王麗芝

(青島杰瑞自動(dòng)化有限公司,山東 青島, 266107)

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GNSS電離層TEC和閃爍接收機(jī)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王麗芝

(青島杰瑞自動(dòng)化有限公司,山東 青島, 266107)

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)具備全球覆蓋、高精度測(cè)量等優(yōu)勢(shì),利用GNSS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行電離層探測(cè)成為世界各國(guó)的重要發(fā)展方向。針對(duì)基于GNSS信號(hào)的電離層TEC和閃爍監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)要求,本文給出了GNSS電離層TEC和閃爍接收機(jī)監(jiān)測(cè)軟件的整體設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì),相關(guān)工作可為GNSS電離層TEC和閃爍接收機(jī)的研制提供較好的參考。

GNSS;TEC;電離層閃爍

0 引 言

電離層作為地球空間環(huán)境的重要組成部分,對(duì)各類無線電信息系統(tǒng)具有不可忽視的影響效應(yīng),獲取精確的電離層參量是實(shí)現(xiàn)電離層效應(yīng)消除和減緩的必要條件之一[1]。由于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)具備全球覆蓋、高精度測(cè)量的特點(diǎn),利用GNSS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行電離層探測(cè)成為世界各國(guó)的重要發(fā)展方向。利用GNSS衛(wèi)星雙頻測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層TEC、電離層閃爍的監(jiān)測(cè),并進(jìn)一步反演獲得電離層電子密度、電離層不均勻體參量等環(huán)境參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層環(huán)境影響效應(yīng)的預(yù)報(bào)和預(yù)警[2]。

隨著全球GNSS系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展及我國(guó)北斗系統(tǒng)的建設(shè)運(yùn)行,開發(fā)多GNSS系統(tǒng)電離層TEC和閃爍接收機(jī)成為電離層探測(cè)領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢(shì),其中GNSS電離層TEC和閃爍接收機(jī)監(jiān)測(cè)軟件的研制是實(shí)現(xiàn)GNSS信號(hào)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)處理的重要途徑。本文將重點(diǎn)對(duì)GNSS電離層TEC和閃爍接收機(jī)監(jiān)測(cè)軟件的整體設(shè)計(jì)思路和具體設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

1 軟件設(shè)計(jì)要求

電離層TEC和閃爍監(jiān)測(cè)軟件可流暢、完整的處理串口數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的綜合分析和模型演算及存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù);各模塊具有良好的獨(dú)立性和易操作的接口;具有良好的穩(wěn)定性、兼容性及可維護(hù)性。

電離層TEC和閃爍監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)以方便、實(shí)用、自動(dòng)化為準(zhǔn)則,均為自動(dòng)化操作。具體要求如下:

1) 電離層TEC和閃爍監(jiān)測(cè)軟件的總體設(shè)計(jì)采用自頂向下的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì),盡量做到高內(nèi)聚、低耦合;

2) 內(nèi)部接口的設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)潔、清晰、有效,能夠按統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議進(jìn)行編寫;

3) 同時(shí)需要執(zhí)行四個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊,有效地控制監(jiān)控終端CPU和內(nèi)存的占有量,保證數(shù)據(jù)接收的實(shí)時(shí)性和有效性;

4) 生成結(jié)果文件及其結(jié)果應(yīng)如實(shí)表現(xiàn);

5) 外部接口定義清楚,能實(shí)時(shí)上傳接收及計(jì)算的相關(guān)數(shù)據(jù),并準(zhǔn)確校正終端時(shí)間。

2 軟件的整體設(shè)計(jì)

GNSS電離層TEC和閃爍監(jiān)測(cè)軟件具有進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)觀測(cè)、TEC計(jì)算、閃爍計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)回放等幾項(xiàng)大的功能,因此本文首先對(duì)GNSS電離層TEC和閃爍監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。

2.1 軟件功能

電離層TEC和閃爍監(jiān)測(cè)軟件放置在上位機(jī)中,主要是通過串口采集BD、GPS、GLONASS和GALILEO四個(gè)系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù),通過電離層參量提取算法計(jì)算出相應(yīng)的閃爍指數(shù)和TEC數(shù)值,并將閃爍指數(shù)數(shù)據(jù)、TEC數(shù)據(jù)和原始觀測(cè)數(shù)據(jù),通過特定的格式進(jìn)行存儲(chǔ);電離層TEC和閃爍監(jiān)測(cè)軟件能實(shí)時(shí)將所觀測(cè)的數(shù)據(jù)通過FTP和TCP/IP兩種形式進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。

