导航卫星测定轨数据/产品服务系统的设计与实现

王树拥，弓剑军，杨旭海



导航卫星测定轨数据/产品服务系统的设计与实现

王树拥1,2,3，弓剑军1,2,3，杨旭海1,2

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院大学，北京 100049）

为便于中国科学院国家授时中心的导航卫星测轨网产生的数据、产品的共享和使用，基于LAMP软件开发平台，设计并实现了测定轨的数据/产品服务系统。该数据/产品服务系统可以将测定轨产品系统产生的数据和产品及时入库，并通过数据产品发布网站用Web和FTP两种方式向用户提供高精度数据和产品服务，具有较高的实际应用价值。

测轨数据；精密轨道；Web；FTP；数据库

0 引言

随着互联网技术的飞速发展，数据的共享变得越发普及和重要，各类数据下载网站成了人们搜索资料，获取数据信息的重要门户。卫星导航技术的发展对导航领域数据产品的下载共享提出了要求，国际上的GNSS服务组织（International GNSS Service，IGS）就致力于向用户提供卫星导航数据产品服务，IGS定期将观测数据和IGS产品存放在网站的FTP服务器上供用户下载使用。为此，人们研制了专门的数据下载软件，归纳总结了多种下载方法对数据进行下载[1]。通过这些网站，人们可以实现数据的交换和共享。通过数据共享，可以使更多的人更充分地使用已有数据资源，减少资料收集、数据采集等重复劳动和相应费用，而把精力重点放在新的科研领域。

中国科学院国家授时中心测轨网的国内测轨站会产生大量数据和产品。这些数据和产品，可以为当今全球范围内许多重大科学项目和课题的研究提供数据支持。为了实现科研成果共享，支持科学研究和多学科应用，开发数据服务系统成为一项重要工作。

数据服务系统作为对外服务的窗口，它的主要功能是通过数据服务网站为用户提供数据和产品服务，提供Web数据服务、FTP数据下载服务及数据管理这3大功能。

本文分析了数据服务系统实现的功能，对系统的数据产品进行了详细设计，提出了系统的总体设计思路、各功能模块详细的实现方法。然后，基于LAMP软件平台搭建了数据产品服务网站，实现了测定轨系统数据和产品的共享和管理。

1 系统数据产品设计

数据服务系统的核心是数据和产品，其主要功能是对数据产品进行收集、归档、存储，然后通过数据服务网站向用户提供高精度数据和产品的在线下载服务。数据和产品的主要来源是测定轨各分系统设备以及软件，这些设备、软件产生的数据及产品都是通过该系统向用户提供检索下载服务。

1.1 数据产品类型

数据服务系统提供的数据主要有：北斗卫星的直发式伪距测量数据、GEO卫星测轨网的原始测轨数据、VLBI相关后处理结果、气象数据。另外，为便于科学研究，存放部分光学数据、激光测距站的激光数据以及iGMAS（international GNSS monitoring & assessment service）观测数据。系统的产品主要有：预报轨道文件、事后精密轨道、站间钟差。

1.2 命名规则设计

测定轨产生的数据产品类型繁多，为了便于数据的识别和用户的下载，首先要对各类数据和产品按照一定规则进行命名。这样，通过数据的名称，用户可以快速地读出关于数据的一些有用信息，同时，也便于下一步数据的归档。命名方式设计的原则是唯一性和灵活性。下面分别介绍数据命名规则和产品命名规则。

1.2.1 数据命名规则

1）直发式伪距测量数据：直发式伪距测量数据是由观测天线接收卫星L波段下行导航信号得到的观测数据[2]。数据服务系统中的伪距测量数据主要是北斗GEO卫星的L波段的测距数据，其命名方式是Rinex3格式[3]，例如ssssdddf.yyt，其中ssss是4字符的测站名，ddd表示第1个观测值记录的年积日，f表示1天内的文件序号，yy表示年的后2位数字，t表示文件类型。

2）测轨网测轨数据：测定轨系统的卫星转发器转发测距模式[4]是双程测距模式，其频率为C波段，信号经卫星转发器后被地面设备接收[5]。测轨网测轨数据文件名的命名规则是：yyyymmddhhmmnnnnssskkk.txt，其中yyyymmddhhmm表示采集文件开始的年月日时分，nnnn表示采集周期的时间长度，单位为分钟， sss表示观测的卫星编号，kkk表示测轨站的测距设备编号。

