3 4 2 1 2 数据分析 根据初步选定的基准站站点位置 在待定的站点位置上用 GNSS 设备 采集至少 24 小时的数据 用 TEQC 软件或 TEQC 集成界面软件对采集后的 数据进行分析 数据进行分析后 根据数据分析后的数据完整性比例 多 路径估值 载波失锁计数 数据信噪比平均值与方差 周跳比等参数确定 在该站点多路径误差是否超限 是否有无线电干扰等外界环境因素影响 根据 TEQC 软件分析结果 确定该地区是否适合建立永久性地基增强站点 最终提交相应的数据与分析报告 3 4 2 1 3 基建结构 观测墩架设 GNSS 天线 用信号线与基准站仪器连接 观测墩按照规 范深入地面 1 5 米以上 使用混凝土浇筑 架设强制对中装置 观测墩外部使用不锈钢外壳加固美化 四周 2 3 米加装安全防护网与 避雷设施 3 4 2 1 4 基本结构 各基准站基本结构相同 都由室外观测墩和室内仪器柜组成 室外设 备包括避雷针 观测墩 GNSS 天线等 室外设备主要是机柜 GNSS 接收 机和计算机 网络设备 电涌设备 UPS 设备等安装于机柜内 室内室外 设备相互独立 仅需要讲 GNSS 天线与 GNSS 接收机连接 基准站基本结构 见图 3 4 2 3 所示 际上 R O C K 接收机 气象计 室外部分 2 2 0 V 交流电输入 浪涌抑制器 室内部分 交 换 机 气象计 可选 倾斜仪 可选 图 3 4 2 3 基准站基本结构 3 4 2 2 网络设计 基准站的网络设计包括基准站设备的选型 连接 网络形式等部分 各基准站的结构是基于网络终端 NT 主要设备包括计算机 GNSS 接收 机 不间断电源 UPS 通信链路等 设备间的连接与通讯是基准站设计中 的核心部分 其可靠性和稳定性往往决定了整个系统的性能与可靠性 建议 21 个基准站通过 SDH 专线连接到控制中心 基准站网络与控制 中心网络组成一个虚拟局域网 VLAN 把各基准站的 GNSS 原始数据流传 到控制中心 并作数据处理 备份 发送及主产网络 RTK 信息 测量用户 通过 GPRS 或 CDMA 连接到控制中心或通过 PSTN 线路到控制中心 以取得 实时网络 RTK 改正数信息 下面对基准站网络部分进行描述 际上空间 Rock T300 GNSS 接收机除了拥有常见的 GNSS 接收机有的多 个 RS232 串口外 还有一个以太网口 RJ45 它可以通过以太网口直接连 接到局域网上 并且实现了 TCP IP 协议栈 支持 TCP 协议下的网络数据 传输 Rock T300 GNSS 接收机通过两头是 RJ45 插头 水晶头 的双绞线 与 3COM3C6794 以太网络交换机构成的 100Base T 的基准站内部网络连接 由于以太网络传输速率 10M 100Mbps 比串口传输速率 4800bps 115200bps 快很多 因此 Rock T300 可以通过以太网口传输高 达 20Hz 的 GNSS 观测数据 由于 Rock T300 支持 TCP IP 协议 它可以进 行多个 TCP Socket 数据连接 实现多种功能数据的同时传输 如原始观测 数据 数据下载 定位数据 接收机远程控制等 因此在基准站中我们可 以不接 Rock T300 的串口 只须连接以太网口 3COM3C6794 以太网络交换机也通过双绞线与 Cisco 1721 路由器连接 在基准站中形成了一个小型以太局域网络 为以后增加其他设备 如第二 台备份 GNSS 接收机 摄像头 计算机 UPS 等 和现场调试预留了接口 Rock T300 GNSS 接收机也可以直接连接到 Cisco 1721 