基于MVC的GNSS驗(yàn)證系統(tǒng)授時(shí)指標(biāo)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

崔群超， 荊文芳

(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心， 西安 710600; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

GNSS驗(yàn)證系統(tǒng)(GNSS verification system，GVS)是中國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種新衛(wèi)星導(dǎo)航體制[1]，該系統(tǒng)基于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)地面站所產(chǎn)生的導(dǎo)航信號(hào)的工作模式實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航定位。GVS具有高精度載波相位授時(shí)功能，GNSS驗(yàn)證系統(tǒng)授時(shí)指標(biāo)(GNSS verification system timing indicator，GVSTI)是實(shí)現(xiàn)GVS載波相位授時(shí)的關(guān)鍵性能指標(biāo)，對(duì)分析GVS載波相位授時(shí)精度和誤差具有重要意義，同時(shí)為GVS基帶調(diào)控發(fā)射信號(hào)參數(shù)提供重要數(shù)據(jù)支持。目前對(duì)GVSTI的分析主要基于MATLAB軟件，研究人員需要從采集數(shù)據(jù)開始進(jìn)行大量的重復(fù)工作，耗時(shí)耗力并增加了出錯(cuò)概率，且不能實(shí)時(shí)獲取GVSTI性能。因此，為提高GVSTI分析效率、降低人為失誤，需要一個(gè)實(shí)時(shí)分析GVSTI的系統(tǒng)軟件。使用設(shè)計(jì)模式可以幫助開發(fā)人員設(shè)計(jì)出一種更加靈活、更加模塊化的、可復(fù)用和易于理解的軟件[2]。MVC模式[3-4]最早在Smalltalk-80程序語言設(shè)計(jì)中被提出，MVC開發(fā)模式是一種“分治”思想，它將數(shù)據(jù)的訪問和數(shù)據(jù)的表現(xiàn)進(jìn)行了分離。通過這種模式，可以開發(fā)一個(gè)具有伸縮性、便于擴(kuò)展、便于整個(gè)流程維護(hù)的平臺(tái)[5]。本文應(yīng)用MVC模式自主設(shè)計(jì)并開發(fā)GVSTI系統(tǒng)軟件。

1 MVC模式

MVC模式包括模型(model)、視圖(view)和控制器(controller)三部分[6]，分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)表示和輸入輸出控制[7]，MVC模式結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MVC模式結(jié)構(gòu)圖Fig.1 MVC mode structure diagram

1.1 模型 (model)

模型是與問題相關(guān)的數(shù)據(jù)邏輯抽象，代表對(duì)象的內(nèi)在屬性，是整個(gè)模式的核心。模型作用為：抽象應(yīng)用程序功能，封裝程序數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)及操作；為控制器提供對(duì)數(shù)據(jù)的訪問；為視圖提供數(shù)據(jù)索引，接受視圖的數(shù)據(jù)操作；當(dāng)模型中數(shù)據(jù)變化時(shí)，通知視圖數(shù)據(jù)改變，但不關(guān)心數(shù)據(jù)如何顯示。

1.2 視圖 (view)

視圖提供界面顯示，負(fù)責(zé)與用戶交互[8]。一個(gè)模型可以對(duì)應(yīng)一個(gè)或者多個(gè)視圖[9]，如圖形用戶界面視圖、命令行視圖等。視圖為用戶提供輸入方式，觸發(fā)業(yè)務(wù)邏輯運(yùn)行，同時(shí)將業(yè)務(wù)邏輯運(yùn)行結(jié)果顯示給用戶。當(dāng)模型變化時(shí)，視圖也作出相應(yīng)變化。視圖作用為：將模型中的數(shù)據(jù)以特定方式顯示給用戶，獲得用戶輸入；將用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給控制器；接收來自模型的“數(shù)據(jù)已更新”通知，并顯示信息；對(duì)數(shù)據(jù)顯示部分進(jìn)行抽象。

1.3 控制器 (controller)

控制器是視圖和模型的接口。一方面，它處理來自視圖的輸入，將其解釋為系統(tǒng)能夠理解的對(duì)象，同時(shí)識(shí)別用戶動(dòng)作，將其解釋為對(duì)模型方法的調(diào)用；另一方面，它處理來自模型的事件，選擇適當(dāng)?shù)囊晥D為用戶提供反饋。控制器的作用為：抽象用戶交互；將用戶輸入映射為程序的動(dòng)作，并發(fā)送給模型；根據(jù)用戶輸入和模型的業(yè)務(wù)邏輯，選擇適當(dāng)?shù)囊晥D來顯示數(shù)據(jù)。