3）VLBI数据：VLBI数据（测角时延、时延率文件）主要是相关后处理结果数据，命名格式为：“satid（3个字符）”＋“基线名（基线名代表：参考站+另外一个测站）（4个字符，大写）”＋“yyyymmddhhmm”＋“.dat”。其中，yyyy表示年，mm表示月，dd表示日，hh表示小时，mm表示分钟。

4）气象数据：气象数据以文件的方式提供，每小时产生1个文件，可以用于大气延迟改正。文件的命名方式为：Wyyyymmddhhmmss_STNN。其中，W为Weather的缩写，yyyymmddhhmmss为文件产生的时间（年月日时分秒），STNN为站编号。

5）光学数据：光学数据由光学测角站提供，其数据文件名的格式为：yyyymmddSSS.out，其中yyyy表示形成文件的年，mm表示月，dd表示日，SSS表示卫星编号。

6）激光数据：激光数据由激光测距站提供，用于标校测定轨系统的系统差。其数据格式是国际通用的CRD格式，具体参见《Consolidated Laser Ranging Data Format Version 1.01》。

7）iGMAS数据：iGMAS提供的观测数据由本系统从iGMAS的相应目录中下载，其数据格式也是Rinex3格式，这里不再做介绍。

1.2.2 产品命名规则

1）预报轨道文件：卫星预报轨道文件[6]的命名方式为ONLINE_PRED_TRF_***_yyyymmddhhmm，其中***为卫星编号，由1个字母+2个数字组成，yyyymmdhhmm表示年月日时分。

2）事后精密轨道：事后精密轨道的命名方式为ONLINE_POD_TRF_***_yyyymmddhhmm, 其中***为卫星编号，由1个字母+2个数字组成，yyyymmddhhmm表示年月日时分。

3）站间钟差：站间钟差产品以文件方式提供，主要是指站间时间同步结果文件。其文件命名方式为：yyyymmddhhmmss_SATID_STNN-STNN（年月日时分秒_卫星编号_站编号-站编号），其中，SATID表示卫星编号，STNN表示站编号。

1.3 数据产品归档方式

数据服务系统提供的数据和产品类型多样、数量繁多，一种简单而又清晰的数据归档方式将为用户查找和下载数据带来极大的方便[7]。

数据服务系统的各种数据和产品按照一定的目录结构存放在该系统的服务器上，其归档方式的设计思想是规范性、兼容性和便利性。

该系统的数据和产品是分别归档的，其中，所有数据文件存放在data路径下，同一年的文件存放在一个文件夹中，文件夹名字为年份，每一年的文件夹又按照年积日分列为子文件夹。所有产品存储在product路径下，以年、年积日为单位分别存放。数据产品存储的时间系统都为UTC（协调世界时）。数据、产品的目录组织结构如图1所示，图中，yyyy表示年，如2013，ddd表示天（年积日），如319。这种数据归档方式设计的好处主要有以下几点：1）目录规范清晰，数据产品一目了然；2）这种归档方式借鉴了IGS和iGMAS的设计思想，保证了与IGS和iGMAS的一致性；3）兼顾了用户的使用习惯，便于用户对数据产品的检索下载。

图1 数据、产品的目录结构

1.4 数据产品服务方式

数据服务系统通过测定轨数据服务系统网站向用户提供数据产品的检索下载服务如图2所示。该系统设计的数据服务方式有以下3个步骤：首先，用户需要在网站输入用户名、密码等信息进行注册；接着，待用户注册成功后，可以用注册的用户名登录网站；然后键入需要下载的数据产品的关键字进行检索。如果检索信息存在，则检索结果以表格的形式输出；最后，用户可以点击所检索到的相关链接即可跳转至FTP下载页面。通过登录FTP服务器，以FTP协议下载该文件。

图2 服务方式流程图

2 系统设计

数据产品服务系统的核心任务是数据产品服务网站的搭建[8]。系统服务器接收来自各系统软件的数据和产品，通过数据服务网站，响应用户的查询信息，为用户提供数据检索下载服务。

2.1 系统硬件及软件平台

系统软件安装在服务器上，系统服务器主要由Web服务器、数据库服务器和数据下载服务器这3部分组成。Web服务器上搭建网站，对外提供产品和数据的查询与下载；数据下载服务器存储数据，对用户提供数据下载服务；数据库服务器存储产品数据信息及用户信息，管理员可以通过网站后台管理系统对数据库服务器中的数据进行管理。

