卫星导航基准与监测功能一体化站系统及其设计方法与流程

1.本发明属于卫星导航技术领域，具体涉及一种卫星导航基准与监测功能一体化站系统及其设计方法。


背景技术：

2.卫星导航地基增强系统是卫星导航系统定位导航精度提升的重要系统，即实现高精度定位导航的系统，其主要由基准站网、监测站、网通信网络系统、数据处理中心、数据播发系统、用户终端等组成，通过其解算生成差分数据产品并播发给用户接收机，可将10m级的定位导航精度提升到米级、分米级、厘米级和后处理毫米级的精度。基准站网和监测站网是卫星导航地基增强系统的重要组成部分，它们分别由大量的基准站和监测站组成。广域的卫星导航地基增强系统网的基准站之间和监测站之间通常按相隔几百公里设站，而区域的卫星导航地基增强系统网的基准站之间和监测站之间按相隔几十公里设站，整个布设关系如图1所示。基准站与监测站在输入信号、输出信号和功能上完全不同，两者组成也不相同。基准站主要用于观测北斗、gps、格洛纳斯、伽利略四大卫星导航系统的卫星信号数据，输入信号为卫星原始观测信号，输出为卫星原始观测信号数据流，功能是为差分数据产品的生成提供解算的基础数据；监测站主要用于接收数据处理中心播发的差分数据产品并进行定位解算，输入信号为差分数据产品和卫星观测信号，输出为应用差分数据产品解算的坐标位置和相关精度，功能是用于对差分数据产品的质量和定位导航的精度进行评估。基准站主要由基准站观测墩、基准站接收机天线、基准站接收机、原子钟、气象设备、集成机柜及机柜监控设备、计算机、通信设备、不间断电源、防雷避雷设备和电子电气设备屋等组成，其组成关系见图2所示。监测站主要由监测站观测墩、监测站接收机天线、监测站接收机、集成机柜及机柜监控设备、计算机、通信设备、不间断电源、防雷避雷设备和电子电气设备屋等组成，其组成关系见图3所示。监测站的功能相当于用户，除监测接收机外，监测观测墩、监测接收机天线等配置的要求不是很高，而基准站的接收机、观测墩、接收机天线等配置的要求都比较高，所以，两种站各自采用自己的配置来建设。
3.由于卫星导航地基增强系统的地面设施主要是由大量基准站和监测站组成，提供高精度卫星导航定位服务的地域面积越大，需要的基准站和监测站的数量就越多。基准站和监测站都需要建设自己的观测墩，观测墩的类型分别有基岩混凝土观测墩、土层混凝土观测墩、屋顶混凝土观测墩、钢标观测墩等。观测墩的建设需要占地面积，且地点的勘选和土地的审批都是不容易办的事，还有就是混凝土类的观测墩和电子电气屋建设，它们具有建设成本高、建设要求高、建设周期长等的特点。除此之外，这两种站还要分别配置自己一套完整的天线、接收机等电子电气设备，使基准站和监测站的建设需要大量土地占用和设备配置投入费用，同时大量的多台套的电子电气设备的配置也降低了地基增强系统的可靠性(在同类电子电气设备可靠性概率参数不变的情况下)。因为每一台电子电气设备的增加都为系统提供了一个小于1.0的可靠性概率参数的乘数。地基增强系统总的电子电气设备可靠性结果是所有配置的电子电气设备可靠性概率参数的乘积，小于1.0的可靠性概率参
数乘得越多，总的可靠性结果数值就越小。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.本发明要解决的技术问题是：如何设计一种新的将基准站功能和监测站功能融为一体的基准与监测功能一体化站系统，以减少基准站和监测站分别设立对土地的占用和大量电子电气设备配置的费用，并提高卫星导航地基增强系统的可靠性水平。
6.(二)技术方案
7.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种卫星导航基准与监测功能一体化站系统设计方法，将基准与监测功能一体化站系统的电子电气设备的功能及连接关系设计为：用一个接收机天线2作为基准站和监测站的共用天线；接收机天线2的输出端加入一个功分器3，其将接收机天线2输出的信号分为两路；功分器3输出的一路信号连接一基准站接收机4，另一路信号连接一监测站接收机5；基准站接收机4对功分器3输入的信号进行识别，只接收卫星观测信号，基准站接收机4还接收一原子钟6的频率信号和一气象设备7的气象信号，输出原始观测信号和接收卫星信号的时间；监测站接收机5对功分器3输入的信号进行识别，接收外部数据处理中心播发的差分数据产品和卫星观测信号