多線程技術(shù)在GNSS數(shù)據(jù)并行解碼中的應(yīng)用

張世能

（重慶市勘測院，重慶400020）

GNSS采集的原始數(shù)據(jù)一般以二進(jìn)制文件形式存儲(chǔ)，為了能夠?qū)τ^測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，需要進(jìn)行解碼。目前RINEX是一種普遍使用的GNSS數(shù)據(jù)交換格式，被大家認(rèn)同為GNSS的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式。RINEX采用的存儲(chǔ)形式為文本格式，記錄方式不隨接收機(jī)型號(hào)、廠商的不同而變化。RINEX格式在GNSS數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用十分廣泛，絕大多數(shù)測量型GNSS接收機(jī)品牌均可以將其特有的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為RINEX格式，而幾乎所有GNSS數(shù)據(jù)處理軟件都可以直接讀取并處理RINEX格式的數(shù)據(jù)，因此將原始觀測數(shù)據(jù)通過解碼轉(zhuǎn)換為RINEX格式將有效提高數(shù)據(jù)的通用性。

目前大多數(shù)GNSS接收機(jī)都有自帶的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換軟件，但是這種軟件首先需要將觀測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在接收機(jī)中，在觀測完成之后再下載數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，因而無法實(shí)現(xiàn)GNSS數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，為解決工程應(yīng)用中對(duì)數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性的要求，本文采用串口通信方式實(shí)現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)多臺(tái)接收機(jī)觀測數(shù)據(jù)的并行處理，提出了一種基于多線程技術(shù)的實(shí)時(shí)解碼算法。

1 中海達(dá)Q5接收機(jī)原始觀測數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

中海達(dá)Q5接收機(jī)采用的原廠生產(chǎn)核心模塊為HC12A（新月），采用單頻接收機(jī)，共有12個(gè)通道，其芯片為ASIC芯片，數(shù)據(jù)更新頻率設(shè)置為20Hz，可進(jìn)行信標(biāo)接收，并具有對(duì)基準(zhǔn)站／移動(dòng)站進(jìn)行差分的功能。

1.1二進(jìn)制消息結(jié)構(gòu)

新月－HC12A模塊的二進(jìn)制消息采用16進(jìn)制格式進(jìn)行存儲(chǔ)，以便在計(jì)算機(jī)中直接讀取。二進(jìn)制信息一般以一個(gè)8字節(jié)頭開始，結(jié)束標(biāo)志通常設(shè)置為回車換行符。ASCII的碼序列“＄BIN”占據(jù)消息頭的前4個(gè)字符。OEM板的導(dǎo)航電文消息塊數(shù)據(jù)和觀測值消息塊數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)BIN95和BIN96。通用二進(jìn)制信息結(jié)構(gòu)，如表1所示。

表1 通用二進(jìn)制信息結(jié)構(gòu)表

1.2 導(dǎo)航電文的消息塊數(shù)據(jù)格式

導(dǎo)航電文與BIN95（消息塊）相對(duì)應(yīng)，在不計(jì)算Header和epilogue的情況下，消息的總長為128個(gè)字節(jié)。消息塊包含了所有12個(gè)通道的星歷信息數(shù)據(jù)，消息塊的數(shù)據(jù)格式構(gòu)成與GNSS定位衛(wèi)星所發(fā)送的信號(hào)中導(dǎo)航電文結(jié)構(gòu)比較相似，在進(jìn)行解碼時(shí)可以參考ICD－GNSS－200格式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、提取和整理。消息內(nèi)容可用表2所列的格式進(jìn)行表達(dá)。

表2 導(dǎo)航電文消息塊數(shù)據(jù)（對(duì)應(yīng)BIN95消息）

1.3 GNSS觀測值的消息塊數(shù)據(jù)格式

GNSS觀測數(shù)據(jù)與BIN96消息塊對(duì)應(yīng)，在不計(jì)算Header和epilogue的情況下，消息的總長為300個(gè)字節(jié)，BIN96消息所包含的內(nèi)容為相位和碼信息，這是觀測值數(shù)據(jù)的主要來源（見表3）。

表3 觀測值的消息塊數(shù)據(jù)格式

2 數(shù)據(jù)解碼算法及多線程技術(shù)

參照二進(jìn)制文件的說明，可以從原始數(shù)據(jù)中提取需要的信息，并按照其數(shù)據(jù)類型及長度轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，需要注意的是，當(dāng)需要的數(shù)據(jù)不是以字節(jié)為單位而是以位為單位存儲(chǔ)時(shí)，需要通過位運(yùn)算提取出數(shù)據(jù)并從高位到低位連續(xù)排列，并用0補(bǔ)齊高位的不足部分，然后再轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)。

在編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，本文所述案例采用C#語言，在微軟開發(fā)的 Microsoft Visual Studio 2008平臺(tái)下進(jìn)行編譯，分別設(shè)計(jì)了AnalyseBIN95（）和AnalyseBIN96（）兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航電文以及觀測值數(shù)據(jù)的解碼。

