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      實時GNSS數(shù)據(jù)流管理平臺的實現(xiàn)及應用

      2016-06-01 03:07:14蔣科材屈利忠趙齊樂
      測繪通報 2016年4期
      關鍵詞:數(shù)據(jù)傳輸

      蔣科材,屈利忠,趙齊樂

      (武漢大學衛(wèi)星導航定位技術研究中心,湖北 武漢 430079)

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      實時GNSS數(shù)據(jù)流管理平臺的實現(xiàn)及應用

      蔣科材,屈利忠,趙齊樂

      (武漢大學衛(wèi)星導航定位技術研究中心,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)技術的發(fā)展,利用互聯(lián)網(wǎng)將觀測站的實時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,從而實現(xiàn)GNSS數(shù)據(jù)的實時處理。對于數(shù)據(jù)處理中心而言,具備實時GNSS數(shù)據(jù)流管理功能的軟件平臺就顯得尤為重要。本文主要對自主實現(xiàn)的實時GNSS數(shù)據(jù)流管理平臺軟件的實現(xiàn)及應用進行了介紹。該軟件采用C/S框架設計,實現(xiàn)后端服務與前端用戶界面相分離的效果,可通過網(wǎng)絡與觀測站建立連接來獲取實時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站的GNSS數(shù)據(jù),為后續(xù)的數(shù)據(jù)實時處理工作提供數(shù)據(jù)支撐,并在我國所發(fā)起的國際GNSS監(jiān)測評估系統(tǒng)建設中得到應用。

      關鍵詞:實時GNSS數(shù)據(jù)流管理;數(shù)據(jù)傳輸;數(shù)據(jù)解碼;C/S框架設計;NTRIP協(xié)議

      全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)是20世紀80年代出現(xiàn)的最具劃時代意義的航天技術和信息技術[1-3]。然而30多年來,對GNSS數(shù)據(jù)的處理主要以事后處理的模式為主,應用實時性較差[4]?;ヂ?lián)網(wǎng)技術的發(fā)展為傳統(tǒng)的導航應用帶來了新的契機。具有實時性功能的導航服務逐漸成為當今GNSS發(fā)展的熱點之一。結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c,打破了傳統(tǒng)GNSS技術由于接收機的數(shù)據(jù)傳輸特征而帶來的時空局限性[5-6]。使得觀測站的GNSS數(shù)據(jù)可以高速傳輸給數(shù)據(jù)處理中心進行實時處理。為此各接收機廠商分別制定了適用于實時傳輸GNSS數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式。另外國際海運事業(yè)無線電技術委員會(Radio Technical Commission for Maritime Services,RTCM)提出的GNSS信號差分格式RTCM SC 104也可用于GNSS數(shù)據(jù)的實時傳輸[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站的實時GNSS數(shù)據(jù),各個觀測站所支持的數(shù)據(jù)傳輸格式隨接收機廠商或儀器型號的不同而有所差異,因此對于數(shù)據(jù)處理中心而言,具備實時GNSS數(shù)據(jù)流管理功能的軟件平臺就顯得尤為重要。本文主要對自主研發(fā)的實時GNSS數(shù)據(jù)流管理平臺軟件的實現(xiàn)及應用進行介紹,該軟件可通過網(wǎng)絡與觀測站建立連接,獲取實時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,可對各個測站發(fā)送的實時GNSS數(shù)據(jù)流進行有效管理。

      一、軟件概述

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

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

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

      實時GNSS數(shù)據(jù)流管理平臺軟件采用C/S(Client/Server)架構設計。后端服務能夠以控制臺方式或Windows服務方式在系統(tǒng)后臺運行,前端用戶界面可通過網(wǎng)絡TCP/IP通信與后端服務進行交互,界面程序可運行在任何能夠與后端服務建立網(wǎng)絡連接的電腦上,且支持多個界面程序同時運行,后端服務負責保證多個前端用戶界面數(shù)據(jù)的一致性。

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

      三、軟件體系結(jié)構

      平臺軟件體系可劃分為配置信息管理模塊、實時數(shù)據(jù)流接收模塊、實時數(shù)據(jù)流解碼模塊、實時數(shù)據(jù)流匯集模塊、實時數(shù)據(jù)流發(fā)布模塊和實時數(shù)據(jù)流統(tǒng)計模塊等。