，应用接收的信号进行定位解算，输出定位计算结果；设置基准站和监测站共用的集成机柜及机柜监控设备8，用集成机柜及机柜监控设备8的传感器感应环境和电子电气设备中其他设备的信息，并输出感应信号；设置基准站和监测站共用的计算机9，接收基准站接收机4、监测站接收机5和共用的集成机柜及机柜监控设备8输出的信息，并应用计算机软件对基准站接收机4、监测站接收机5和集成机柜及机柜监控设备8输入的信息进行处理和管理；设置基准站和监测站共用的通信设备10，其输入端连接计算机9，输出端连接通信网络，其将计算机9输入的信息传到通信网络，由通信网络传到外部的数据处理中心；设置基准站和监测站共用的不间断电源11，将其输入线路通过b+c防雷器连接到220v的市电供电接口，输出分别连接到基准站接收机4、监测站接收机5、原子钟6、气象设备7、集成机柜及机柜监控设备8、计算机9和通信设备10，向这些设备提供220v电力，并在市电中断时维持24小时对其所连接设备的电力供电；接收机天线2与功分器3之间还连接馈线防雷器，所述b+c防雷器与馈线防雷器以及一避雷针组成防雷避雷设备12；
8.接收机天线2、功分器3、基准站接收机4、监测站接收机5、原子钟6、气象设备7、集成机柜及机柜监控设备8、计算机9、通信设备10、不间断电源11、防雷避雷设备12、市电供电接口和通信网络组成了基准与监测功能一体化站系统的电子电气设备，其中电子电气设备的连接电路按两类电路进行连接，分别为通信线路和电气线路，而电子电气设备的设置分别有室外设置的电子电气设备和室内设置的电子电气设备，接收机天线2、气象设备7、防雷避雷设备12中的避雷针、市电供电接口和通信网络为室外设置的电子电气设备，其他设备为室内设置的电子电气设备，防雷避雷设备12中的馈线防雷器连接到通信线路中，b+c防雷器连接到电气电路中，避雷针连接地。
9.优选地，该方法中，还设计基准与监测功能一体化站系统的土建为包括观测墩1、电子电气设备屋13。
10.优选地，该方法中，设计观测墩1为基准站和监测站共用的观测墩，接收机天线2对
中固定在观测墩1上，作为基准坐标的统一物理位置。
11.优选地，该方法中，还设计接收机天线2为采用抗多路径效应的扼流圈或风火轮的天线设备，接收机天线2的相位中心偏差应小于1.5mm，能接收北斗、gps、格洛纳斯、伽利略四大卫星导航系统的卫星所播发bds、gps、glonass、galileo四个系统的至少八个频点的十六种导航信号和由数据处理中心播发的数据增强的差分数据产品信号，并作为基准站接收机4和监测站接收机5的共用天线，以一个天线代替两个不同功能站的天线。
12.优选地，该方法中，还设计基准站接收机4为能接收、处理和存储北斗、gps、格洛纳斯、伽利略四大卫星导航系统的伪距、载波相位、多普勒、导航电文、载噪比这些原始观测数据，并具有基准站设计的处理能力所要求的足够信号通道。
13.优选地，该方法中，还设计监测站接收机5为能接收、处理和存储经数据处理中心播发的北斗、gps、格洛纳斯、伽利略四大卫星导航系统的广域增强数据产品和区域差分数据产品，具有广域单频伪距差分、广域单频载波相位差分、广域双频载波相位差分、区域双频载波相位差分以及单点定位的功能，能解算出经度、纬度、高度、pdop、hdop、vdop、卫星数这些数据和定位结果，同时也能够接收原始观测信号，并具有监测站设计的处理能力所要求的足够信号通道。
14.优选地，该方法中，还设计观测墩1上的接收机天线2标定的坐标值，既能够作为基准站的基准坐标值，也能够作为监测站的坐标值。
15.优选地，该方法中，所述计算机软件设计为包括功能模块701、第一数据发送时间周期模块705、第二数据发送时间周期模块706和第三数据发送时间周期模块707，所述功能模块701将基准站接收机4、监测站接收机5和集成机柜及机柜监控设备8输入计算机9的数据分到三个数据处理区，分别为第一数据处理区702、第二数据处理区703和第三数据处理区704三个区；第一数据处理区702服务于基准站接收机4的数据处理，第二数据处理区703服务于监测站接收机5的数据处理，第三数据处理区704服务于集成机柜及机柜监控设备8的数据处理，三个区为并行处理模式；第一数据处理区702用于对基准站接收机4接收的四大卫星导航系统播发的观测数据进行下载、格式转换和自动保存，第一数据发送时间周期模块705