路由器上 Cisco1721 路由器用于连接两个不同物理网络 100Base T 光线网 并实现 VLAN 的设置 使得控制中心访问基准站内部网时 如同访问本地 局域网络 Cisco1721 缺省配置包括了一个 10 100M 以太网络接口 我们 还需配置一个 Cisco WIC 1T 模块插入 Cisco1721 扩展槽中 使得 Cisco1721 支持光纤接口 Cisco1721 支持 VLAN 也具有防火墙功能 光端机将光信号转换为电信号 SDH 线路申请后 由通信公司安装调 试 2Mbps 的 SDH 线路直接连接到光端机 3 4 2 3 防护设计 3 4 2 3 1 GNSS 基站防雷隐患分析 电涌 1是微秒量级的异常大电流脉冲 它可使电子设备受到瞬态过电 的破坏 随半导体器件的集成化程度的提高 元件间距的减小 半导体的 厚度的变薄 使得电子设备受到瞬态过电破坏的可能性越来越大 如果一 个电涌导致的瞬态过电压超过一个电子设备的承受能力 那么这个设备或 者被完全破坏 或者寿命大大缩短 雷电是导致电涌最明显的原因 雷电击中输电线路会导致巨大的经济 损失 每一次电力公司切换负载而引起的电涌都缩短各种计算机 通讯设 备 仪器仪表和 PLC 的寿命 另外 大型电机设备 电梯 发电机 空调 制冷设备等也会引发电涌 UPS 也可被电涌摧毁 由于 GNSS 基站是超高频段的接收站 其电波为直线传播 这就要求 GNSS 基站建在较高的地方周围无阻挡 相对周围环境而言 形成十分突出 的目标 因此最容易遭受雷击 正因为如此 对 GNSS 基站的雷击防护是 一个十分重要的问题 必须高度重视和妥善解决 以保证接收设备正常运 行 GNSS 基站一般都建在较高的地方 当雷击建筑物或天线升高杆时会引 起地电位升高 如果避雷针和 GNSS 设备未很好的共用同一个接地系统 就会对附近 GNSS 设备产生反击 很可能造成 GNSS 设备的损坏 GNSS 基站如果有架空电力线或其他架空线 其架空线也是引雷途径 根据有关资料介绍 基站遭受雷击有 70 是因架空线路造成 这是因为当 雷云放电时 其空间形成强大电场 当架空线路遇雷电侵袭时 将过电压 1 由雷电 供电系统投切负载以及大型电气设备 如电梯 空调 发动机等的开关和运行引起的 瞬态过电 又称 电涌 据统计 美国 95 的主要计算机设备都安装了电涌防护器 中国则不到 5 而我们的电力系统对计算机的损 坏是美国的 50 倍 引入机房 很可能备损坏 这类雷害事故主要表现为交 直流电源盘的损 坏 同时天线也将引入部分雷电流进入 GNSS 天线 损坏天线放大器 雷 电流经馈线进入 GNSS 设备 很可能造成设备的损坏 电源线也是引雷的 主要途径 GNSS 基站的位置决定了其在雷雨季节时必然会遭受非常多的感应雷 浪涌 侵袭 由于 GNSS 放大器均采用微功率的技术 很小的冲击电流 足可以损坏 一次弱小的感应雷即使不会造成 GNSS 设备的直接损坏 但 已经大大缩短了设备的使用寿命 因此 选择一种防护性能较好的浪涌保 护器是非常重要的 GNSS 基站建在山顶上或建筑物的最高点 因此受到直击雷击中的机会 较大 同时 如果机房海拔高度过高 有时直击雷可能从横向及斜面击来 也就是所谓的侧击雷和滚地雷等现象 在这种情况下仅安装普通的避雷针 已不能防御雷电对 GNSS 基站的侵袭 因此 GNSS 基站必须采取全面防护直 击雷的措施 由于普通避雷针保护范围小 通常为了达到保护 GNSS 天线的目的必 须在天线附近竖很高的铁塔 有时因为避雷针过高 且离天线过近 自身 体积较大很容易干扰 GNSS 信号的收发 同时因为避雷针安装高度及自身 