      配置信息管理模塊用于對其他模塊的設置信息進行配置和管理操作,包括測站信息的添加、編輯和刪除等操作;實時數(shù)據(jù)流接收模塊通過網(wǎng)絡與觀測站建立連接,獲取實時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)設置穩(wěn)定地接收各個測站的實時GNSS數(shù)據(jù),異常發(fā)生時產(chǎn)生相應的日志記錄,并負責軟件與數(shù)據(jù)源的斷開重連機制;實時數(shù)據(jù)流解碼模塊基于正確的協(xié)議格式,適配相應的解析器用于解析數(shù)據(jù)流,對特定數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)流進行解碼,獲取衛(wèi)星導航星歷、觀測數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等信息,可支持RTCM3.X、BINEX(BINary EXchange)及多種接收機自定義格式的解碼;實時數(shù)據(jù)流匯集模塊將衛(wèi)星導航星歷、觀測數(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)格式的二進制文件,更新時間15 min;實時數(shù)據(jù)流發(fā)布模塊接收第三方用戶請求,并進行身份認證,通過認證后,基于TCP/IP或NTRIP協(xié)議,為其提供實時數(shù)據(jù)服務,轉(zhuǎn)發(fā)觀測站的原始實時數(shù)據(jù)流或以RTCM3.X格式進行重編碼后的實時數(shù)據(jù)流,否則拒絕連接申請,保證數(shù)據(jù)不被非法請求訪問,另外,實時數(shù)據(jù)流發(fā)布模塊還可將所接收到的所有測站的同一歷元GNSS數(shù)據(jù)進行合并,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);實時數(shù)據(jù)流統(tǒng)計模塊用于對各個測站的丟包率、傳輸時延等信息進行統(tǒng)計。

      四、軟件實現(xiàn)及應用

      實時GNSS數(shù)據(jù)流管理平臺軟件基于C#編程實現(xiàn)。軟件的核心是建立穩(wěn)定的實時數(shù)據(jù)流連接,并對二進制實時GNSS數(shù)據(jù)流進行正確的解碼。圖1為建立數(shù)據(jù)流連接的流程圖,圖2為進行數(shù)據(jù)解碼的流程圖。

      在數(shù)據(jù)解碼模塊實現(xiàn)過程中,平臺軟件采用面向接口的設計理念,軟件中實時GNSS數(shù)據(jù)流的具體實現(xiàn)類都繼承自IParser接口,不同的數(shù)據(jù)流解析器實例的創(chuàng)建通過ParserFactory工廠類統(tǒng)一維護創(chuàng)建。IRinexDecoder接口接收IParser接口分割的完整的數(shù)據(jù)包,并進行相應的CRC校驗,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。其他相關子類可通過繼承EPHEM、RANGE、RinexAdapter等實現(xiàn)。采用面向接口的設計理念,僅需實現(xiàn)對信息本身感興趣的子類,減少重復編碼工作,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)定運行。圖3為部分解析器子類的實現(xiàn)結(jié)構關系圖。

      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現(xiàn)結(jié)構關系

      在軟件架構上,實時GNSS數(shù)據(jù)流管理平臺軟件采用CS架構設計,后端服務與前端管理界面相分離,二者通過網(wǎng)絡TCP/IP進行通信,大大增加了平臺軟件的管理靈活性。圖4為后端服務子程序以Windows服務形式啟動運行圖。圖5為前端管理子程序的登錄界面。通過界面登錄,與后端服務子程序建立網(wǎng)絡連接,管理人員可以通過管理界面進行查看、增刪、權限分配等管理操作。且操作完畢后關閉前端界面程序不會影響后端服務的正常運行。通過界面的實時顯示,管理人員可以直觀地查看各觀測站實時GNSS數(shù)據(jù)流的相關信息,包括測站位置地圖顯示、測站星空視圖、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 后端服務子程序以Windows服務形式啟動

      圖5 前端登錄界面

      圖6 前端管理界面實時流信息的實時顯示

      管理平臺軟件對外提供兩種形式的數(shù)據(jù)訪問服務:一種為通過NTRIP協(xié)議用戶直接接收軟件轉(zhuǎn)發(fā)的觀測站原始實時GNSS數(shù)據(jù)流或軟件以RTCM3.X格式進行重編碼后的實時數(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,軟件可對用戶的數(shù)據(jù)訪問權限進行控制,可限制用戶接收不公開測站的實時數(shù)據(jù)流。圖7為通過BNC(BKG Ntrip Client)軟件[10]接收管理平臺轉(zhuǎn)發(fā)的觀測站原始數(shù)據(jù)流,圖8為通過瀏覽器訪問管理平臺軟件解碼后的ASCII格式數(shù)據(jù)。

