基准站建设:让北斗“地上用好”

发布时间:2020-08-10
7月31日,我国向世界宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通。这标志着北斗迈进全球服务新时代。

“天上好用,地上用好”,是中国科学院院士、“北斗之父”孙家栋对北斗系统的期待。北斗“地上用好”,离不开卫星导航定位基准站建设。通过基准站接收和分析处理,北斗卫星单点定位精度可由5米提升至厘米级甚至毫米级。

作为国家重要空间基础设施,卫星导航定位基准站网对国家安全具有重要影响,对于促进北斗卫星导航定位市场发展具有重要作用。据不完全统计,我国已建成基准站超过1万座。其中,自然资源系统建设完成了超过3000座基准站,覆盖了我国陆地国土和沿海区域。

近年来,卫星导航定位基准站在技术体系、建设规模、服务能力等方面发展迅速,为满足经济建设对高精度空间位置信息的需求提供了有力支撑,已广泛应用于自然资源、智慧城市、交通运输、智能驾驶及民生等领域。
 


基准站工作原理示意
 

卫星导航系统是指利用卫星发送的无线电信号实现定位、导航、授时服务的系统,目前主要有中国北斗卫星导航系统(BDS)、美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯系统(GLONASS)和欧盟伽利略系统(GALILEO)。这些系统提供的民用信号定位精度大于5米。这显然不能满足高精度位置服务需求。因此,为了提高用户定位精度,卫星导航定位基准站得到大规模建设和广泛应用。

《中华人民共和国测绘法》规定,卫星导航定位基准站是指对卫星导航信号进行长期连续观测,并通过通信设施将观测数据实时或者定时传送至数据中心的地面固定观测站。“连续运行参考站”“连续运行跟踪站”“北斗地基增强系统基准站”等,均属于法律规定的卫星导航定位基准站范畴。

基准站对卫星导航定位信号长期连续接收和分析处理,可消除卫星导航系统自身和卫星信号传输误差,并向用户提供高精度位置服务。多个基准站可构成卫星导航定位服务系统,采用网络实时动态差分技术(RTK)向用户提供实时厘米级、事后毫米级的定位服务。

近年来,丰富的基准站数据极大地推动了全球导航卫星系统(GNSS)技术进步,包括提高卫星精密定位和定轨精度、优化大气模型、促进PPP和PPP-RTK技术发展等。
 

自然资源系统建成超3000座基准站

我国从1992年开始建设卫星导航定位基准站,至今已经过了近30年的建设与发展。2006年-2017年间,基准站建设与应用进入快速发展期,我国迎来了大规模基准站建设和应用的热潮。近几年,随着物联网、5G、智能驾驶等对位置服务需求迫切,许多机构纷纷开展基准站建设和服务。据不完全统计,我国已建成基准站超过1万座,另有1.2万座在建或规划中。

其中,自然资源系统目前建设完成了超过3000座基准站,覆盖了我国陆地国土和沿海区域,向社会提供高精度卫星导航定位服务。

2012年6月正式开工建设的国家现代测绘基准体系基础设施建设一期工程,建设包括国家GNSS连续运行基准站、国家GNSS大地控制网、国家高程控制网、国家重力基准点和国家测绘基准管理服务系统等5个单项工程,在全国范围建成了360座国家级基准站,其中新建150个、改造利用60个、直接利用150个。工程建成初具规模的全球卫星导航定位连续运行基准站网和卫星大地控制网,获得高精度、动态三维、稳定、连续的观测数据,提供实时定位和导航的信息,以满足国家对坐标系统和定位的需求。

从2005年广东和江苏等省级基准站网建设开始至今,各省级自然资源主管部门基本完成了覆盖本区域的卫星导航定位基准站建设,共构建了31个省级数据中心,搭建了省级数据中心与各基准站间的数据传输专网,建成了省级卫星导航定位基准服务系统。

此外,地震、气象、交通、电力等行业根据各自领域的应用需求,建立或规划了大量的基准站。如中国地震局等六部委联合建设的中国大陆构造监测网络、国家电网和南方电网建设的电力行业基准站网、讯腾智科公司为代表的服务于燃气行业的北斗精准服务网、国家铁路集团建设的服务于铁路行业的基准站网等。部分企业根据市场需求,为开拓高精度位置服务商业应用,建成或在建全国性的卫星导航定位基准站网,如千寻位置网络有限公司等。
 