用于按设定的时间周期，周期性地发送第一数据处理区702输出的数据，通过通信设备10将数据传输给数据处理中心的差分数据解算模块以解算生成差分数据产品；第二数据处理区703对监测站接收机5接收的差分数据产品以及监测站接收机5应用观测数据和差分数据解算的定位数据进行封装、下载和自动保存，第二数据发送时间周期模块706用于按设定的时间周期周期性地发送第二数据处理区703输出的数据，通过通信设备10将数据传输给数据处理中心的数据质量评估模块以对定位精度和差分数据的质量进行评估；第三数据处理区704对集成机柜及机柜监控设备8的传感器传出的温湿度、烟火、水浸、入侵和供电等状况监控数据进行封装、下载和自动保存，第三数据发送时间周期模块707用于按设定的时间周期，周期性地发送第三数据处理区704输出的数据，通过通信设备10将这些监控数据传输给数据处理中心的运维监控模块以对卫星导航地基增强系统的基监站的工作状态正常与否进行监控；第一数据发送时间周期模块705、第二数据发送时间周期模块706和第三数据发送时间周期模块707所设置的时间周期不同。
16.本发明还提供了一种利用所述方法设计得到的卫星导航基准与监测功能一体化站系统。
17.本发明还提供了一种所述系统在卫星导航地基增强系统中的应用。
18.(三)有益效果
19.本发明用一套土建和电子电气设备系统，通过分别对基准站和监测站各电子电气设备的功能与性能的分析，分析出基准站和监测站之间可共用的共性设备和不可共用的个性设备，应用巧妙的电路系统连接关系、个别新增的硬件和专门开发的软件，实现基准站和监测站物理一体化和逻辑功能独立化的一站基准和监测双功能作用。本发明使需要分别建设的基准站和监测站的功能可以融合为一个基监站来实现，基监站在技术功能和性能与基准站和监测站同等的状情况下，大大节省了土地资源的占用和大大减少土建工程和电子电气设备的配置的数量和费用，一个基监站就可以省去一个观测墩、一个接收机天线、一台集成机柜及机柜监控设备、一台计算机、一台通信设备、一台不间断电源、一套防雷避雷设备和一间电子电气设备屋，此外，在技术性能方面还提高卫星导航地基增强系统的可靠性。
附图说明
20.图1为现有基准站网和监测站网地理布局图；
21.图2为现有基准站的组成关系图；
22.图3为现有监测站的组成关系图；
23.图4为本发明的基准站和监测站融合一体的基监站网布局图；
24.图5为本发明的基准和监测一体化功能站原理和连接逻辑关系图；
25.图6为本发明的基准和监测一体化功能站的组成关系图；
26.图7为本发明的基准和监测一体化功能站的计算机专用软件功能流程图。
具体实施方式
27.为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
28.本发明的发明人发现，尽管基准站和监测站分别输入不同类型的信号、运行不同的功能、输出不同的信号，以及设备组成不同，但基准站和监测站的组成中有部分是有共用可能性的，只要巧妙地设计一种新的电路工作原理、电路连接和设备组成关系，通过加入必要的硬件，合理设置共用设备和设施，确立共用设备和设施的功能和性能要求，并开发新的专门软件系统，就可能将基准站和监测站在物理上融为一体，而在逻辑上保持各自的独立运行功能，实现一站(或一地)的双功能作用。
29.本发明基于对基准站和监测站原理和技术的深入掌握，对基准站和监测站作为一个整体进行全新的双独立功能的构建。根据该系统的具体组成、电路连接、各组成模块的技术定位和专门软件的组成，该系统的设计思路及流程包括以下步骤：
30.步骤s1、在物理上将基准站和监测站融合为一体，使系统在功能上具有独立的基准站功能和监测站功能，地理位置上以融合的物理站(简称基监站)进行布设，并保持具有基准站和监测站两站的独立功能，如图4所示。
31.步骤s2、设计一个电路一体化连接、具有基准站和监测站两种功能的系统电路图，见图5所示。图5的电路原理为：用一个接收机天线2作为基准站和监测站的共用天线；接收机天线2的输出端加入一个功分器3，其将接收机天线2输出的信号分为两路；功分器3输出