2.1 觀測值數(shù)據(jù)及導(dǎo)航電文解碼算法

以觀測值數(shù)據(jù)的解碼過程為例，介紹將原始數(shù)據(jù)解碼為RINEX標(biāo)準(zhǔn)格式的具體算法。

首先讀取二進(jìn)制原始觀測數(shù)據(jù)，然后逐字節(jié)搜索，直到找到“＄BIN96”字符串，繼續(xù)搜索直到找出第一個(gè)回車換行符“＼r＼n”并記下從“＄BIN96”到“＼r＼n”的總字節(jié)數(shù)，將其與此數(shù)據(jù)域中的校驗(yàn)和進(jìn)行比較。如果相等則說明數(shù)據(jù)完整，此時(shí)可以用函數(shù)對(duì)GNSS原始觀測數(shù)據(jù)解碼，并將結(jié)果存放到自定義的BIN96DATA結(jié)構(gòu)體中，繼續(xù)搜索下一個(gè)歷元；如果不相等，則說明觀測數(shù)據(jù)并不全，應(yīng)將此段觀測數(shù)據(jù)放棄，繼續(xù)向下搜索，如此循環(huán)，完成全部解碼工作。算法流程及解碼函數(shù)的核心代碼如圖1、圖2所示。

圖1 觀測值文件解碼算法流程

導(dǎo)航電文的解碼過程與之類似，在解出原始數(shù)據(jù)后，就可以按照RINEX的標(biāo)準(zhǔn)格式寫入到文本文件中，用于數(shù)據(jù)處理及分析。

2.2 多線程技術(shù)

GNSS測站接收機(jī)采集的觀測數(shù)據(jù)一般通過GPRS等通信技術(shù)傳到服務(wù)器并存儲(chǔ)到文本文件中，本文采用數(shù)據(jù)流的方式對(duì)原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)讀取、轉(zhuǎn)換和處理:第一步，制定一個(gè)打開GNSS原始觀測值文件的數(shù)據(jù)流；第二步，制定處理DataStream讀取二進(jìn)制數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流；最后采用前文提到的算法進(jìn)行解碼。通常在第一步中定義一個(gè)FilesStream對(duì)象（DataStream），第二步中定義一個(gè)BinaryReader對(duì)象（DataReader）。

而在工程實(shí)際中，往往是多個(gè)測站同時(shí)觀測，為了實(shí)現(xiàn)多測站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，必須對(duì)各個(gè)測站接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行并行實(shí)時(shí)解碼，這就是本文所介紹的多線程技術(shù)。多線程技術(shù)可解決多測站數(shù)據(jù)并行解碼。

圖2 觀測值文件解碼函數(shù)

多線程解碼通過三個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn):第一步，設(shè)定一個(gè)主線程，用它來讀取各個(gè)GNSS測站獲取的原始觀測值數(shù)據(jù)；第二步，統(tǒng)計(jì)GNSS測站的數(shù)量，每一個(gè)測站創(chuàng)建一個(gè)子線程，在解碼過程中，子線程和GNSS測站數(shù)據(jù)是一對(duì)一的關(guān)系；第三步，設(shè)置主線程的“時(shí)間片”，使主線程在不同的時(shí)間片段中，切換于多個(gè)子線程之間，如此進(jìn)行，直到完成全部解碼工作，結(jié)束主線程。在現(xiàn)有的硬件條件下，程序運(yùn)行速度極快，全部子線程同步工作，在這樣的模式下，多個(gè)GNSS測站的觀測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)并行解碼。采用多線程技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)并行解碼的算法流程如圖3所示。

圖3 多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)多測站數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解碼流程

3 實(shí)例及驗(yàn)證

本研究通過GPRS通信技術(shù)將接收機(jī)接收到的原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，解碼程序以數(shù)據(jù)流的方式讀取原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)原始數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)解碼，同時(shí)將多線程技術(shù)引入到GNSS原始數(shù)據(jù)解碼過程中，實(shí)現(xiàn)了多測站數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)并行解碼，為后續(xù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理及定位提供了必要的前提條件和保障。

在實(shí)際測試過程中，共設(shè)置3個(gè)觀測站，包括一個(gè)基準(zhǔn)站和兩個(gè)流動(dòng)站，將基準(zhǔn)站固定在某一位置，兩個(gè)流動(dòng)站以一定的速率進(jìn)行移動(dòng)。GNSS接收機(jī)將采集到的原始觀測數(shù)據(jù)通過無線傳輸，儲(chǔ)存到服務(wù)器，隨即調(diào)用本文所述程序進(jìn)行GNSS數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)并行解碼，解碼得到某一測站的RINEX格式觀測值文件，以及導(dǎo)航電文文件，如圖4和圖5所示。

圖4 解碼得到的RINEX格式觀測值文件

圖5 解碼得到的RINEX格式導(dǎo)航電文文件

多次測試表明，由自編程序得到的解碼結(jié)果與接收機(jī)自帶軟件的解算結(jié)果一致，能夠?yàn)楹罄m(xù)的數(shù)據(jù)處理提供合格的標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)，且解碼效率優(yōu)于自帶軟件，達(dá)到了實(shí)時(shí)并行解碼的要求。

4 結(jié)束語

本文以具體數(shù)據(jù)為案例，引入多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)測站觀測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)并行解碼。經(jīng)過測試表明，該程序能夠?qū)Χ鄠€(gè)測站的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)以及并行解碼，效率較高，且滿足工程應(yīng)用中對(duì)觀測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的格式要求。

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