蔣科材，屈利忠，趙齊樂

(武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079)

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實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流管理平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

蔣科材，屈利忠，趙齊樂

(武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079)

Implementation and Application of Real-time GNSS Data Stream Management Platform

JIANG Kecai,QU Lizhong,ZHAO Qile

摘要：隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，利用互聯(lián)網(wǎng)將觀測(cè)站的實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)高速傳輸給數(shù)據(jù)處理中心，可以打破GNSS數(shù)據(jù)事后處理的傳統(tǒng)模式，從而實(shí)現(xiàn)GNSS數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理。對(duì)于數(shù)據(jù)處理中心而言，具備實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流管理功能的軟件平臺(tái)就顯得尤為重要。本文主要對(duì)自主實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流管理平臺(tái)軟件的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用進(jìn)行了介紹。該軟件采用C/S框架設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)后端服務(wù)與前端用戶界面相分離的效果，可通過網(wǎng)絡(luò)與觀測(cè)站建立連接來獲取實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流，支持TCP/IP通信協(xié)議及NTRIP通信協(xié)議，支持解碼RTCM3.X、BINEX等多種數(shù)據(jù)傳輸格式，能夠匯聚分布在各地的觀測(cè)站的GNSS數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理工作提供數(shù)據(jù)支撐，并在我國所發(fā)起的國際GNSS監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)建設(shè)中得到應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流管理；數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)解碼；C/S框架設(shè)計(jì)；NTRIP協(xié)議

全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的最具劃時(shí)代意義的航天技術(shù)和信息技術(shù)[1-3]。然而30多年來，對(duì)GNSS數(shù)據(jù)的處理主要以事后處理的模式為主，應(yīng)用實(shí)時(shí)性較差[4]?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為傳統(tǒng)的導(dǎo)航應(yīng)用帶來了新的契機(jī)。具有實(shí)時(shí)性功能的導(dǎo)航服務(wù)逐漸成為當(dāng)今GNSS發(fā)展的熱點(diǎn)之一。結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，打破了傳統(tǒng)GNSS技術(shù)由于接收機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸特征而帶來的時(shí)空局限性[5-6]。使得觀測(cè)站的GNSS數(shù)據(jù)可以高速傳輸給數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。為此各接收機(jī)廠商分別制定了適用于實(shí)時(shí)傳輸GNSS數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式。另外國際海運(yùn)事業(yè)無線電技術(shù)委員會(huì)(Radio Technical Commission for Maritime Services，RTCM)提出的GNSS信號(hào)差分格式RTCM SC 104也可用于GNSS數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸[7-9]。

由于數(shù)據(jù)處理中心接收分布在區(qū)域或全球各地的觀測(cè)站的實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)，各個(gè)觀測(cè)站所支持的數(shù)據(jù)傳輸格式隨接收機(jī)廠商或儀器型號(hào)的不同而有所差異，因此對(duì)于數(shù)據(jù)處理中心而言，具備實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流管理功能的軟件平臺(tái)就顯得尤為重要。本文主要對(duì)自主研發(fā)的實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流管理平臺(tái)軟件的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用進(jìn)行介紹，該軟件可通過網(wǎng)絡(luò)與觀測(cè)站建立連接，獲取實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流，支持TCP/IP 和 NTRIP通信協(xié)議， 并支持解碼多種數(shù)據(jù)

傳輸格式，可對(duì)各個(gè)測(cè)站發(fā)送的實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流進(jìn)行有效管理。

一、軟件概述

實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流管理平臺(tái)軟件主要功能分為以下兩大部分。

1) 實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)子程序：接收觀測(cè)站推送的實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流，同時(shí)具備接受第三方用戶請(qǐng)求的能力，并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流。

2) 實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流接收子程序：從實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)子程序接收轉(zhuǎn)發(fā)的實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流或直接從觀測(cè)站接收，并對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行解碼、轉(zhuǎn)存等工作。

實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流管理平臺(tái)軟件采用C/S(Client/Server)架構(gòu)設(shè)計(jì)。后端服務(wù)能夠以控制臺(tái)方式或Windows服務(wù)方式在系統(tǒng)后臺(tái)運(yùn)行，前端用戶界面可通過網(wǎng)絡(luò)TCP/IP通信與后端服務(wù)進(jìn)行交互，界面程序可運(yùn)行在任何能夠與后端服務(wù)建立網(wǎng)絡(luò)連接的電腦上，且支持多個(gè)界面程序同時(shí)運(yùn)行，后端服務(wù)負(fù)責(zé)保證多個(gè)前端用戶界面數(shù)據(jù)的一致性。