電離層TEC和閃爍監(jiān)測(cè)軟件無需其它人工干預(yù)。即便因意外斷電致使觀測(cè)中斷,重新加電后,系統(tǒng)可自動(dòng)重新開始觀測(cè),除斷電期間外不會(huì)造成其它歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)的丟失或損毀。軟件可流暢、完整的處理從串口接收緩存得到的數(shù)據(jù),如實(shí)的顯示及存儲(chǔ);能夠回放特定時(shí)間內(nèi)的閃爍數(shù)據(jù);保證各模塊具有良好的獨(dú)立性和易操作的接口;具有良好的穩(wěn)定性、兼容性及可維護(hù)性;軟件界面美觀、易操作等。

2.2 軟件組成

電離層TEC和閃爍監(jiān)測(cè)軟件以獨(dú)立的可執(zhí)行程序形式存在,設(shè)計(jì)由六個(gè)模塊組成:分別為參數(shù)設(shè)定模塊、底層控制模塊、實(shí)時(shí)消息接收模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊、實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示模塊和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。每個(gè)模塊的具體功能如下:

1) 參數(shù)設(shè)定模塊:設(shè)定軟件所需的相關(guān)信息,如:接收數(shù)據(jù)所用串口編號(hào)、波特率、單站測(cè)站名稱、測(cè)站ID、FTP服務(wù)器IP、用戶名、密碼等信息。

2) 底層控制模塊:接收BD、GPS、GLONASS和GALILEO系統(tǒng)數(shù)據(jù);采集、分析和存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)、計(jì)算和存儲(chǔ)閃爍指數(shù)和TEC數(shù)據(jù);

3) 實(shí)時(shí)消息接收模塊:用于接收BD、GPS、GLONASS和GALILEO各系統(tǒng)底層控制模塊的消息;

4) 數(shù)據(jù)顯示模塊:可實(shí)時(shí)顯示各系統(tǒng)所觀測(cè)的數(shù)據(jù)狀態(tài),包括:原始數(shù)據(jù)、衛(wèi)星位置、電離層TEC及閃爍等數(shù)值,也可對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回放;

5) 實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示模塊:可顯示各個(gè)系統(tǒng)狀態(tài),并給與文字及聲音報(bào)警;

網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊:通過FTP及TCP/IP協(xié)議,進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3]。

3 軟件的詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 軟件數(shù)據(jù)處理流程

電離層TEC和閃爍監(jiān)測(cè)軟件以獨(dú)立的可執(zhí)行程序存在,放置上位機(jī)中,通過連接GNSS電離層TEC和閃爍接收機(jī),以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、處理、計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)上傳、顯示和回放等過程,其基本數(shù)據(jù)流如圖1所示。

圖1 電離層TEC和閃爍監(jiān)測(cè)軟件處理流程

3.2 軟件功能模塊及運(yùn)行優(yōu)先級(jí)別劃分

為保證軟件的正常運(yùn)行,需要對(duì)軟件的功能模塊及運(yùn)行的優(yōu)先級(jí)別進(jìn)行合理定義。電離層TEC和閃爍監(jiān)測(cè)軟件功能模塊劃分及相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)別如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)軟件功能模塊劃分

續(xù)表

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

電離層TEC和閃爍監(jiān)測(cè)軟件所生成的數(shù)據(jù)文件可分為十二種:分別為BD系統(tǒng)TEC數(shù)據(jù)文件、BD系統(tǒng)閃爍指數(shù)文件、BD系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)文件、GPS系統(tǒng)TEC數(shù)據(jù)文件、GPS系統(tǒng)閃爍指數(shù)文件、GPS系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)文件、GLONASS系統(tǒng)TEC數(shù)據(jù)文件、GLONASS系統(tǒng)閃爍指數(shù)文件、GLONASS系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)文件、GALILEO系統(tǒng)TEC數(shù)據(jù)文件、GALILEO系統(tǒng)閃爍指數(shù)文件和GALILEO系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)文件,以上十二種數(shù)據(jù)文件都以十六進(jìn)制的形式進(jìn)行存儲(chǔ)(減少數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)空間)。

