CORS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)延遲測試程序設(shè)計與實現(xiàn)

潘志剛

（遼寧省地理空間成果應(yīng)用中心，遼寧 沈陽 110034）

0.引言

2020年7月31 日中國宣布北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通。北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國著眼于國家安全、技術(shù)儲備和經(jīng)濟(jì)發(fā)展等需求，自主研發(fā)建設(shè)、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前，全國多個行業(yè)、多個部門、多個省市已將北斗應(yīng)用納入“十四五”規(guī)劃中，北斗系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)入持續(xù)穩(wěn)定快速發(fā)展階段。

連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（Continuous Operation Reference Station，簡稱CORS）匯集計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星定位、數(shù)字通信等高新技術(shù)，是移動定位、動態(tài)連續(xù)的空間參考框架和地球動力學(xué)參數(shù)等服務(wù)的信息系統(tǒng)，是動態(tài)地、連續(xù)地、高精度地獲取空間數(shù)據(jù)和地理特征的現(xiàn)代信息基礎(chǔ)設(shè)施[1]。

遼寧省衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)服務(wù)系統(tǒng)（LNCORS）始建于2015年底，通過建立在遼寧省域范圍內(nèi)的58座衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站，形成了遼寧省域高精度、高時空分辨率、高效率、高覆蓋的衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)服務(wù)系統(tǒng)，目前已為全省500余家單位提供服務(wù)，涵蓋交通運輸、城建規(guī)劃、農(nóng)林牧漁等多行業(yè)領(lǐng)域。

2021年LNCORS迎來北斗三號升級改造項目。項目實施從硬件設(shè)備安裝升級到管理系統(tǒng)更新都已順利完成，目前該項目處于管理系統(tǒng)試運行的測試階段。全新的CORS管理系統(tǒng)（以下稱為北斗系統(tǒng)）是國內(nèi)知名公司研發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的CORS管理平臺。除支持北斗三代新頻點外，平臺還具有定位可靠度底層算法、符合國情的安全設(shè)置、拓展功能豐富的展示、使用便捷的友好界面等優(yōu)勢。

國產(chǎn)軟件的崛起，打破了外國軟件在專業(yè)領(lǐng)域的壟斷，但是畢竟起步較晚，軟件在使用中會有些許遺憾。北斗系統(tǒng)在與基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)同步中的延時指標(biāo)使用“較大”等定性描述，沒有直觀量化的數(shù)值參考，缺少可視性。這個數(shù)據(jù)的缺失也將導(dǎo)致項目工作技術(shù)總結(jié)中的部分測試無法完成，故考慮利用計算機(jī)編程技術(shù)實現(xiàn)CORS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)延遲測試。

1.程序設(shè)計

1.1 需求分析

安置在基準(zhǔn)站上的GNSS接收機(jī)，需要連續(xù)觀測、接受衛(wèi)星信號，并將數(shù)據(jù)傳輸給CORS數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心部署了CORS管理系統(tǒng)，接收數(shù)據(jù)后處理、播發(fā)差分改正數(shù)據(jù)以及接收存儲各基準(zhǔn)站衛(wèi)星數(shù)據(jù)?；鶞?zhǔn)站與數(shù)據(jù)中心應(yīng)保持實時數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)同步是保障CORS服務(wù)體系運行的需求。所以針對基準(zhǔn)站與數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)同步的網(wǎng)絡(luò)延遲測試，尤其是經(jīng)過較長時間的多時間段的持續(xù)數(shù)據(jù)跟蹤，如30天間隔1小時數(shù)據(jù)，可以客觀地反映通訊的連通性、實時性以及CORS系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

網(wǎng)絡(luò)延遲又稱為網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間，它表示數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)絡(luò)路徑從發(fā)送方到接收方所需的時間。數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸有延遲是正常的現(xiàn)象。其產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)延遲的主要原因有很多，如網(wǎng)絡(luò)中的路由跳數(shù)過多、網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制以及服務(wù)器處理帶寬的能力等。考慮數(shù)據(jù)中心與省內(nèi)58座基準(zhǔn)站之間使用專網(wǎng)連接、物理介質(zhì)相對簡單等因素，故可以認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)延遲數(shù)值小于200毫秒為正常狀態(tài)。

1.2 設(shè)計程序語言

網(wǎng)絡(luò)延遲測試軟件使用兩種語言環(huán)境開發(fā)：批處理和C#。

（1）批處理也稱為批處理腳本，是一種簡化的腳本語言，應(yīng)用在DOS或WINDOWS系統(tǒng)中。在需要實現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用時，它既可以調(diào)用操作系統(tǒng)本身提供的外部命令，又可以使用第三方提供的工具或者軟件。具有MS-DOS操作經(jīng)驗的從業(yè)者非常容易上手。