系统软件平台采用的是LAMP软件平台。LAMP指的是Linux操作系统、Apache网络服务器、MySQL数据库和PHP（Perl或Python）脚本语言的组合。Linux的特点是成熟、高效，具备跨平台、开源、支持众多应用软件和网络协议等优点。由于LAMP的4个组件都是开源的，所以，可以对相关技术进行不断的升级和更新，这使得LAMP迅速成为国际成熟的框架结构[9]。

通过Vsftpd提供FTP服务。Vsftpd是linux操作系统下最常用的FTP服务器配置软件，具有小巧轻快、安全快捷、稳定易用等特点[10]。

2.2 系统架构和流程设计

数据服务系统采用B/S（Browser/Server）架构。系统分为“客户层”（用户界面），“应用层”（逻辑），“数据层”（数据库）等3层。在客户端只留下用户界面，客户端只受理用户的操作与显示应用层的处理结果。应用层对用户的查询、下载等操作进行处理，负责后台的管理功能。数据层利用数据库软件对数据进行管理，对应用层提供所需数据。系统流程如图3所示，方框内的部分为数据/产品服务系统。在存储服务器上存储由各系统提供的数据产品文件。通过FTP服务将文件目录以列表形式呈现在用户客户端。同时目录监控软件对数据产品文件进行监控，及时将新增的文件信息入库。数据库管理服务向Web服务提供数据库增删改查接口。

图3 系统流程图

测定轨数据、产品服务系统可以划分为3个功能模块：Web功能模块、FTP功能模块和数据库管理模块。

2.3 Web功能模块

Web服务主要是为用户能够方便快捷地检索并下载自己所需要的数据和产品而设计，采用传统的B/S结构，用户只要通过浏览器就能查询检索下载自己需要的数据产品。Web功能模块具体可分为前台功能模块和后台功能模块，以下对主要的功能模块进行介绍。

2.3.1 前台功能模块

1）用户注册登录和注册信息修改模块：接收用户输入的用户名、密码、邮箱等数据进行注册，用户提交注册信息后，系统审核用户注册信息是否规范。注册成功后，用户输入用户名和密码，然后数据库会检索该用户。如果存在该用户并且用户输入的密码正确，则用户登录成功。用户输入新的用户信息数据后确定提交，使用数据库更新命令可以对用户信息进行更新。

2）数据产品文件查询检索下载模块：该模块提供按时间段和类别检索的功能，允许登录的用户在搜索框输入检索的关键词，使用数据库查询命令进行检索，检索结果以表格形式输出。用户检索点击查询检索模块所检索到的文件即可跳转至FTP下载页面，通过登录FTP服务器，以FTP协议下载该文件。

2.3.2 后台功能模块

1）用户信息权限管理模块：该模块接收管理员用户在后台对用户数据库进行增删改的操作。管理员在后台调用数据库更新命令、删除命令以及修改命令实现对用户的增删改操作。

2）数据产品管理功能模块：该模块允许管理员用户在后台管理系统中通过调用数据库插入命令、更新命令、删除命令对数据、产品信息进行增删改的操作。

3）统计信息查询模块：该模块根据记录下的各用户检索和下载使用情况，生成统计信息并显示，然后保存为日志文件。管理员可以查看服务器负载状态，如硬盘使用情况、内存占用、CPU、带宽使用率等，并保存到日志文件中。查看服务器状态界面如图4所示。

图4 查看服务器状态界面

2.4 FTP功能模块

FTP（file transfer protocol）是文件传输协议的简称，是网络中常用的协议之一[11]。FTP通过连接全世界的Internet，实现各种文件的上传、下载和存储处理。数据服务系统对外以FTP方式向用户提供数据、产品的下载服务，具体FTP功能模块介绍如下：

1）用户管理模块：该模块可以对用户账号进行分级管理，确定用户访问权限，并支持认证授权。主要有管理员用户和普通用户两类用户。

2）用户登录目录设置模块：该模块功能是基于账户来设置不同的访问目录，每个账户在创建时选择好登录后所处的目录位置。

3）活动用户管理模块：该模块对连接到本服务器的在线用户进行管理，可实现如下功能：显示欢迎信息、踢出超时用户、查看用户登录信息、查看下载统计信息。

2.5 数据库管理模块

数据服务系统中的数据库管理功能通过MySQL数据库管理系统来实现。数据库主要实现数据管理和数据库备份及恢复两大功能，下面做详细介绍。

1）数据管理模块：对用户信息、公告信息、机构信息等进行管理，对数据、产品目录进行实时的监控，每隔一个小时，如果有新增的文件，将新增的数据、产品文件信息入库。向Web服务提供增删改查的接口。