2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 GVS組成

圖2 GVS組成結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of GVS structure

GVS由空間星座部分、地面監(jiān)控部分、用戶設(shè)備部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示?？臻g星座部分利用地球同步軌道(geosynchronous orbit，GEO)衛(wèi)星和傾斜地球同步軌道(inclined geosynchronous satellite orbit，IGSO)衛(wèi)星作為導(dǎo)航星[10]，它們共同轉(zhuǎn)發(fā)地面站發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)。地面監(jiān)控部分由分布在中國(guó)各地的測(cè)軌站和位于西安的地面站組成，測(cè)軌站通過衛(wèi)星雙向時(shí)間傳遞對(duì)導(dǎo)航星進(jìn)行精確定軌，精度優(yōu)于2 m[11]，定軌數(shù)據(jù)傳遞給西安地面站，地面站有高精度原子鐘，穩(wěn)定度為1×10-14～1×10-15[12]，地面站以原子鐘為時(shí)頻基準(zhǔn)，將產(chǎn)生的導(dǎo)航電文發(fā)射給導(dǎo)航星，地面站同時(shí)接收導(dǎo)航星轉(zhuǎn)發(fā)的導(dǎo)航信號(hào)，在地面站基帶中對(duì)導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制。用戶設(shè)備部分接收導(dǎo)航星轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)，并產(chǎn)生位置、速度、時(shí)間等信息。

2.2 需求分析

GVS定位原理同GPS類似，采用三星測(cè)距交會(huì)實(shí)現(xiàn)定位。不同之處在于GVS導(dǎo)航信號(hào)由地面站生成，導(dǎo)航星上不需要高性能的原子鐘，導(dǎo)航信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)，播發(fā)給用戶。這種衛(wèi)星對(duì)導(dǎo)航信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的工作模式破壞了衛(wèi)星天線相位中心出口處的載波頻率連續(xù)性和碼相位與載波相位一致性(簡(jiǎn)稱“碼載一致性”)，為高精度載波相位授時(shí)帶來了困擾。

為實(shí)現(xiàn)高精度載波相位授時(shí)，在西安地面站的基帶中必須實(shí)現(xiàn)對(duì)載波頻率連續(xù)性和碼載一致性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。研究的軟件具備以下幾個(gè)方面功能：①基帶數(shù)據(jù)管理；②載波和碼指標(biāo)分析處理；③操作異常管理。

2.3 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

GVSTI軟件基于Windows操作系統(tǒng)、采用Qt開發(fā)環(huán)境進(jìn)行GVSTI軟件的開發(fā)，具體開發(fā)運(yùn)行環(huán)境包括：C++開發(fā)語言，Qt4.7開發(fā)平臺(tái)，Qt Creator2.4開發(fā)調(diào)試環(huán)境，Windows10操作系統(tǒng)。

GVSTI軟件架構(gòu)如圖3所示。軟件界面主要由view層構(gòu)建，包括界面控制、參數(shù)設(shè)置、指標(biāo)分析和數(shù)據(jù)編輯等。controller層負(fù)責(zé)view和model間的交互，控制軟件流程。model層主要負(fù)責(zé)載波和碼數(shù)據(jù)解析后的存儲(chǔ)和組織。數(shù)據(jù)源層DataSource負(fù)責(zé)接收和解析數(shù)據(jù)。四層架構(gòu)之間的耦合性很低，如果有新功能需求，分析新需求屬于那一層，改變此層而其他層次基本不用改動(dòng)，只需要單元測(cè)試改動(dòng)層次就可以，節(jié)約了開發(fā)成本。例如當(dāng)數(shù)據(jù)來源更改時(shí)，如數(shù)據(jù)來源從網(wǎng)絡(luò)更改為數(shù)據(jù)庫、串口、文件等來源時(shí)，僅需改動(dòng)數(shù)據(jù)層即可。

軟件主要模塊組成圖如圖4所示。主要為界面及界面下的菜單模塊，分為文件操作、數(shù)據(jù)編輯、視圖、文件數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析、幫助。其中數(shù)據(jù)分析為軟件組成的核心部分。