該平臺(tái)軟件的運(yùn)行環(huán)境為Windows平臺(tái)，能夠支持Windows 2003、NT、XP及以上版本，運(yùn)行需要.NET Framework4.0或以上版本，同時(shí)支持32位和64位的操作系統(tǒng)。

三、軟件體系結(jié)構(gòu)

平臺(tái)軟件體系可劃分為配置信息管理模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流接收模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流解碼模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流匯集模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流發(fā)布模塊和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流統(tǒng)計(jì)模塊等。

配置信息管理模塊用于對(duì)其他模塊的設(shè)置信息進(jìn)行配置和管理操作，包括測(cè)站信息的添加、編輯和刪除等操作；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流接收模塊通過網(wǎng)絡(luò)與觀測(cè)站建立連接，獲取實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流，支持TCP/IP通信協(xié)議、NTRIP通信協(xié)議，并根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置穩(wěn)定地接收各個(gè)測(cè)站的實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)，異常發(fā)生時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的日志記錄，并負(fù)責(zé)軟件與數(shù)據(jù)源的斷開重連機(jī)制；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流解碼模塊基于正確的協(xié)議格式，適配相應(yīng)的解析器用于解析數(shù)據(jù)流，對(duì)特定數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)流進(jìn)行解碼，獲取衛(wèi)星導(dǎo)航星歷、觀測(cè)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等信息，可支持RTCM3.X、BINEX(BINary EXchange)及多種接收機(jī)自定義格式的解碼；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流匯集模塊將衛(wèi)星導(dǎo)航星歷、觀測(cè)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等信息按照指定的采樣間隔以RINEX3.02文件格式保存成RINEX文件或直接保存原始數(shù)據(jù)格式的二進(jìn)制文件，更新時(shí)間15 min；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流發(fā)布模塊接收第三方用戶請(qǐng)求，并進(jìn)行身份認(rèn)證，通過認(rèn)證后，基于TCP/IP或NTRIP協(xié)議，為其提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)，轉(zhuǎn)發(fā)觀測(cè)站的原始實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流或以RTCM3.X格式進(jìn)行重編碼后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，否則拒絕連接申請(qǐng)，保證數(shù)據(jù)不被非法請(qǐng)求訪問，另外，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流發(fā)布模塊還可將所接收到的所有測(cè)站的同一歷元GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，以指定端口輸出的方式播發(fā)軟件解碼后的ASCII格式數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流統(tǒng)計(jì)模塊用于對(duì)各個(gè)測(cè)站的丟包率、傳輸時(shí)延等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

四、軟件實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流管理平臺(tái)軟件基于C#編程實(shí)現(xiàn)。軟件的核心是建立穩(wěn)定的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流連接，并對(duì)二進(jìn)制實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流進(jìn)行正確的解碼。圖1為建立數(shù)據(jù)流連接的流程圖，圖2為進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼的流程圖。

在數(shù)據(jù)解碼模塊實(shí)現(xiàn)過程中，平臺(tái)軟件采用面向接口的設(shè)計(jì)理念，軟件中實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流的具體實(shí)現(xiàn)類都繼承自IParser接口，不同的數(shù)據(jù)流解析器實(shí)例的創(chuàng)建通過ParserFactory工廠類統(tǒng)一維護(hù)創(chuàng)建。IRinexDecoder接口接收IParser接口分割的完整的數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行相應(yīng)的CRC校驗(yàn)，再根據(jù)數(shù)據(jù)包中消息類別，通過RinexFactory工廠類創(chuàng)建IRinex接口的具體實(shí)例。由IRinex派生出EPEHM類、RANGE類、RinexAdapter適配器類等描述具體類別信息的子類。其他相關(guān)子類可通過繼承EPHEM、RANGE、RinexAdapter等實(shí)現(xiàn)。采用面向接口的設(shè)計(jì)理念，僅需實(shí)現(xiàn)對(duì)信息本身感興趣的子類，減少重復(fù)編碼工作，保證系統(tǒng)的靈活性及可拓展性，最大化地保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。圖3為部分解析器子類的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)關(guān)系圖。