的一路信号连接一基准站接收机4，另一路信号连接一监测站接收机5；基准站接收机4对功分器3输入的信号进行识别，只接收卫星观测信号，基准站接收机4还接收一原子钟6的频率信号和一气象设备7的气象信号，输出原始观测信号和接收卫星信号的时间；监测站接收机5对功分器3输入的信号进行识别，接收外部数据处理中心播发的差分数据产品和卫星观测信号，应用接收的信号进行定位解算，输出定位计算结果；设置基准站和监测站共用的集成机柜及机柜监控设备8，用集成机柜及机柜监控设备8的传感器感应环境和电子电气设备中其他设备的信息，并输出感应信号；设置基准站和监测站共用的计算机9，接收基准站接收机4、监测站接收机5和共用的集成机柜及机柜监控设备8输出的信息，并应用本发明专门开发的软件对基准站接收机4、监测站接收机5和集成机柜及机柜监控设备8输入的信息进行处理和管理；设置基准站和监测站共用的通信设备10，其输入端连接计算机9，输出端连接通信网络，其将计算机9输入的信息传到通信网络，由通信网络传到外部的数据处理中心；设置基准站和监测站共用的不间断电源11，将其输入线路通过b+c防雷器连接到220v的市电供电接口，输出分别连接到基准站接收机4、监测站接收机5、原子钟6、气象设备7、集成机柜及机柜监控设备8、计算机9和通信设备10，向这些设备提供220v电力，并在市电中断时维持24小时对其所连接设备的电力供电；接收机天线2与功分器3之间还连接馈线防雷器，所述b+c防雷器与馈线防雷器以及避雷针组成防雷避雷设备12。
32.接收机天线2、功分器3、基准站接收机4、监测站接收机5、原子钟6、气象设备7、集成机柜及机柜监控设备8、计算机9、通信设备10、不间断电源11、防雷避雷设备12、市电供电接口和通信网络组成了基准与监测功能一体化站系统的电子电气设备，其中电子电气设备的连接电路按两类电路进行连接，分别为通信线路和电气线路，如图5所示(图中的细连接线为通信线路连接线，粗连接线为电气线路连接线)。电子电气设备的设置分别有室外设置的电子电气设备和室内设置的电子电气设备，接收机天线2、气象设备7、防雷避雷设备12中的避雷针、市电供电接口和通信网络为室外设置的电子电气设备，其他设备为室内设置的电子电气设备。防雷避雷设备12中的设备按各自的功能分别连接到通信线路、电气线路和接地中，即，防雷避雷设备12中的馈线防雷器连接到通信线路中，b+c防雷器连接到电气电路中，避雷针连接地。
33.步骤s3、基准与监测功能一体化站系统的土建由观测墩1、电子电气设备屋13等组成，如图6所示。
34.电子电气设备屋13可以用具有防雨、防震、防盗、防鼠、恒温等功能的一体化机柜代替土建房屋。室内设置的设备都放置在电子电气设备屋13中，具体的设备设置如图5所示。
35.步骤s4、观测墩1为基准站和监测站共用的观测墩，代替原来分别各自独立建立的基准站观测墩和监测站观测墩。接收机天线2对中固定在观测墩1上，作为基准坐标的统一物理位置。观测墩的功能和性能按基准站观测墩的要求。
36.步骤s5、接收机天线2采用抗多路径效应的扼流圈或风火轮等类型的天线设备，接收机天线2的相位中心偏差应小于1.5mm，能接收北斗、gps、格洛纳斯、伽利略四大卫星导航系统的卫星所播发bds(b1i、b1c、b2i、b2a、b2b、b3i等)、gps(l1c/a、l1c、l2c、l2p、l5)、glonass(l1、l2)、galileo(e1、e5a、e5b)等四个系统的至少八个频点的十六种导航信号和由数据处理中心播发的数据增强的差分数据产品信号，并作为基准站接收机4和监测站接
收机5的共用天线，以一个天线代替两个不同功能站的天线。接收机天线的功能和性能按基准站接收机天线的要求。
37.步骤s6、基准站接收机4为能接收、处理和存储北斗、gps、格洛纳斯、伽利略四大卫星导航系统的伪距、载波相位、多普勒、导航电文、载噪比等原始观测数据，并具有基准站设计的处理能力所要求的足够信号通道，例如400个通道。
38.步骤s7、监测站接收机5为能接收、处理和存储经数据处理中心播发的北斗、gps、格洛纳斯、伽利略四大卫星导航系统的广域增强数据产品(如卫星轨道差、钟差、电离层改正数等)和区域差分数据产品(如rtd改正值、rtk改正值等)等，具有广域单频伪距差分、广域单频载波相位差分、广域双频载波相位差分、区域双频载波相位差分以及单点定位的功能，能解算出经度、纬度、高度、pdop、hdop、vdop、卫星数等数据和定位结果，同时也能够接收原始观测信号，并具有监测站设计的处理能力所要求的足够信号通道，例如400个通道。
