实时GNSS数据流管理平台的实现及应用

蒋科材，屈利忠，赵齐乐

(武汉大学卫星导航定位技术研究中心，湖北 武汉 430079)



实时GNSS数据流管理平台的实现及应用

蒋科材，屈利忠，赵齐乐

(武汉大学卫星导航定位技术研究中心，湖北 武汉 430079)

Implementation and Application of Real-time GNSS Data Stream Management Platform

JIANG Kecai,QU Lizhong,ZHAO Qile

摘要：随着互联网技术的发展，利用互联网将观测站的实时GNSS数据高速传输给数据处理中心，可以打破GNSS数据事后处理的传统模式，从而实现GNSS数据的实时处理。对于数据处理中心而言，具备实时GNSS数据流管理功能的软件平台就显得尤为重要。本文主要对自主实现的实时GNSS数据流管理平台软件的实现及应用进行了介绍。该软件采用C/S框架设计，实现后端服务与前端用户界面相分离的效果，可通过网络与观测站建立连接来获取实时GNSS数据流，支持TCP/IP通信协议及NTRIP通信协议，支持解码RTCM3.X、BINEX等多种数据传输格式，能够汇聚分布在各地的观测站的GNSS数据，为后续的数据实时处理工作提供数据支撑，并在我国所发起的国际GNSS监测评估系统建设中得到应用。

关键词：实时GNSS数据流管理；数据传输；数据解码；C/S框架设计；NTRIP协议

全球卫星导航定位系统是20世纪80年代出现的最具划时代意义的航天技术和信息技术[1-3]。然而30多年来，对GNSS数据的处理主要以事后处理的模式为主，应用实时性较差[4]。互联网技术的发展为传统的导航应用带来了新的契机。具有实时性功能的导航服务逐渐成为当今GNSS发展的热点之一。结合互联网高速数据传输的特点，打破了传统GNSS技术由于接收机的数据传输特征而带来的时空局限性[5-6]。使得观测站的GNSS数据可以高速传输给数据处理中心进行实时处理。为此各接收机厂商分别制定了适用于实时传输GNSS数据的数据格式。另外国际海运事业无线电技术委员会(Radio Technical Commission for Maritime Services，RTCM)提出的GNSS信号差分格式RTCM SC 104也可用于GNSS数据的实时传输[7-9]。

由于数据处理中心接收分布在区域或全球各地的观测站的实时GNSS数据，各个观测站所支持的数据传输格式随接收机厂商或仪器型号的不同而有所差异，因此对于数据处理中心而言，具备实时GNSS数据流管理功能的软件平台就显得尤为重要。本文主要对自主研发的实时GNSS数据流管理平台软件的实现及应用进行介绍，该软件可通过网络与观测站建立连接，获取实时GNSS数据流，支持TCP/IP 和 NTRIP通信协议， 并支持解码多种数据

传输格式，可对各个测站发送的实时GNSS数据流进行有效管理。

一、软件概述

实时GNSS数据流管理平台软件主要功能分为以下两大部分。

1) 实时GNSS数据流转发子程序：接收观测站推送的实时GNSS数据流，同时具备接受第三方用户请求的能力，并转发数据流。

2) 实时GNSS数据流接收子程序：从实时GNSS数据流转发子程序接收转发的实时GNSS数据流或直接从观测站接收，并对数据流进行解码、转存等工作。

实时GNSS数据流管理平台软件采用C/S(Client/Server)架构设计。后端服务能够以控制台方式或Windows服务方式在系统后台运行，前端用户界面可通过网络TCP/IP通信与后端服务进行交互，界面程序可运行在任何能够与后端服务建立网络连接的电脑上，且支持多个界面程序同时运行，后端服务负责保证多个前端用户界面数据的一致性。

该平台软件的运行环境为Windows平台，能够支持Windows 2003、NT、XP及以上版本，运行需要.NET Framework4.0或以上版本，同时支持32位和64位的操作系统。

三、软件体系结构

平台软件体系可划分为配置信息管理模块、实时数据流接收模块、实时数据流解码模块、实时数据流汇集模块、实时数据流发布模块和实时数据流统计模块等。

配置信息管理模块用于对其他模块的设置信息进行配置和管理操作，包括测站信息的添加、编辑和删除等操作；实时数据流接收模块通过网络与观测站建立连接，获取实时GNSS数据流，支持TCP/IP通信协议、NTRIP通信协议，并根据系统参数设置稳定地接收各个测站的实时GNSS数据，异常发生时产生相应的日志记录，并负责软件与数据源的断开重连机制；实时数据流解码模块基于正确的协议格式，适配相应的解析器用于解析数据流，对特定数据格式的数据流进行解码，获取卫星导航星历、观测数据、气象数据等信息，可支持RTCM3.X、BINEX(BINary EXchange)及多种接收机自定义格式的解码；实时数据流汇集模块将卫星导航星历、观测数据、气象数据等信息按照指定的采样间隔以RINEX3.02文件格式保存成RINEX文件或直接保存原始数据格式的二进制文件，更新时间15 min；实时数据流发布模块接收第三方用户请求，并进行身份认证，通过认证后，基于TCP/IP或NTRIP协议，为其提供实时数据服务，转发观测站的原始实时数据流或以RTCM3.X格式进行重编码后的实时数据流，否则拒绝连接申请，保证数据不被非法请求访问，另外，实时数据流发布模块还可将所接收到的所有测站的同一历元GNSS数据进行合并，以指定端口输出的方式播发软件解码后的ASCII格式数据；实时数据流统计模块用于对各个测站的丢包率、传输时延等信息进行统计。