各系統(tǒng)的TEC數(shù)據(jù)文件每月一個(gè)閃爍數(shù)據(jù)文件,其數(shù)據(jù)格式為特定十六進(jìn)制,其命名規(guī)則如表2所示。

表2 TEC數(shù)據(jù)文件命名

各系統(tǒng)的閃爍數(shù)據(jù)文件每月一個(gè)閃爍數(shù)據(jù)文件,其數(shù)據(jù)格式為特定十六進(jìn)制,其命名規(guī)則如表3所示。

表3 閃爍指數(shù)數(shù)據(jù)文件命名

各系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)文件每天一個(gè)原始數(shù)據(jù)文件,其數(shù)據(jù)格式為特定十六進(jìn)制,其命名規(guī)則如表4所示。

表4 原始數(shù)據(jù)文件命名

3.4 軟件界面的設(shè)計(jì)

電離層TEC和閃爍監(jiān)測(cè)軟件采用三個(gè)原則[4]進(jìn)行界面設(shè)計(jì):置界面于用戶的控制之下、減少用戶的記憶負(fù)擔(dān)和保持界面的一致性。

圖2示出了電離層TEC和閃爍監(jiān)測(cè)軟件的主界面,該部分可分別顯示各個(gè)系統(tǒng)的衛(wèi)星軌跡分布圖、原始數(shù)據(jù)顯示圖、TEC數(shù)據(jù)顯示圖及閃爍指數(shù)顯示圖。

圖2 電離層TEC和閃爍監(jiān)測(cè)軟件主界面

圖3示出了電離層TEC和閃爍監(jiān)測(cè)軟件產(chǎn)品數(shù)據(jù)回放的界面,該部分可回放任意時(shí)間段任意系統(tǒng)的閃爍指數(shù)和TEC值。

圖3 產(chǎn)品數(shù)據(jù)回放界面

圖4示出了電離層TEC和閃爍監(jiān)測(cè)軟件原始數(shù)據(jù)回放的界面,該部分可回放任意時(shí)間段任意系統(tǒng)的單顆衛(wèi)星的原始數(shù)據(jù)。

圖4 原始數(shù)據(jù)回放界面

圖5示出電離層TEC和閃爍監(jiān)測(cè)軟件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的界面,該部分可將所觀測(cè)存儲(chǔ)的各種十六進(jìn)制數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為可視的十進(jìn)制數(shù)據(jù)文件。

圖5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件界面

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著GNSS系統(tǒng)的不斷推廣和應(yīng)用,利用GNSS無線電信號(hào)進(jìn)行電離層探測(cè)已經(jīng)日益成為國(guó)內(nèi)外發(fā)展的重要技術(shù)手段之一。本文針對(duì)基于GNSS信號(hào)的電離層TEC和閃爍監(jiān)測(cè)軟件的設(shè)計(jì)要求,給出了監(jiān)測(cè)軟件的整體設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì),相關(guān)工作可為GNSS電離層TEC和閃爍接收機(jī)的研制提供較好的參考。

[1] 熊年祿、唐存琛，李行健，等 電離層物理概論[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,1999.

[2] 李天文.GPS原理及其應(yīng)用[M]. 北京:科學(xué)出版社,2003.

[3] 羅莉琴,詹祖橋. Windows網(wǎng)絡(luò)編程[M].北京:人民郵電出版社,2009:95-169.

[4] HOLZNER S. Visual C++6.0高級(jí)編程范例[M] . 瀟湘工作室譯.北京:人民郵電出版社,2012:378-381.

Design of Monitoring Software for GNSS Ionospheric TEC and Scintillation Receiver

WANG Lizhi

(QingdaoJariAutomationCompanyLTD,Qingdao266107,China)

GNSS has been widely used because of its world-wide coverage and high accuracy measurements. Observing the ionosphere with signal of Globlal Navigation Satellite System (GNSS) has becomes an important way for ionospheric study. According to the design requirements of ionospheric Total Electron Content (TEC) and scintillation monitoring equipment based on GNSS signal, the overall design and detailed design of monitoring software for GNSS ionospheric TEC and scintillation receiver is given in this paper. Results can be taken as reference for development of ionospheric TEC and scintillation monitoring system.

GNSS; TEC; ionospheric scintillation

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.012

2017-02-14

P228.4

A

1008-9268(2017)02-0055-04

王麗芝 (1979-),女,工程師,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航。

聯(lián)系人: 王麗芝E-mail:tianbao_2000@163.com