周幫,周維,黃文德,龐浩,金星，4劉偉，5

(1.湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院,湖南 湘潭 411105;2.國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院,湖南 長沙 410073;3.導(dǎo)航儀器湖南省工程研究中心,湖南 長沙 410073;4.湖南師范大學(xué)物理與信息科學(xué)學(xué)院,湖南 長沙 410006;5.中南大學(xué)物理與電子學(xué)院,湖南 長沙 410083)

0 引 言

IGS(International GNSS Service)是提供高質(zhì)量的GPS、GLONASS數(shù)據(jù)和產(chǎn)品來支持地球科學(xué)相關(guān)研究、跨學(xué)科應(yīng)用和教育事業(yè)等組織進(jìn)行研究,其GPS跟蹤站點(diǎn)遍布全球,由200多個組織的400多個GPS、GLONASS跟蹤站組成,并在互聯(lián)網(wǎng)上無償面向全球用戶提供GPS、GLONASS信息:如高精度的衛(wèi)星星歷、IGS站的觀測數(shù)據(jù)、對流層數(shù)據(jù)等,為大地測量、地球動力學(xué)、包括電離層研究、氣象、參考框架、電離層、精密時間傳遞、地球自轉(zhuǎn)速率、高分辨的地球自轉(zhuǎn)速率及其變化研究、地殼運(yùn)動等研究提供了數(shù)據(jù)支持[1]。

國際上目前通用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)文件格式是RINEX,該格式存儲數(shù)據(jù)采用文本文件形式[2]。IGS提供的各類數(shù)據(jù)產(chǎn)品均采用RINEX數(shù)據(jù)格式[3]。

隨著GNSS技術(shù)不斷發(fā)展,基于GNSS的應(yīng)用和科學(xué)研究也不斷深入,人們對實(shí)時動態(tài)定位的需求更加廣泛。因此一個能夠提供動態(tài)數(shù)據(jù)面向GNSS應(yīng)用的數(shù)據(jù)共享平臺將給GNSS用戶及研究者帶來極大的便利。平臺依靠其在長沙地區(qū)的三個基站、安裝有測量型接收機(jī)的移動站和U-blox低成本模塊,獨(dú)立向廣大用戶提供RINEX格式的包括北斗系統(tǒng)數(shù)據(jù)在內(nèi)的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)。同時該平臺為那些愿意將自己數(shù)據(jù)分享出來的用戶提供數(shù)據(jù)質(zhì)量分析和共享的功能并且用戶可以通過平臺鏈接對IGS上的數(shù)據(jù)進(jìn)行下載。通過采集用戶和平臺自身數(shù)據(jù)最終將極大地豐富GNSS數(shù)據(jù)。

1 數(shù)據(jù)共享體系架構(gòu)

面向GNSS應(yīng)用的數(shù)據(jù)共享平臺邏輯結(jié)構(gòu)分離出了數(shù)據(jù)存儲、業(yè)務(wù)邏輯、應(yīng)用需求,分離后各部分結(jié)構(gòu)清晰,極大地降低了模塊間的耦合度,有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展和維護(hù)[4]。平臺采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷?整個體系架構(gòu)分為4層。分別為提供數(shù)據(jù)采集功能的采集層,對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲的存儲層,對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析和處理的數(shù)據(jù)分析與處理層和為用戶提供下載功能的數(shù)據(jù)分享層。以上各層又包含多個功能子模塊。下面將對各層進(jìn)行詳細(xì)介紹。

聯(lián)系人: 周幫 E-mail:izhoubang@qq.com

1.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層包括采集本地數(shù)據(jù)和采集用戶公開數(shù)據(jù)兩個部分。采集本地數(shù)據(jù)主要是通過導(dǎo)航儀器湖南省工程研究中心(參與單位)的三個基站、一個移動站和U-blox接收機(jī)獲取觀測數(shù)據(jù),其中三個基站和一個移動站的數(shù)據(jù)是通過上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)有限公司自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(BDS)+GPS三星八頻GNSS M300接收機(jī)和AT300天線進(jìn)行采集,通過室外攜帶U-blox NEO-M8T接收機(jī)采集供用戶進(jìn)行低成本實(shí)時動態(tài)(RTK)研究的數(shù)據(jù)。采集用戶公開數(shù)據(jù)是在用戶選擇共享上傳數(shù)據(jù)的條件下,平臺對用戶的公開數(shù)據(jù)分類整理后供其他用戶下載使用。采集的數(shù)據(jù)最終都以RINEX格式存儲在服務(wù)器中。通過數(shù)據(jù)的采集可以極大地提高用戶下載數(shù)據(jù)的多樣性進(jìn)而提高用戶試驗用例的完整性。圖1為數(shù)據(jù)采集層設(shè)計示意圖。