2）数据库备份恢复模块：数据库采取定期海量备份与增量备份相结合的备份方案。当数据库数据损坏时，采用以下步骤恢复之：先取上一周的完整备份数据进行数据库的恢复；再取每天的增量备份数据恢复到上一天结束时的运行状态；使用日志文件，恢复数据到破坏前状态。

3 系统运行概况

系统设计完成后安装在服务器上，服务器操作系统为Linux，配置4个主频2.4 GHz 的CPU，32 GB的内存，系统网站运行主界面如图5所示。

图5 网站主界面

经测试，系统运行正常。从图5可以看出，用户进入网站后，可以查看公告信息、机构介绍、数据产品说明、使用指南、网站地图等内容。通过注册登录网站，可以对网站提供的数据产品进行检索下载。管理员用户可以通过登录后台管理系统对网站进行后台管理。经系统试运行测试，系统具有如下的性能：

1）查询时间：单用户在数据库中对业务数据进行检索量不超过100000条时，每次检索时间不超过1 s。

2）并发访问用户数：FTP服务同时并发访问用户数至少30个。Web网站同时并发访问用户数至少100个。

3）对外接口至少可以满足10 Mbps流量峰值传输。

4）原始数据对外服务的性能：数据库注入速度达到5000条/s。

4 结论

本文基于LAMP开发环境为测定轨搭建了一套数据、产品的服务系统。在系统的设计和实现过程中，充分考虑了用户的需求。该数据服务系统实现了测定轨高精度数据和产品的共享，为相关领域的研究者提供了获取数据的窗口。目前，系统已经通过测试并正常运行，基本满足了用户对数据和产品的检索下载的需求，并且，该系统具有良好的可扩展性和可维护性，便于以后对系统功能的维护和扩展。在互联网和卫星导航技术系统飞速发展的今天，数据服务系统对于科学研究和多学科交叉应用具有较高的实际应用价值。

[1] 陈欣, 杨博, 李爱荣. IGS数据下载方法[J]. 软件导刊, 2013, 12(5): 147-148.

[2] 郭睿, 胡小工, 刘利, 等. 转发式测距和直发式伪距的GEO卫星联合定轨[J]. 中国科学: 物理学, 力学, 天文学, 2010 (8): 1054-1062.

[3] 谷守周, 秘金钟, 党亚民. 新一代RINEX标准格式及其应用[J]. 全球定位系统, 2009, 24(3): 52-58.

[4] LI Zhi-gang, YANG Xu-hai, AI Guo-xiang, et al. A new method for determination of satellite orbits by transfer[J]. Science in China Series G: Physics Mechanics and Astronomy, 2009, 52(3): 384-392.

[5] 雷辉. 基于转发式的导航卫星精密定轨研究[D]. 西安: 中国科学院国家授时中心, 2011.

[6] 施浒立, 孙希延, 李志刚. 转发式卫星导航原理[M]. 北京: 科学出版社, 2009.

[7] 匡翠林, 谢荣安, 王艳涛, 等. IGS数据批量自动下载软件设计与实现[J]. 工程勘察, 2013(7): 72-75.

[8] 赵翠敏, 许龙霞, 李孝辉. 授时数据网络查询系统设计[J]. 时间频率学报, 2013, 36(1): 33-38.

[9] 王晓姝. LAMP网站架构方案与实施[J]. 软件导刊, 2013, 12(1): 72-73.

[10] 罗彩君. 基于 Linux系统的FTP服务器的实现[J]. 电子设计工程, 2013, 21(11): 40-42.

[11] 黄世权. FTP协议分析和安全研究[J]. 微计算机信息, 2008, 11(6): 93-94.

Design and implementation of navigation satellite orbit determination-related data/product service system

WANG Shu-yong1,2,3, GONG Jian-jun1,2,3, YANG Xu-hai1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

In order to conveniently share and use the data and product generated from the NTSC(National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences) navigation satellite orbit determination network, we have designed and implemented a data/product service system based on LAMP software development platform. This data/product service system can put the data and products of the orbit determination system into storage in time, and through the website, this system can provide high-precision data/product product services for users via the Web and FTP. This data/product services system is of higher practical value.

orbit-measurement data; precise orbit; Web; FTP; database

P228.4

A

1674-0637(2014)04-0242-08

10.13875/j.issn.1674-0637.2014-04-0242-08

2014-02-24

国家自然科学基金重点资助项目（11033004）

王树拥，男，硕士，主要从事卫星导航数据服务方面的研究。