（2）C#是面向?qū)ο蟮木幊陶Z言。程序員可以使用它快速地編寫各種基于Microsoft.NET支持的應(yīng)用程序，同時Microsoft.NET提供了大量的工具和服務(wù)來最大程度地提供開發(fā)便利。

1.3 功能設(shè)計與實現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)延遲測試軟件設(shè)計思路是借用CORS管理系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，利用CORS系統(tǒng)（數(shù)據(jù)中心）與基準(zhǔn)站之間相同的通訊協(xié)議——TCP/IP協(xié)議，使用計算機(jī)編程技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)延遲測試和數(shù)據(jù)匯總。架構(gòu)圖（如圖1所示）：

網(wǎng)絡(luò)延遲測試軟件具有三個功能模塊：瞬時故障測試、網(wǎng)絡(luò)延遲測試和延遲數(shù)據(jù)匯總。

1.3.1 瞬時故障測試

測試58座北斗基準(zhǔn)站瞬時網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)，其作用是發(fā)現(xiàn)有故障的基準(zhǔn)站。一些情況可以造成基準(zhǔn)站故障，如基準(zhǔn)站斷電、網(wǎng)絡(luò)硬件故障、GNSS接收機(jī)故障等，都可造成通訊失敗，據(jù)此可以進(jìn)一步調(diào)查故障所在。

利用C#語言程序開發(fā)的具體方法：加載System.Net.NetworkInfomation后，使用Ping.Send分別對58座基準(zhǔn)站的IP地址測試并判斷PingReply的狀態(tài)：成功使用正常字體綠色顯示基準(zhǔn)站名；失敗則使用加粗加大字體紅色顯示基準(zhǔn)站名，實現(xiàn)功能設(shè)計。經(jīng)測試基準(zhǔn)站名代碼為CHHA、LNKD和LNSB的三座基準(zhǔn)站有故障（如圖2所示）：

圖2 網(wǎng)絡(luò)延遲測試程序主界面

1.3.2 網(wǎng)絡(luò)延遲測試

基準(zhǔn)站與數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)同步的網(wǎng)絡(luò)延遲測試，是程序開發(fā)的主要目的。設(shè)計思路是每間隔一段時間（如1小時）對58座基準(zhǔn)站測試一組數(shù)據(jù)。由于網(wǎng)絡(luò)測試具有偶然性，故每組測試不是1次，而是20次甚至更多，以降低單次測試的誤差，得到較為真實的網(wǎng)絡(luò)延遲數(shù)據(jù)。每組測試數(shù)據(jù)以文件形式存儲，包括58座基準(zhǔn)站的20次IP地址網(wǎng)絡(luò)延遲測試數(shù)據(jù)的最大值、最小值和平均值。

網(wǎng)絡(luò)延遲測試的程序開發(fā)依然可以采用C#加載System.Net.NetworkInfomation使用ping類實現(xiàn)[2]。我們采用的方法是：編寫批處理腳本，調(diào)用WINDOWS系統(tǒng)自帶的ping.exe程序[3]。ping.exe是一個經(jīng)典工具，從研發(fā)至今已經(jīng)數(shù)十年了。ping命令可以加帶參數(shù)實現(xiàn)多個功能，其基本原理是向一個假定要響應(yīng)的遠(yuǎn)程計算機(jī)發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，然后等待響應(yīng)，并且指示檢測是否成功[4]。

編寫批處理的每條語句都分別對一個基準(zhǔn)站的IP地址進(jìn)行一組測試，結(jié)果追加存入一個以日期和時間疊加命名的文件里。批處理語句的集合形成批處理文件即具有CORS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)延時測試功能。在C#中使用Timer控件作為計時器，每隔1小時執(zhí)行一次批處理文件，完成一次網(wǎng)絡(luò)延時測試。

1.3.3 延遲數(shù)據(jù)匯總

測試軟件每小時產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)文件，文件中包含58個IP地址的測試數(shù)據(jù)。每天24個數(shù)據(jù)文件，持續(xù)跟蹤一個月的數(shù)據(jù)量已經(jīng)相當(dāng)龐大了。如果采用人工手動收集整理數(shù)據(jù)，數(shù)萬條數(shù)據(jù)處理不考慮時間等客觀因素，出錯的概率也是相當(dāng)大的。延遲數(shù)據(jù)匯總的功能就是在高效改變工作效率的同時，避免錯誤的產(chǎn)生，且生成表格匯總數(shù)據(jù)，完成初步判斷統(tǒng)計。