圖1 數(shù)據(jù)采集層設(shè)計示意圖

1.2 數(shù)據(jù)存儲層

數(shù)據(jù)存儲層的主要功能包括兩方面: 一方面對采集層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲,另一方面是對用戶上傳數(shù)據(jù)的簡要信息諸如采樣時長、采樣間隔等信息和用戶的個人信息進(jìn)行存儲。從數(shù)據(jù)庫的優(yōu)化設(shè)計和數(shù)據(jù)的歸檔方式對數(shù)據(jù)的采集層進(jìn)行詳細(xì)的分析。

1.2.1 數(shù)據(jù)庫的優(yōu)化設(shè)計

平臺使用MySQL2005數(shù)據(jù)庫對各類信息進(jìn)行存儲。為了給用戶提供安全可靠的數(shù)據(jù)服務(wù),平臺主要從數(shù)據(jù)庫的設(shè)計和查詢優(yōu)化對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了優(yōu)化。下面以用戶信息表為例。在描述優(yōu)化之前先對用戶信息表進(jìn)行簡單的描述。

用戶信息表(tb-user)存儲的是平臺用戶的個人簡要信息,方便用戶登錄網(wǎng)站、找回密碼。主鍵是userid自動遞增,作為用戶信息的唯一標(biāo)記。為了提高用戶信息和數(shù)據(jù)的安全系數(shù)用戶密碼進(jìn)行了MD5加密,MD5自身是不可逆的,但是目前網(wǎng)絡(luò)上有很多數(shù)據(jù)庫支持反查詢。鹽值就是在密碼hash過程中添加額外的隨機(jī)值從而增加了反查詢的復(fù)雜度。

不難看出以上表的在設(shè)計方面都具有如下特點(diǎn):1) 所有的“對象”都在它自己的table中,沒有冗余。2) 簡潔,更新屬性通常只需要更新很少的記錄。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計規(guī)則創(chuàng)建表并在這些表間建立關(guān)系;通過取消冗余度與不一致相關(guān)性,該設(shè)計規(guī)則可以同時保護(hù)數(shù)據(jù)并提高數(shù)據(jù)的靈活性。

由于平臺是面向GNSS應(yīng)用的所有用戶,有大量結(jié)構(gòu)化的信息需要存儲。為了使用戶信息表在磁盤上占據(jù)的空間盡可能小,能在數(shù)據(jù)庫性能上帶來非常大的提升。本文采取了以下措施對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行改進(jìn):1) 使用正確合適的類型,可以使用數(shù)字存儲的方法避免使用字符串。2) 使用較小的整數(shù)類型使用戶信息表更小。將MEDIUMINT代替INT,因為MEDIUMINT列使用的空間要少25%.

因為在數(shù)據(jù)庫的CRUD操作(create 添加數(shù)據(jù)read讀取數(shù)據(jù) update 修改數(shù)據(jù)delete刪除數(shù)據(jù))經(jīng)常會使用到數(shù)據(jù)的查詢(SELECT)。有效的使用索引是提高SELECT操作的性能并且實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的物理分頁方式,有效提高了對數(shù)據(jù)庫各種操作的效率。在使用索引時我們避免了變化很小的列,比如:性別列、婚姻狀況列;對可以不建立索引的列避免建立;消除所有在已有索引的前綴上建立的索引。

1.2.2 數(shù)據(jù)歸檔方式

一種簡單而又清晰的歸檔方式將給用戶查找和編程實(shí)現(xiàn)帶來極大的方便。服務(wù)器上,具體的目錄組織結(jié)構(gòu)如下所述,Data表示平臺用于存儲所有數(shù)據(jù)的文件夾,BaseStation表示存儲平臺接收機(jī)采集的數(shù)據(jù),BaseStation-one表示第一臺接收機(jī),yyyy表示年份的四位數(shù),mm表示月份,dd表示一個月中的第幾天,擴(kuò)展名.yyt中的yy表示兩位年號, 00～79表示2000～2079年。最后一位t表示文件類型,O表示觀測值,C表示北斗星歷,N表示GPS星歷, G表示GLONASS星歷,省略號表示省去了一些目錄[5-6].