重量的问题也会影响到所在建筑物的安全和美观程度 解决途径有两个 1 采用保护范围较大的避雷针 从而使避雷针远离 GNSS 天线 2 安 装与 GNSS 天线保持一定距离 选用外型较细的避雷针 3 4 2 3 2 GNSS 基站防雷设计 1 设计方案 建筑物顶部的避雷针在直击雷时可将大部分的放电分流入地 避免建 筑物的燃烧和爆炸 UPS 不间断电源是处理电压的严重下降 二者非常有 用 但都不能保护计算机免受电涌的破坏 而且 UPS 本身集中很多微处理 器 也可被电涌摧毁 由于基准站主要设备架设于露天制高点 雷电和电 涌防护可以分为电力线 通信线 射频线 露天设备防护等几方面 具体 设计如下 1 直击雷防护 在户外设备 尤其是 GNSS 天线附近架设建筑物雷电防护设备 在每个 GNSS 天线 5 8 米远处安装一支高压脉冲避雷针 避雷针安装时 要求高于 GNSS 天线至少 2 米 即可提供 14 米的保护半径 与普通避雷针 相比 不仅保护范围大 更重要的是能有效的防止侧击雷 降低引下雷电的 能量 若建筑天面避雷带及避雷网格不完整 且无良好接地时 避雷针安 装高度需从地面算起 避雷针安装高度将超过 10 米 而保护半径也只有 3 米多 甚至更少 需根据实际建筑情况而定 2 电源防雷 在电力线进入 UPS 之前 加装电力线电涌防护设备 隔离 UPS 和电力 线 瞬间过电压的形成 主要由雷击及工业过电压产生 而雷击产生的危害 除 了直接被雷击中之外 还有因该建筑物或区域处于雷击点附近 而因雷击引 起的对本区供电 通信线路的架空线冲击 因雷击而产生的强静电场 地 电位上升 电磁辐射 这些因素都会对雷击点附近的各种用电设备 电子 设备 如计算机网络及通信设备 产生极大的危害 造成极大的破坏 而 同一供电网络中如果有各种大用电量的工厂 有大型霓虹灯的商厦等等 都会对供电线路产生工业过电压浪涌 从而对该供电区域内的电子设备造 成破坏性影响 可以说 在微电子工业迅速发展 高科技技术普及应用的今 天 瞬间过电压 特别是间接雷击的影响 是造成电子设备毁坏性破坏的主 要原因 MCG SF80 主要特点是通流容量大 反映速度快 使用寿命长 残压低 内 含正弦波滤波装置等 SF80 安装在配电盘的出线端 安装方法见图 5 5 图 3 4 2 4 SF80 电涌防护器安装方法 3 地网 地网建造在离地面深 0 8 米的平面上 与沉降平台底部在同一平面上 接地体应采用镀锌钢材 其规格如下 角钢 50 毫米 50 毫米 5 毫米 为垂直接地体主材 扁钢 40 毫米 4 毫米 为环行接地体主材 在垂直 接地体的顶端与每根垂直接地体焊接 组成地网 地网图如图 5 6 图 3 2 4 5 地网 垂直接地体长度为 2 5 米 如因地质实际情况而达不到要求 则须多 加垂直接地体 扩大地网 接地体之间所有焊点 除浇注在混凝土中的 以外 均进行防腐蚀处理 防锈漆 沥青 接地装置的焊接长度 扁钢为 宽边的 2 倍 接地体埋深 其上端距地面 0 8 米 接地坑回填土壤或降阻 材料 4 接地引入线 接地引入线长度不超过 30 米 其材料为镀锌扁钢 截面积不小于 50 毫米 5 毫米 接地引入线作防腐处理 一端与地网焊接连接 埋设时开 挖 0 8 米的沟 下引到避雷针的下端 并与避雷针焊接连接 5 接地线 选用 50 毫米 5 毫米的镀锌扁钢 裸露部分加绝缘套管 接地线两端 的连接点应确保电气接触良好 并应作防腐处理 严禁在接地线中 交流 中性线中加装开头或熔断器 严禁利用其它设备作为接地线电气连通的 组成部分 由接地总汇集线引出的接地线应设明显标志 6 GNSS