聚焦丨全球有关国家卫星导航定位基准站建设与发展情况
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2021-02-04 04:20
卫星导航定位基准站是国家空间基础设施重要组成部分，连续运行基准站网（CORS）及其系统集成了GNSS、通信、气象数据采集等技术，它是GNSS实现高精度导航与位置服务的支撑平台，也是建立坐标框架、监测地壳运动等科学和工程应用的重要基础设施，几乎可以用于与空间位置和时间有关的所有领域。
图源丨测绘学报
许多国家、地区、行业和组织纷纷建立了不同规模、精度的GNSS基准站网，包括IGS全球基准站网，国家、区域或省级连续运行基准站网等。随着GPS的现代化，以及北斗的快速发展，近年来，我国诸多行业和企业纷纷开展了基准站的建设与应用，并取得了良好的经济效益和社会效益。据统计,目前我国建设完成的基准站已超过6000座，为自然资源、交通、气象、地震等行业提供高精度空间位置服务。
全球GNSS基准站网建设情况
01
目前，国际大地测量协会（IAG）建立的IGS连续运行基准站网是全球分布最广泛、空间规模最大的GNSS基准站网。
建立精确的全球参考框架； 确定精密地球自转参数与GNSS轨道； 为区域地球动力学研究提供支持等。
图源丨IAG官网
起初在全球建立了60～70个核心站，于1994年1月正式运行。在过去的20余年里，IGS的研究与应用取得了很大进展。截至2017年1月，全球跟踪站的数量已超过500个。
此外，IGS开始着手建立能够跟踪和接收所有可用GNSS卫星信号（包括GPS、格洛纳斯、伽利略、北斗、QZSS、IRNSS等卫星导航系统）的基准站网，用以分析多系统特性，促进多系统精密融合数据处理技术的发展。
经过多年的建设，已形成了一个由近200个基准站构成的覆盖全球的多系统GNSS连续运行基准站网MGEX。
图源丨IAG官网
美、德等国家GNSS基准站网建设与运行有关情况
02
美国是全球最早建立GNSS连续运行基准站网的国家。其国家GNSS基准站网由美国大地测量局（NGS）负责管理。
NGS向全美和全球用户提供国家CORS基准站坐标和GNSS卫星观测站数据。目前已拥有200多个不同机构合作加入的CORS参考站网络，其参考站站点数量超过2000个，且这个数量还在持续更新中。
图源丨IAG官网
GPS用户可使用CORS提供的数据提高其定位精度，在美国国家空间参考系统下，基准站网处理后坐标的精度可达厘米级甚至亚厘米级。
美国基准站网的测站分布参考https://www.ngs.noaa.gov/CORS/
德国卫星定位与导航服务系统（SAPOS），是德国国家测量主管部门联合德国测量、运输、建筑和国防等多个部门建立的一个长期连续运行的差分GNSS定位和导航服务系统。由大约300个永久性GNSS基准站组成，平均站间距约为40km。
SAPOS作为德国国家空间数据基础设施重要组成部分，为用户提供多种误差改正数据，实现厘米级水平的导航和定位坐标。
德国基准站网的测站分布参考https://www.sapos.de/index.html
日本国家地理院建设由GNSS连续观测站组成的基准站网，称为GEONET。
日本地质灾害多发，因而对地质灾害进行监测和分析显得十分重要。到目前为止，GEONET已经建成约1400个遍布全日本的GNSS永久跟踪基准站，平均密度约20km，是世界上密度最高的GNSS连续运行参考站系统。GEONET的主要应用是：地震监测和预报、控制测量、工程控制和监测、测图和地理信息系统更新、气象监测和天气预报。
图源丨IAG官网
中国GNSS基准站网建设与运行情况
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建设情况
01
1992年，原国家测绘局与美国NGS合作，开始在武汉建立了中国第一个GNSS连续运行基准站，即现在的IGS武汉站（WUHN），随后又先后建设了拉萨站、北京房山站、乌鲁木齐站、西宁站、哈尔滨站、西安咸阳站和海口站共8个国家级基准站。其中武汉站、拉萨站、北京房山站、西安咸阳站和乌鲁木齐站同时为国际IGS标准站，并于1998年纳入中国地壳运动观测网络工程。
02
2006年，中国大陆构造环境监测网络建成260个连续运行基准站和2000个不定期观测站点。主要用于监测中国大陆地壳运动、重力场形态及变化、大气圈对流层水汽含量变化及电离层离子浓度的变化，为研究地壳运动的时-空变化规律、构造变形的三维精细特征、现代大地测量基准系统的建立和维持、汛期暴雨的大尺度水汽输送模型等科学问题提供基础资料和产品。
03
2013年通过验收的927工程，由原国家测绘地理信息局、原总参测绘局、原国家海洋局、原海司航保部共同组织实施，共同建设了50个基准站。