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理層

數(shù)據(jù)質(zhì)量分析與處理層是通過JNI使Java調(diào)用C語言編寫的動態(tài)鏈接庫實(shí)現(xiàn)的。用有強(qiáng)大的服務(wù)器計算能力的服務(wù)器來完成數(shù)據(jù)分析與處理的過程,極大地提高了用戶體驗。各個檢測項的值輸出到對應(yīng)文檔,一方面可以給用戶提供數(shù)據(jù)質(zhì)量分析的參考,另一方面可以在網(wǎng)頁上以圖形的形式進(jìn)行展示。

數(shù)據(jù)分析與處理的流程大致包括對觀測數(shù)據(jù)和星歷數(shù)據(jù)的讀取,計算衛(wèi)星的位置,將觀測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星坐標(biāo)以時間、衛(wèi)星類型、衛(wèi)星號進(jìn)行匹配,獲取接收機(jī)的位置,對數(shù)據(jù)質(zhì)量的各個指標(biāo)進(jìn)行測試。其中數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)包括多路徑效應(yīng)、顧及TGD雙頻觀測值求解的電離層延遲、衛(wèi)星高度角和方位角等。最后將結(jié)果以文件形式輸出。

1.3.1 多路徑效應(yīng)

地面接收機(jī)的接收到的信號中不僅包括直接信號,而且包含被建筑物、地面反射或散射形成的多路徑信號。由于多路徑引起的偽距誤差一般為1～5 m,載波相位的誤差為1～5 cm.為了檢測、抑制和消除多路徑,可以在衛(wèi)星信號設(shè)計、接收天線的設(shè)計和選址、數(shù)字信號處理和定位導(dǎo)航計算著四個環(huán)節(jié)采取不同策略[7].該平臺實(shí)現(xiàn)了CMC模型在定位導(dǎo)航環(huán)節(jié)對多路徑進(jìn)行估計生成報表。用戶可直觀地對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評判。

1.3.2 顧及TGD的GNSS雙頻觀測值求解電離層延遲

當(dāng)衛(wèi)星信號穿過電離層時其傳播方向和速度會受到電離層的影響而發(fā)生改變,這種改變引起的誤差被稱為電離層延遲。本文通過實(shí)現(xiàn)了顧及TGD的GNSS雙頻觀測值求解電離層延遲模型[8],可以對被檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行電離層延遲分析,檢測結(jié)果以文件形式保存在服務(wù)器。用戶可以直觀了解數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

1.3.3 衛(wèi)星方位角和高度角

通過測量衛(wèi)星方位角及高度角的變化可以幫助用戶分析單顆衛(wèi)星在觀測時段的情況也可以分析天線的可視衛(wèi)星的情況,若某顆衛(wèi)星在整個觀測時段中都處于較低的截止角,則可以考慮剔除該衛(wèi)星的數(shù)據(jù)[9]。若天線的可視衛(wèi)星少或者衛(wèi)星的高度角過低則可以考慮更換天線的位置。事后數(shù)據(jù)處理可以避開該段數(shù)據(jù),提高數(shù)據(jù)的有效性。

1.3.4 偽距單點(diǎn)定位

偽距單點(diǎn)定位是通過接收機(jī)收到的偽距觀測值,并結(jié)合從衛(wèi)星星歷中得到的衛(wèi)星瞬時位置及速度,根據(jù)空間后方交會原理,確定空間坐標(biāo)系中單個點(diǎn)位絕對位置的定位方法[10],其定位速度快,解算方法簡便,精度也足以滿足部分用戶對米級精度的定位需求。

1.4 數(shù)據(jù)共享層

數(shù)據(jù)共享層的總體技術(shù)架構(gòu)是基于SSM框架,即SpringMVC,Spring,MyBatis框架組合。在表示層(VIEW)采用了HTML5新特性對頁面進(jìn)行展示;在效果以及渲染方面,采用大量的jQuery[11]插件和CSS技術(shù);在數(shù)據(jù)質(zhì)量分析的結(jié)果展示中,使用ECharts 豐富了可視化圖表,極大縮短了用戶與數(shù)據(jù)的距離;使用百度地圖的大數(shù)據(jù)可視化開源庫mapv對數(shù)據(jù)的動靜態(tài)定位結(jié)果進(jìn)行展示;使用SpringMVC實(shí)現(xiàn)了視圖層的邏輯分離;用Spring對MyBatis的支持以及MyBatis的數(shù)據(jù)持久化功能;使用shiro安全框架簡化了身份驗證和授權(quán)并且實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)登錄功能;使用Ecache避免了從關(guān)系數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中取數(shù)據(jù)出來的高花費(fèi)、高延遲;使用Maven工具對項目進(jìn)行管理能夠很方便地管理項目報告、生成站點(diǎn)、管理JAR文件,版本管理;數(shù)據(jù)庫采用MySQL2005數(shù)據(jù)庫。