39.步骤s8、观测墩1上的接收机天线2标定的坐标值，既作为基准站的基准坐标值，也作为监测站的坐标值。
40.步骤s9、集成机柜及机柜监控设备8为基准站和监测站的共用机柜，具有放置基准站接收机4、监测站接收机5、原子钟6、计算机9、通信设备10、不间断电源11等的物理空间，并同时具有温湿度传感器、烟感探测器、水浸传感器、门磁传感器和不间断电源等设备的监控功能。
41.步骤s10、通信设备10为基准站和监测站的共用通信设备，承担基准站接收的原始观测数据和监测站解算的定位结果数据以及设备监控数据向数据处理中心的传输。通信设备10的通信协议采用tcp/ip，通信链路采用有线专线，通信速率不小于1mbit/s，误码率小于10-8
，链路可用性大于95％。
42.步骤s11、不间断电源11为基准站和监测站的共用不间断电源，电源线路具备电涌防护能力，电池组具有抗电、抗浸水能力，具有接入各用电设备的电气接口，在额定功率下可连续工作24h。
43.步骤s12、开发能对基准站、监测站和集成机柜及机柜监控设备的数据分别进行处理、管理、存储和传输功能的专门软件，并通过计算机9应用该软件，实现对基准与监测功能一体化站系统进行协调运行。
44.为卫星导航基准与监测功能一体化站系统专门开发的专门软件的功能如图7所示，软件具体功能流程为：功能模块701将基准站接收机4、监测站接收机5和集成机柜及机柜监控设备8输入计算机9的数据分到三个数据处理区，分别为第一数据处理区702、第二数据处理区703和第三数据处理区704三个区；第一数据处理区702服务于基准站接收机4的数据处理，第二数据处理区703服务于监测站接收机5的数据处理，第三数据处理区704服务于集成机柜及机柜监控设备8的数据处理，三个区为并行处理模式；第一数据处理区702对基准站接收机4接收的四大卫星导航系统播发的观测数据进行下载、格式转换和自动保存，第一数据发送时间周期模块705按设定的时间周期(1hz)周期性地发送第一数据处理区702输出的数据，通过通信设备10将数据传输给数据处理中心的差分数据解算模块以解算生成差分数据产品；第二数据处理区703对监测站接收机5接收的差分数据产品以及监测站接收机5应用观测数据和差分数据解算的定位数据进行封装、下载和自动保存，第二发送时间周期模块706按设定的时间周期(30hz等)周期性地发送第二数据处理区703输出的数据，通过通
信设备10将数据传输给数据处理中心的数据质量评估模块以对定位精度和差分数据的质量进行评估；第三数据处理区704对集成机柜及机柜监控设备8的传感器传出的温湿度、烟火、水浸、入侵和供电等状况监控数据进行封装、下载和自动保存，第三数据发送时间周期模块707按设定的时间周期(60hz等)周期性地发送第三数据处理区704输出的数据，通过通信设备10将这些监控数据传输给数据处理中心的运维监控模块以对卫星导航地基增强系统的基监站的工作状态正常与否监控。第一数据发送时间周期模块705、第二数据发送时间周期模块706和第三数据发送时间周期模块707所设置的时间周期通常是不同的。
45.卫星导航地基增强系统中的基准站和监测站是两个功能完全不同的必要的功能站。卫星导航地基增强系统的广域网和区域网就需要几千个站，每个站都需要土地资源、土建工程和电子电气设备的配置，这是一项大量的土地占用和一笔巨大的成本费用的支出。可以看出，本发明用一套土建和电子电气设备系统，通过分别对基准站和监测站各电子电气设备的功能与性能的分析，分析出基准站和监测站之间可共用的共性设备和不可共用的个性设备，应用巧妙的电路系统连接关系、个别新增的硬件和专门开发的软件，实现基准站和监测站物理一体化和逻辑功能独立化的一站基准和监测双功能作用。本发明使需要分别建设的基准站和监测站的功能可以融合为一个基监站来实现，基监站在技术功能和性能与基准站和监测站同等的状情况下，大大节省了土地资源的占用和大大减少土建工程和电子电气设备的配置的数量和费用(从图4与图1的比较可明显看出)，一个基监站就可以省去一个观测墩1、一个接收机电线2、一台集成机柜及机柜监控设备8、一台计算机9、一台通信设备10、一台不间断电源11、一套防雷避雷设备12和一间电子电气设备屋13，此外，在技术性能方面还提高卫星导航地基增强系统的可靠性。
46.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。