四、软件实现及应用

实时GNSS数据流管理平台软件基于C#编程实现。软件的核心是建立稳定的实时数据流连接，并对二进制实时GNSS数据流进行正确的解码。图1为建立数据流连接的流程图，图2为进行数据解码的流程图。

在数据解码模块实现过程中，平台软件采用面向接口的设计理念，软件中实时GNSS数据流的具体实现类都继承自IParser接口，不同的数据流解析器实例的创建通过ParserFactory工厂类统一维护创建。IRinexDecoder接口接收IParser接口分割的完整的数据包，并进行相应的CRC校验，再根据数据包中消息类别，通过RinexFactory工厂类创建IRinex接口的具体实例。由IRinex派生出EPEHM类、RANGE类、RinexAdapter适配器类等描述具体类别信息的子类。其他相关子类可通过继承EPHEM、RANGE、RinexAdapter等实现。采用面向接口的设计理念，仅需实现对信息本身感兴趣的子类，减少重复编码工作，保证系统的灵活性及可拓展性，最大化地保持系统的稳定运行。图3为部分解析器子类的实现结构关系图。

图1　建立数据流连接流程

图2　数据流解码流程

图3　部分解析器子类的实现结构关系

在软件架构上，实时GNSS数据流管理平台软件采用CS架构设计，后端服务与前端管理界面相分离，二者通过网络TCP/IP进行通信，大大增加了平台软件的管理灵活性。图4为后端服务子程序以Windows服务形式启动运行图。图5为前端管理子程序的登录界面。通过界面登录，与后端服务子程序建立网络连接，管理人员可以通过管理界面进行查看、增删、权限分配等管理操作。且操作完毕后关闭前端界面程序不会影响后端服务的正常运行。通过界面的实时显示，管理人员可以直观地查看各观测站实时GNSS数据流的相关信息，包括测站位置地图显示、测站星空视图、各卫星系统的可视卫星数、卫星高度角、方位角、信噪比等信息，如图6所示。

图4　后端服务子程序以Windows服务形式启动

图5　前端登录界面

图6　前端管理界面实时流信息的实时显示

管理平台软件对外提供两种形式的数据访问服务：一种为通过NTRIP协议用户直接接收软件转发的观测站原始实时GNSS数据流或软件以RTCM3.X格式进行重编码后的实时数据流；另一种为通过TCP/IP协议用户接收软件解码后的ASCII格式数据。作为数据流管理平台，软件可对用户的数据访问权限进行控制，可限制用户接收不公开测站的实时数据流。图7为通过BNC(BKG Ntrip Client)软件[10]接收管理平台转发的观测站原始数据流，图8为通过浏览器访问管理平台软件解码后的ASCII格式数据。

图7　BNC软件接收管理平台转发的指定测站的RTCM数据流

图8　通过浏览器访问管理平台软件解码后的ASCII格式数据

该平台软件已在国际GNSS监测评估系统(International GNSS Monitoring and Assessment System，iGMAS)中的各家数据中心及分析中心的实时GNSS数据流管理任务中得到应用。以武汉数据中心为例，实时GNSS数据流管理平台软件通过网络连接国内外的全球连续监测评估系统跟踪站，获取实时GNSS数据流，将汇聚后的实时GNSS数据流提供给数据分析中心进行实时处理。该平台软件还对各跟踪站实时GNSS数据流每天的丢包率及平均时延等信息进行统计，并将每天的统计结果自动发送给运行管理中心。

五、结束语

本文主要对自主开发的实时GNSS数据流管理平台的实现及应用进行了介绍。平台软件在代码实现上采用面向接口的编程理念，仅需实现对信息本身感兴趣的子类，减少重复编码工作，保证系统的灵活性及可拓展性，最大化地保持系统的稳定运行；在软件架构上采用C/S架构设计，后端服务与前端管理界面相分离，二者通过网络TCP/IP进行通信，大大增加了平台软件的管理灵活性；在功能实现上通过网络与观测站建立连接，获取实时GNSS数据流，支持TCP/IP通信协议、NTRIP通信协议，并支持解码多种数据传输格式，可对各测站所发送的实时GNSS数据流进行有效管理，并为后续的数据实时处理工作提供数据支撑。该软件已在我国所发起的国际GNSS监测评估系统建设中得到了应用。

参考文献：

[1]李征航, 黄劲松. GPS测量与数据处理[M]. 武汉:武汉大学出版社, 2005：182-201.

[2]王惠南. GPS导航原理与应用[M]. 北京:科学出版社, 2003.

[3]周忠谟,易杰军,周琪. GPS卫星测量原理与应用[M]. 北京:测绘出版社, 1992.

[4]刘大杰, 施一民, 过静君. 全球定位系统(GPS)的原理与数据处理[M]. 上海:同济大学出版社,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]刘科, 聂桂根, 范叹奇. 基于Ntrip协议的差分数据实时传输平台及定位研究[J]. 测绘信息与工程, 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]刘智敏, 林文介, 唐卫明. GPS 差分协议RTCM电文分析与应用[J]. 桂林工学院学报, 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.

中图分类号：P208

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2016)04-0092-04

作者简介：蒋科材(1900—)，男，硕士生，主要从事低轨卫星定轨研究。E-mail：kc.jiang@whu.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金(41374034)；国家863计划(2014AA123101)；国际GNSS监测评估(iGMAS)项目

收稿日期：2015-08-10

引文格式： 蒋科材，屈利忠，赵齐乐. 实时GNSS数据流管理平台的实现及应用[J].测绘通报，2016(4)：92-95.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0130.