通過Eclipse開發(fā)平臺對以上功能和技術(shù)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn),將代碼打成.war包部署在Tomcat服務(wù)器上。為了使平臺能承受更大并發(fā)用戶數(shù)取得更好的性能。我們從Tomcat啟動行參數(shù)和Tomcat容器內(nèi)對Tomcat進(jìn)行了優(yōu)化。例如:

1) 在Tomcat啟動行參數(shù)配置中,因為tomcat默認(rèn)配置下是以client(客戶端)的運(yùn)行模式,但是如果選擇server(服務(wù)器)意味著tomcat是production模式運(yùn)行,以該模式運(yùn)行時tomcat將擁有更強(qiáng)的并發(fā)處理能力和更快的JVM垃圾回收機(jī)制,進(jìn)而可以大幅度提高其負(fù)載與吞吐量。

2) 優(yōu)化Tomcat容器內(nèi),在其安裝目錄:confserver.xml文件,定位到

3) 為了防止DDOS形式的攻擊,把在一個按鈕或者是一個請求在一秒內(nèi)連續(xù)執(zhí)行150次視為是攻擊。把這個請求相關(guān)聯(lián)的IP封鎖20分鐘防止DDOS攻擊。

把Tomcat優(yōu)化的項目都加上,結(jié)合前面的數(shù)據(jù)庫優(yōu)化、結(jié)構(gòu)化查詢語言以及網(wǎng)站代碼的優(yōu)化。我們使用預(yù)測系統(tǒng)行為和性能的負(fù)載測試工具loadrunner,通過模擬上千萬用戶實(shí)施并發(fā)負(fù)載及實(shí)時性能監(jiān)測的方式來對系統(tǒng)性能進(jìn)行評估。對比優(yōu)化前后的各項指標(biāo)如表1所示。

表1 優(yōu)化前后結(jié)果對照表

通過分析上表的數(shù)據(jù)可以看出,參考目標(biāo)值并且對比優(yōu)化前和優(yōu)化后的實(shí)際值可看出,經(jīng)過Tomcat優(yōu)化、數(shù)據(jù)庫優(yōu)化、結(jié)構(gòu)化查詢語言以及網(wǎng)站代碼的優(yōu)化各方面的調(diào)優(yōu)后測試在總體上可以達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)。優(yōu)化后在業(yè)務(wù)的響應(yīng)時間和成功率等各方面都有較大的提高。達(dá)到了優(yōu)化預(yù)期效果。

2 共享平臺實(shí)現(xiàn)效果驗證

在平臺投入使用之前進(jìn)行了多方面的測試工作,包括: 1) 不同類型接收機(jī)接收到的不同格式的轉(zhuǎn)化; 2) 相同接收機(jī)動態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢測; 3) 數(shù)據(jù)共享平臺界面友好性和操作流暢性的檢測。靜態(tài)數(shù)據(jù)是CUTC站TRIMBLE NETR9接收機(jī)從2016年1月10日0時0分0.000 000 0秒起一天的數(shù)據(jù);動態(tài)數(shù)據(jù)是用戶提供ComNav接收機(jī)的2015年9月28日2點(diǎn)31分54.000 000秒到2015年9月28日3點(diǎn)37分 12.000 000 0秒起點(diǎn)到終點(diǎn)折回起點(diǎn)的一個小時數(shù)據(jù)。下面將對各結(jié)果進(jìn)行詳盡分析。

2.1 數(shù)據(jù)分析與處理結(jié)果

結(jié)果展示界面作為數(shù)據(jù)質(zhì)量分析結(jié)果的一個直觀的展示工具,展示了高度角如圖2所示、多路徑如圖3所示、信噪比隨時間的變化如圖4所示。對于多GNSS數(shù)據(jù)的結(jié)果展示,用戶可以通過控件對系統(tǒng)進(jìn)行選擇這樣就可以對單顆衛(wèi)星的上述幾個指標(biāo)進(jìn)行查看。用戶可以點(diǎn)擊截圖按鈕、縮放按鈕、還原按鈕、下載按鈕對圖片進(jìn)行操作。通過拉動時間軸下的時間選擇條可以查看某一時間段的放大圖片。