Foreach是C#中循環(huán)語句的一種，用于遍歷數(shù)據(jù)所在文件夾所有文件。File.Open讀取每個數(shù)據(jù)文件，利用Substring檢索關(guān)鍵字，找出58個IP地址以及其所對應(yīng)的數(shù)值[5]。以基準(zhǔn)站名稱為縱軸、測試時間日期為橫軸，在EXCEL表格內(nèi)填寫對應(yīng)數(shù)值，并對該數(shù)值加以判斷，超出正常范圍的數(shù)值使用帶顏色的字體突出顯示。最后做出初步的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，完成數(shù)據(jù)的匯總整理工作。具體程序流程圖（如圖3所示）：

圖3 數(shù)據(jù)匯總功能程序流程圖

2.測試數(shù)據(jù)對比

遼寧省共有兩套并行運行的CORS管理系統(tǒng)：北斗系統(tǒng)以及美國天寶公司的PIVOT（以下稱為“GPS系統(tǒng)”）。兩套系統(tǒng)共用基準(zhǔn)站設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)、數(shù)據(jù)中心設(shè)施，區(qū)別僅僅在于使用各自的GNSS接收機(jī)以及不同的CORS管理系統(tǒng)。

GPS系統(tǒng)的同步器模塊，具有系統(tǒng)延時的監(jiān)測功能，可以直觀地查看系統(tǒng)上各基準(zhǔn)站的最近一小時延遲、最大延時、平均延遲、實時延遲等數(shù)據(jù)。兩系統(tǒng)間相關(guān)數(shù)據(jù)具有可比性，故將數(shù)個相同時段、相同基準(zhǔn)站的延時數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，鑒于版面限制，只展示有代表性的部分對比數(shù)據(jù)，具體（如表1所示）：

表1 GPS系統(tǒng)與北斗系統(tǒng)一小時網(wǎng)絡(luò)延遲平均值對比表 單位：毫秒

通過對測試結(jié)果的分析得到以下幾個結(jié)果：（1）北斗系統(tǒng)中各基準(zhǔn)站延遲數(shù)值都在100毫秒以內(nèi)，而GPS系統(tǒng)中各基準(zhǔn)站延遲數(shù)據(jù)有一些數(shù)值比較大，但也在200毫秒以內(nèi)。（2）同時段GPS系統(tǒng)延遲高于北斗系統(tǒng)延遲的基準(zhǔn)站有54個，占比93.1%，且差值一般不超過100毫秒。（3）同時段GPS系統(tǒng)延遲低于北斗系統(tǒng)延遲的基準(zhǔn)站只有4個，占比6.9%，且延遲差值不超過10毫秒。

3.結(jié)束語

通過數(shù)據(jù)對比結(jié)果結(jié)合實際情況綜合考慮，得出以下結(jié)論：

（1）GPS系統(tǒng)的系統(tǒng)延時大概率高于北斗系統(tǒng)的延遲，差值幾乎都在100毫秒范圍內(nèi)。而且觀察GPS系統(tǒng)瞬時延遲數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，其最小值可以是“0”，且差值步距為20毫秒左右。從理論上講，延遲數(shù)據(jù)不可能為零。故得出兩程序的延遲測法略有不同。

（2）從測試數(shù)據(jù)經(jīng)過的物理介質(zhì)分析：兩個系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)都經(jīng)過相同的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)，無差異；GNSS接收機(jī)的品牌不同，響應(yīng)時間不同。但接收機(jī)屬于同時期的產(chǎn)品，差距不大可以忽略；GPS系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過脫密處理，而編寫的網(wǎng)絡(luò)延遲測試軟件不屬于北斗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，或者說不屬于CORS數(shù)據(jù)，所以沒有經(jīng)過脫密環(huán)節(jié)，不產(chǎn)生延遲。從GPS系統(tǒng)延遲數(shù)值普遍大于北斗系統(tǒng)測試數(shù)值可以印證這一點。

（3）在原有基礎(chǔ)設(shè)施不變、沒有增加網(wǎng)絡(luò)帶寬的前提下，雙CORS系統(tǒng)并行運行的網(wǎng)絡(luò)延遲數(shù)據(jù)沒有明顯的變化。說明目前的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和資源可以支持雙CORS系統(tǒng)并行運行且可以提供穩(wěn)定服務(wù)。

綜上，網(wǎng)絡(luò)延遲測試程序測試數(shù)據(jù)可靠，可以使用。更多結(jié)論還需其他佐證支持，本文不再探討。

利用計算機(jī)編程技術(shù)實現(xiàn)CORS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)延時測試，可以持續(xù)穩(wěn)定地對基準(zhǔn)站與數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)同步進(jìn)行跟蹤，獲取網(wǎng)絡(luò)延時數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)傳輸?shù)某掷m(xù)性和穩(wěn)定性等方面對CORS系統(tǒng)做出評測和總結(jié)。