圖3 GVSTI軟件架構(gòu)圖Fig.3 GVSTI software architecture diagram

圖4 軟件組成圖Fig.4 Software composition diagram

2.3.1 基于 Qt技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

Qt是一個(gè)跨平臺(tái)的圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，其特有的qmake編譯機(jī)制使得Qt具有“一次編寫，隨處編譯”功能，Qt編寫的源代碼可以不經(jīng)修改在多種不同操作系統(tǒng)平臺(tái)編譯運(yùn)行，包括Windows、Linux、Unix等。

圖5 信號(hào)與槽機(jī)制原理圖Fig.5 Schematic diagram of the signal and slot mechanism

在GVSTI軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，利用了Qt的信號(hào)與槽機(jī)制，其原理如圖5所示，信號(hào)是操作Qt對(duì)象后，由操作系統(tǒng)產(chǎn)生的消息，槽是程序中的消息處理函數(shù)，兩者通過Qt提供的connect函數(shù)操作連接。信號(hào)與槽機(jī)制實(shí)現(xiàn)了程序內(nèi)部模塊間的信息傳遞，包括視圖和模型、模型和控制器、控制器和視圖之間。Qt特有的信號(hào)與槽機(jī)制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的回調(diào)技術(shù)，使得Qt事件定義和響應(yīng)非常方便，最大限度弱化類之間的耦合性，為以后程序的功能擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。

2.3.2 核心模塊設(shè)計(jì)

(1)解析數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)源的不同，分別解析數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到程序可識(shí)別的不同類中。

(2)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)源的不同，設(shè)置不同的類分別存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并注重?cái)?shù)據(jù)的封裝。

(3)組織數(shù)據(jù)。將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)對(duì)象按照不同的方式組織起來，提供給視圖層使用。

(4)處理數(shù)據(jù)。根據(jù)視圖層參數(shù)設(shè)置的不同，采用不同算法處理模型中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

針對(duì)以上核心模塊的不同功能，給出GVSTI軟件核心模塊及對(duì)應(yīng)的類如圖6所示。數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)應(yīng)類分別為DataSource、DataInfo、DataInfoModel、QCustomPlot。

圖6 GVSTI軟件架構(gòu)及其對(duì)應(yīng)類Fig.6 GVSTI software architecture and its corresponding class

圖7 DataSource類設(shè)計(jì)狀態(tài)圖Fig.7 DataSource class design state diagram

DataSource類設(shè)計(jì)狀態(tài)圖如圖7所示。setDataPaht()函數(shù)獲取文件路徑，read()函數(shù)讀取文件數(shù)據(jù)，parse()函數(shù)解析數(shù)據(jù)，并將解析好的數(shù)據(jù)存放到DataInfo類中，模型類調(diào)用fetchData()函數(shù)，組織解析好的數(shù)據(jù)。這里采用操作fetchData拿走數(shù)據(jù)而非getData獲取數(shù)據(jù)，是為了有更多的空間容納將要到達(dá)的數(shù)據(jù)。模型對(duì)應(yīng)類DataInfoModel將解析的數(shù)據(jù)類DataInfo組織到模型當(dāng)中。

DataInfo類設(shè)計(jì)狀態(tài)圖如圖8所示。主要保存解析好的數(shù)據(jù)，second()、minute()、hour()、day()、data()函數(shù)分別獲取秒、分、時(shí)、天、數(shù)據(jù)等信息。

圖8 DataInfo類設(shè)計(jì)狀態(tài)圖Fig.8 DataInfo class design state diagram

DataInfoModel類設(shè)計(jì)狀態(tài)圖如圖9所示。add(DataInfo)為add(QList)的重載函數(shù)，前者獲取單個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象，后者獲取整個(gè)鏈表數(shù)據(jù)對(duì)象；getItem()函數(shù)獲取模型中的數(shù)據(jù)對(duì)象。

圖9 DataInfoModel類設(shè)計(jì)狀態(tài)圖Fig.9 DataInfoModel class design state diagram

