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)

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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。

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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.