通過平臺的數(shù)據(jù)處理算法以經(jīng)緯度的形式輸出接收機(jī)的位置數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過匹配百度地圖后可以直觀地查看靜態(tài)數(shù)據(jù)的定位位置和動態(tài)數(shù)據(jù)的運(yùn)動軌跡如圖5所示。用戶通過查看數(shù)據(jù)的定位結(jié)果給甄別數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)劣提供參考,也可以通過匹配的衛(wèi)星地圖獲取周邊環(huán)境對接收機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。

圖2 高度角隨時間的變化圖 圖3 多路徑隨時間和衛(wèi)星位置的變化

圖4 信噪比隨時間和衛(wèi)星位置的變化圖 圖5 動態(tài)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果

2.2 數(shù)據(jù)共享效果

用戶通過在線分析界面上傳相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件,當(dāng)文件上傳完成后平臺軟件將自動調(diào)用數(shù)據(jù)分析與處理層算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,最后數(shù)據(jù)分析結(jié)果也將保存在源數(shù)據(jù)文件中。進(jìn)入到基站源數(shù)據(jù)下載界面時,用戶可以通過樹狀圖快速找到自己要下載的數(shù)據(jù),并且根據(jù)需求下載相關(guān)的文件或者文件夾。在右側(cè)文件下載選擇框中用戶可以方便看到所下載的文件名、文件歸屬、文件類型、文件大小等信息。進(jìn)入數(shù)據(jù)共享界面后,如圖6所示,用戶可以通過填寫對應(yīng)的篩選條件諸如采樣間隔、采樣時長、導(dǎo)航系統(tǒng)檢索自己需要的文件。同時用戶可以通過點(diǎn)擊檢索出來的表上的放大鏡按鈕就能方便地查看該組數(shù)據(jù)的質(zhì)量信息。如果數(shù)據(jù)的各方面都比較理想,用戶就可以通過點(diǎn)擊下載按鈕下載對應(yīng)的數(shù)據(jù)文件。

圖6 共享數(shù)據(jù)下載界面

系統(tǒng)為了削弱網(wǎng)絡(luò)帶寬對下載時長的影響,所有數(shù)據(jù)都以壓縮包的形式下載到用戶本地。通過數(shù)據(jù)壓縮處理下載時長縮短為下載源文件時長的1/4.事后處理的用戶有下載一天或者一個月的數(shù)據(jù)的需求,數(shù)據(jù)量往往以Gb為單位。下載時間根據(jù)帶寬的不同可能要數(shù)分鐘或者數(shù)十分鐘不等,期間可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異常而終止下載。如果讓用戶重新下載既耗費(fèi)時間又浪費(fèi)金錢?？紤]到可能出現(xiàn)的異常情況,平臺支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳,允許用戶從上傳下載斷線的地方繼續(xù)傳送,極大地提高了用戶體驗。

3 結(jié)束語

本文基于SSM框架探討了一種面向GNSS應(yīng)用數(shù)據(jù)共享平臺的實(shí)現(xiàn)方法并實(shí)現(xiàn),解決了GNSS應(yīng)用用戶數(shù)據(jù)共享的束縛;使用B/S模式實(shí)現(xiàn)了跨平臺數(shù)據(jù)的自由、便捷共享;提供了涵蓋動態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)檢索及下載服務(wù),從不同角度滿足了用戶的檢索和下載需求;同時本文也對GNSS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析的方法、內(nèi)容進(jìn)行研究,并實(shí)現(xiàn)能夠處理GPS/BDS雙系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析的數(shù)學(xué)模型。數(shù)據(jù)處理結(jié)果以JSON文件格式保存。平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)覽和在線制圖功能為用戶提供可視化服務(wù)。

數(shù)據(jù)共享平臺已經(jīng)通過審核發(fā)布,歡迎用戶通過http://124.232.156.99:8081/datacenter/對數(shù)據(jù)中心資源進(jìn)行下載和使用。實(shí)際驗證結(jié)果表明,基站數(shù)據(jù)自動更新過程、上傳數(shù)據(jù)自動質(zhì)量分析過程便捷。數(shù)據(jù)質(zhì)量分析使用Java調(diào)用動態(tài)鏈接庫的模式在處理24 h采樣間隔30 s的數(shù)據(jù)總時長小于24 s.高度角、可見時長、信噪比、多路徑、電離層變化可以準(zhǔn)確反映數(shù)據(jù)的質(zhì)量。該平臺操作簡單、處理速度快、圖形顯示清晰明了,功能齊全,能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行有效分析。

致謝:感謝湖南省軍民融合項目支持;感謝北斗開放實(shí)驗室微小課題支持;感謝網(wǎng)站所有用戶提供的數(shù)據(jù);感謝CUTC站提供的測試數(shù)據(jù)。

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