04
2017年通过验收的国家基准一期工程，形成了由360站组成的国家卫星定位连续运行基准网，构建了高精度、三维、动态、陆海统一、几何基准与物理基准一体的国家现代测绘基准体系。
图源丨IGMAS官网
根据《测绘地理信息事业“十三五”规划》，到2020年底，完成卫星导航定位基准站的北斗化升级改造，统筹建成2500个以上站点规模的全国卫星导航定位基准站网。通过1909工程（主要是对各省2500多站没有进行北斗观测的进行改造，使我国CORS全部形成北斗观测能力）到2022年将形成全国一张网，包括2600余站。
运行情况
01
《北斗地基增强系统工程建设》
北斗地基增强系统工程建设于2013年11月启动，该项目确定由中国兵器工业集团和阿里巴巴集团共同打造的千寻位置网络有限公司，负责国家北斗地基增强系统“全国一张网”的建设，天上的北斗卫星和地上的“一张网”，共同组成了中国北斗高精度定位能力的基础设施。
2016年5月18日，国家北斗地基增强系统正式投入运行，这也标志着中国北斗开始面向全国提供高精度位置服务。截至2018年4月，已经在全国建立了超过1800个地基增强站。2018年5月，北斗地基增强系统已完成基本系统研制建设，具备为用户提供广域实时米级、分米级、厘米级和后处理毫米级定位精度的能力。
图源丨千寻位置
02
《全国卫星导航定位基准服务系统》
新《测绘法》明确测绘地理信息主管部门“建立统一的卫星导航定位基准服务系统，提供导航定位基准信息公共服务”的职责。
2017年5月，国家测绘地理信息局正式建成并启用全国卫星导航定位基准服务系统。该系统包括410座国家级卫星导航定位基准站，2300余座省级基准站，兼容北斗、GPS、格洛纳斯、伽利略等卫星导航系统信号，规模大、覆盖广、定位快、精度高，实现了我国陆地国土以及近海领域全覆盖，可为社会公众提供实时亚米级服务，为专业用户提供实时厘米级、事后毫米级服务。
有关思考
04
作为北斗卫星导航定位系统的重要组成部分，近年来，我国GNSS连续运行基准站的建设和服务发展迅猛，基准站的数量和积累的数据越来越多，基准站网服务的内容也越来越广泛，与其他学科和技术的交叉也越来越多，为满足经济社会发展对高精度空间地理信息需求提供了有力支撑，对推动我国的经济建设快速发展起到了积极作用。通过对比国内外情况可以发现，我国CORS在建设和应用方面还存在一些差距和不足。
首先，新《测绘法》针对过去卫星导航定位基准站管理措施缺乏、有效监管严重滞后的状况，基本明确了基准站的管理职责，建立了基准站建设备案制度，对基准站的运行维护、安全保障和规范管理等作出了明确规定。但是，在实践运营和管理过程中，存在安全管理制度有待健全，缺乏专业人员，权责不清等现象，原国家测绘地理信息局设立卫星导航定位基准站建设备案管理信息系统应用效果也未达到预期。据统计，在基准站建设的各行业中，测绘地理信息部门共建设和管理运维了约51%的基准站，各部门、各行业、各单位分头建设的情况依然突出。迫切需要出台相关政策，加强全国卫星导航定位基准站的统筹规划和管理，确保卫星导航定位基准站的安全使用。
其次，应加快推进我国已建CORS站的全面北斗化改造、新建CORS站的北斗为主其他导航系统兼容，切实完成1909工程确定的相关目标任务。长期以来，我国CORS站建设所使用的GNSS接收机（包括板卡、芯片、天线等）大部分都是采用美国天宝、日本拓扑康、瑞士莱卡等国外的高精尖装备，国产品牌在芯片、板卡等研发制造、整机设备稳定性和功耗、服务管理软件研发等方面相对进口品牌还存在一定差距。因而，实现1909工程目标任务，还需要进一步加强关键核心领域的技术公关，不断提升国产GNSS接收机的性能，推进全面自主化进程。
第三，统筹规划和推进CORS站网的深度应用，提升公共服务和公众服务能力水平。目前，在全世界范围，CORS站的应用集中表现在科学研究、大地坐标框架建设与动态维持、工程建设、资源调查、地震预报与监测、地质灾害监测、自动驾驶等领域。美、德、日等西方发达国家在推动CORS站网建设的同时，均统筹考虑其应用需要。我国分由不同部门、不同行业、不同单位建立的CORS站网也已在诸多领域得到广泛应用，但是受限于管理体制、运营模式，距离发挥出其应有的价值还有较大差距。因而，下一步核心工作还应是继续深化体制机制改革，形成全国一体化的CORS服务系统，在确保安全的前提下，政府CORS系统提供规模化的、广域范围的差分数据服务；有关行业单位自主建立的CORS系统提供满足相关行业单位更高需求的增值服务。
本文转载自“ 自然资源部测绘发展研究中心”，原标题《全球有关国家卫星导航定位基准站建设与发展情况》，文 | 曹会超、熊伟
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