有力支撑测绘生产效率的提高

目前,卫星导航定位基准站已广泛应用于各领域提供服务。其中,测绘领域是基准站传统应用领域,为大地测量、城市测量、国土勘界、变形监测、规划勘测等提供有力支撑。

服务大地测量的基准站,是国家和区域坐标框架的骨干和主要技术支撑,是框架中点位三维地心坐标的精度和动态性的保证,是实现国家与地方大地基准统一以及我国大地坐标系统与全球地球参考系统保持动态联系最主要的技术手段。通过基准站的建设和运行维护,汇集观测数据资源,经过整体数据处理和平差,得到高精度的基准站坐标、速度场和时间序列,可为国内卫星导航定位服务提供统一的、权威的国家空间基准框架。

在城市测量领域,常规控制测量如三角测量、导线测量,要求点间通视,费工费时,而且精度不均匀,外业中不知道测量成果的精度。GNSS静态、快速静态相对定位测量无须点间通视能够高精度地进行各种控制测量,但需要时间进行数据处理,不能实时定位并知道定位精度,内业处理后发现精度不合要求必须返测量。而利用网络RTK技术进行控制测量既能实时知道定位结果,又能实时知道定位精度,可以大大提高作业效率。

随着城市的发展和各种应用的提出,GIS数据采集也成为测绘工作十分重要的一种应用。利用基准站网进行数据采集不但可以满足GIS数据采集的应用要求,还可以提高定位精度和应用效率。
 

应用服务大众化

近年来,北斗卫星导航系统应用呈现高速增长态势。随着北斗三号系统组网完成和相关基础设施建设规模的不断扩大,北斗应用进入大众消费、共享经济和民生服务等领域。在卫星导航定位服务系统建设和应用中,将呈现北斗“融技术、融网络、融终端、融数据”的全面发展的新局面,形成“北斗﹢”创新和“﹢北斗”应用的新态势。

公众位置服务结合移动通信网络和定位技术,向社会大众提供高精度定位增值业务,通过定位技术获得移动终端的位置信息,提供你在哪里(空间信息)、你和谁在一起(社会信息)、附近有什么资源(信息查询)等功能的服务。

大众服务广泛应用在交通、物流、医疗、生活等领域中,其服务形式也日趋多样化,例如:地图服务、日常信息服务、导航服务、儿童安防、移动游戏、社会事件推荐、辅助医疗、情景广告、餐饮信息等。多样化的服务形式将极大地拓展位置服务的产业规模与应用领域。

基准站可提供丰富多彩的导航位置服务,主要包括3大类应用:第一大类是传统位置服务,如地图查询、位置信息查询等。第二大类是将生活的各个方面互联工具类应用,如导航、点评等各种生活服务应用。第三大类应用是位置交友。由于引入了位置信息,可以将虚拟的网络关系转换为线下的真实关系,导航服务正在吸引更多的线上线下用户。

这些位置服务在带动了定位技术和智能设备发展的同时,更方便和拓展了大众的日常生活。
 

跨地区跨行业联网共享数据成趋势

根据现在行业发展来看,数据服务规模化和实时化是基准站应用的发展趋势之一。

从国内外基准站网项目建设现状看,基准站技术发展存在规模化和实时化两个趋势。基准站的建设规模不断扩大,其工程建设基本都是从某个地区(或行业)为起点逐步建设,逐渐与其他地区(或专业)进行网络(或站点)互联,实现数据共享,逐渐形成了跨行业、跨地区甚至跨国家的大规模基准站网络。基准站网定位服务实时化的基础是实现基准站原始数据的实时传输,通过建立适当的数据服务手段即可实现厘米级和分米级的实时定位服务。

资料显示,德国、日本等国家已率先利用实时网络RTK技术建立起国家范围内统一的实时定位系统,提供区域内厘米级到分米级的实时定位服务。

目前,我国各地、各行业基准站网是独立运行。随着国内对基准站网的重视和研究逐渐深入,实现跨地区、跨行业、跨网络的基准站联网,或将在未来得到解决。

文章来源:国家基础地理信息中心

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