圖10 DataProcess類設(shè)計(jì)狀態(tài)圖Fig.10 DataProcess class design state diagram

DataProcess類設(shè)計(jì)狀態(tài)圖如圖10所示。DataProcess類中的主要算法功能函數(shù)為onDataCarrierFreAccuracy()、onDataCarrierAllanVariance()、onDataCodeCarrierResidual()、onDataResidualFFT()、onDataResidualFitting()，通過這些功能函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理。

onDataCarrierFreAccuracy()函數(shù)實(shí)現(xiàn)載波頻率準(zhǔn)確性算法，主要利用地面站接收的載波頻率數(shù)據(jù)減去上行多普勒頻率推算衛(wèi)星出口處的實(shí)時(shí)載波頻率，上行多普勒頻率采用對(duì)碼相位數(shù)據(jù)求導(dǎo)方式獲得。

onDataCarrierAllanVariance()函數(shù)實(shí)現(xiàn)載波頻率穩(wěn)定性算法，首先獲取衛(wèi)星出口處的實(shí)時(shí)載波頻率數(shù)據(jù)，然后利用阿蘭方差公式計(jì)算載波頻率穩(wěn)定性。

onDataCodeCarrierResidual()函數(shù)實(shí)現(xiàn)碼載一致性算法，在數(shù)據(jù)解析后，直接將碼相位減去載波相位，得到衛(wèi)星出口處的碼載一致性。

onDataResidualFFT()函數(shù)實(shí)現(xiàn)碼載一致性的快速傅里葉變換，首先獲得碼載一致性殘差數(shù)據(jù)，采用FFTW[13](fastest fourier transform in the west)軟件包實(shí)現(xiàn)，該軟件包由麻省理工學(xué)院Frigo M博士和Johoson S G博士開發(fā)，完全免費(fèi)，MATLAB中的離散傅里葉變換即調(diào)用FFTW實(shí)現(xiàn)。

onDataResidualFitting()函數(shù)實(shí)現(xiàn)碼載一致性的數(shù)據(jù)擬合，首先獲得碼載一致性殘差數(shù)據(jù)，采用高斯消去法進(jìn)行碼載一致性數(shù)據(jù)擬合。

圖11 核心模塊交互序列圖Fig.11 Core module interaction sequence diagram

核心模塊的交互如圖11所示。DataSource類首先通過setDataPath()函數(shù)獲取數(shù)據(jù)，然后通過read()函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行讀取，之后通過parse()函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行解析，而后將解析數(shù)據(jù)存入DataInfo類中，最后通過fetchData()函數(shù)拿走數(shù)據(jù)源；DataInfoModel模型將fetchData()函數(shù)獲得的數(shù)據(jù)添加到模型中，DataProcess類通過getDataInfoModel()函數(shù)獲得模型，并通過onDataCarrierFreAccuracy()函數(shù)得到衛(wèi)星出口處載波頻率數(shù)據(jù)，DataProcess類中的其他算法函數(shù)同onDataCarrierFreAccuracy()函數(shù)類似，在序列圖中省略。

3 實(shí)驗(yàn)及分析

將開發(fā)的軟件應(yīng)用于GVS基帶中，對(duì)GVS衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射天線相位中心出口處載波頻率準(zhǔn)確性、載波頻率穩(wěn)定性、碼載一致性、碼載一致性數(shù)據(jù)擬合、碼載一致性頻域特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，軟件界面及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

經(jīng)過圖12分析可知，GVS衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)射天線相位中心出口處載波頻率準(zhǔn)確性和碼載一致性為10-10量級(jí)，載波頻率在1 000 s穩(wěn)定性為10-4量級(jí)，穩(wěn)定性較差，碼載一致性殘差數(shù)據(jù)擬合良好，可以為地面站控制衛(wèi)星出口處碼載一致性提供數(shù)據(jù)支持，碼載一致性頻域噪聲主要分布在0.1 Hz以內(nèi)，這對(duì)基帶從頻域入手進(jìn)行碼載一致性殘差的反饋控制，有重要的指導(dǎo)意義。

軟件可以實(shí)現(xiàn)GNSS驗(yàn)證系統(tǒng)衛(wèi)星出口處載波頻率和碼載一致性的分析，為GVS載波相位高精度授時(shí)走向工程化提供了一定技術(shù)支持。

4 結(jié)論

提出了一種基于MVC模式的GVSTI軟件設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法，并將研發(fā)的軟件應(yīng)用于GVS基帶中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該軟件可以完成載波授時(shí)關(guān)鍵指標(biāo)的定量分析。采用MVC模式使得軟件層次明晰，便于快速開發(fā)和后續(xù)維護(hù)升級(jí)，對(duì)其他系統(tǒng)的軟件研發(fā)具有借鑒意義。

圖12 GVSTI軟件實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.12 GVSTI software experiment results