圖1　建立數(shù)據(jù)流連接流程

圖2　數(shù)據(jù)流解碼流程

圖3　部分解析器子類的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)關(guān)系

在軟件架構(gòu)上，實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流管理平臺(tái)軟件采用CS架構(gòu)設(shè)計(jì)，后端服務(wù)與前端管理界面相分離，二者通過網(wǎng)絡(luò)TCP/IP進(jìn)行通信，大大增加了平臺(tái)軟件的管理靈活性。圖4為后端服務(wù)子程序以Windows服務(wù)形式啟動(dòng)運(yùn)行圖。圖5為前端管理子程序的登錄界面。通過界面登錄，與后端服務(wù)子程序建立網(wǎng)絡(luò)連接，管理人員可以通過管理界面進(jìn)行查看、增刪、權(quán)限分配等管理操作。且操作完畢后關(guān)閉前端界面程序不會(huì)影響后端服務(wù)的正常運(yùn)行。通過界面的實(shí)時(shí)顯示，管理人員可以直觀地查看各觀測(cè)站實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流的相關(guān)信息，包括測(cè)站位置地圖顯示、測(cè)站星空視圖、各衛(wèi)星系統(tǒng)的可視衛(wèi)星數(shù)、衛(wèi)星高度角、方位角、信噪比等信息，如圖6所示。

圖4　后端服務(wù)子程序以Windows服務(wù)形式啟動(dòng)

圖5　前端登錄界面

圖6　前端管理界面實(shí)時(shí)流信息的實(shí)時(shí)顯示

管理平臺(tái)軟件對(duì)外提供兩種形式的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)：一種為通過NTRIP協(xié)議用戶直接接收軟件轉(zhuǎn)發(fā)的觀測(cè)站原始實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流或軟件以RTCM3.X格式進(jìn)行重編碼后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流；另一種為通過TCP/IP協(xié)議用戶接收軟件解碼后的ASCII格式數(shù)據(jù)。作為數(shù)據(jù)流管理平臺(tái)，軟件可對(duì)用戶的數(shù)據(jù)訪問權(quán)限進(jìn)行控制，可限制用戶接收不公開測(cè)站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流。圖7為通過BNC(BKG Ntrip Client)軟件[10]接收管理平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)的觀測(cè)站原始數(shù)據(jù)流，圖8為通過瀏覽器訪問管理平臺(tái)軟件解碼后的ASCII格式數(shù)據(jù)。

圖7　BNC軟件接收管理平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)的指定測(cè)站的RTCM數(shù)據(jù)流

圖8　通過瀏覽器訪問管理平臺(tái)軟件解碼后的ASCII格式數(shù)據(jù)

該平臺(tái)軟件已在國際GNSS監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)(International GNSS Monitoring and Assessment System，iGMAS)中的各家數(shù)據(jù)中心及分析中心的實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流管理任務(wù)中得到應(yīng)用。以武漢數(shù)據(jù)中心為例，實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流管理平臺(tái)軟件通過網(wǎng)絡(luò)連接國內(nèi)外的全球連續(xù)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)跟蹤站，獲取實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流，將匯聚后的實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流提供給數(shù)據(jù)分析中心進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。該平臺(tái)軟件還對(duì)各跟蹤站實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流每天的丟包率及平均時(shí)延等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將每天的統(tǒng)計(jì)結(jié)果自動(dòng)發(fā)送給運(yùn)行管理中心。

五、結(jié)束語

本文主要對(duì)自主開發(fā)的實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流管理平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用進(jìn)行了介紹。平臺(tái)軟件在代碼實(shí)現(xiàn)上采用面向接口的編程理念，僅需實(shí)現(xiàn)對(duì)信息本身感興趣的子類，減少重復(fù)編碼工作，保證系統(tǒng)的靈活性及可拓展性，最大化地保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；在軟件架構(gòu)上采用C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，后端服務(wù)與前端管理界面相分離，二者通過網(wǎng)絡(luò)TCP/IP進(jìn)行通信，大大增加了平臺(tái)軟件的管理靈活性；在功能實(shí)現(xiàn)上通過網(wǎng)絡(luò)與觀測(cè)站建立連接，獲取實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流，支持TCP/IP通信協(xié)議、NTRIP通信協(xié)議，并支持解碼多種數(shù)據(jù)傳輸格式，可對(duì)各測(cè)站所發(fā)送的實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流進(jìn)行有效管理，并為后續(xù)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理工作提供數(shù)據(jù)支撐。該軟件已在我國所發(fā)起的國際GNSS監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)建設(shè)中得到了應(yīng)用。

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中圖分類號(hào)：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)04-0092-04

作者簡(jiǎn)介：蔣科材(1900—)，男，碩士生，主要從事低軌衛(wèi)星定軌研究。E-mail：kc.jiang@whu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(41374034)；國家863計(jì)劃(2014AA123101)；國際GNSS監(jiān)測(cè)評(píng)估(iGMAS)項(xiàng)目

收稿日期：2015-08-10

引文格式： 蔣科材，屈利忠，趙齊樂. 實(shí)時(shí)GNSS數(shù)據(jù)流管理平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(4)：92-95.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0130.