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

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

      該平臺軟件已在國際GNSS監(jiān)測評估系統(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時GNSS數(shù)據(jù)流管理任務中得到應用。以武漢數(shù)據(jù)中心為例,實時GNSS數(shù)據(jù)流管理平臺軟件通過網(wǎng)絡連接國內(nèi)外的全球連續(xù)監(jiān)測評估系統(tǒng)跟蹤站,獲取實時GNSS數(shù)據(jù)流,將匯聚后的實時GNSS數(shù)據(jù)流提供給數(shù)據(jù)分析中心進行實時處理。該平臺軟件還對各跟蹤站實時GNSS數(shù)據(jù)流每天的丟包率及平均時延等信息進行統(tǒng)計,并將每天的統(tǒng)計結(jié)果自動發(fā)送給運行管理中心。

      五、結(jié)束語

      本文主要對自主開發(fā)的實時GNSS數(shù)據(jù)流管理平臺的實現(xiàn)及應用進行了介紹。平臺軟件在代碼實現(xiàn)上采用面向接口的編程理念,僅需實現(xiàn)對信息本身感興趣的子類,減少重復編碼工作,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)定運行;在軟件架構上采用C/S架構設計,后端服務與前端管理界面相分離,二者通過網(wǎng)絡TCP/IP進行通信,大大增加了平臺軟件的管理靈活性;在功能實現(xiàn)上通過網(wǎng)絡與觀測站建立連接,獲取實時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,可對各測站所發(fā)送的實時GNSS數(shù)據(jù)流進行有效管理,并為后續(xù)的數(shù)據(jù)實時處理工作提供數(shù)據(jù)支撐。該軟件已在我國所發(fā)起的國際GNSS監(jiān)測評估系統(tǒng)建設中得到了應用。

      參考文獻:

      [1]李征航, 黃勁松. GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M]. 武漢:武漢大學出版社, 2005:182-201.

      [2]王惠南. GPS導航原理與應用[M]. 北京:科學出版社, 2003.

      [3]周忠謨,易杰軍,周琪. GPS衛(wèi)星測量原理與應用[M]. 北京:測繪出版社, 1992.

      [4]劉大杰, 施一民, 過靜君. 全球定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理[M]. 上海:同濟大學出版社,1996.

      [5]Tokyo University of Marine Science and Technology. RTKLIB ver. 2.4.2 Manual [EB/OL]. [2015-07-20]. http:∥www.rtklib.com/.

      [6]劉科, 聶桂根, 范嘆奇. 基于Ntrip協(xié)議的差分數(shù)據(jù)實時傳輸平臺及定位研究[J]. 測繪信息與工程, 2009, 34(1): 7-8.

      [7]Radio Technical Commission for Maritime Services. Differential GNSS (Global Navigation Satellite Systems) Services-Version 3:104-2013-SC104-STD[S].[S.l.]:RTCM,2013.

      [8]Federal Agency for Cartography and Geodesy. Networked Transport of RTCM via Internet Protocol Ntrip Version 1.0 [EB/OL]. [2015-07-22].http:∥igs.ifag.de/index_ntrip.htm.

      [9]劉智敏, 林文介, 唐衛(wèi)明. GPS 差分協(xié)議RTCM電文分析與應用[J]. 桂林工學院學報, 2004, 24(2): 188-191.

      [10]Federal Agency for Cartography and Geodesy. BKG Ntrip Client (BNC) Version 2.11.0 Manual [EB/OL]. [2015-07-22].http:∥igs.bkg.bund.de/ntrip/download.

      中圖分類號:P208

      文獻標識碼:B

      文章編號:0494-0911(2016)04-0092-04

      作者簡介: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

      基金項目:國家自然科學基金(41374034);國家863計劃(2014AA123101);國際GNSS監(jiān)測評估(iGMAS)項目

      收稿日期:2015-08-10

      引文格式: 蔣科材,屈利忠,趙齊樂. 實時GNSS數(shù)據(jù)流管理平臺的實現(xiàn)及應用[J].測繪通報,2016(4):92-95.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0130.

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