GNSS电离层TEC和闪烁接收机监测软件设计与实现

王丽芝

(青岛杰瑞自动化有限公司,山东 青岛, 266107)



GNSS电离层TEC和闪烁接收机监测软件设计与实现

王丽芝

(青岛杰瑞自动化有限公司,山东 青岛, 266107)

全球卫星导航系统(GNSS)具备全球覆盖、高精度测量等优势,利用GNSS卫星信号进行电离层探测成为世界各国的重要发展方向。针对基于GNSS信号的电离层TEC和闪烁监测的设计要求,本文给出了GNSS电离层TEC和闪烁接收机监测软件的整体设计和详细设计,相关工作可为GNSS电离层TEC和闪烁接收机的研制提供较好的参考。

GNSS;TEC;电离层闪烁

0 引 言

电离层作为地球空间环境的重要组成部分,对各类无线电信息系统具有不可忽视的影响效应,获取精确的电离层参量是实现电离层效应消除和减缓的必要条件之一[1]。由于全球卫星导航系统(GNSS)具备全球覆盖、高精度测量的特点,利用GNSS卫星信号进行电离层探测成为世界各国的重要发展方向。利用GNSS卫星双频测量可以实现对电离层TEC、电离层闪烁的监测,并进一步反演获得电离层电子密度、电离层不均匀体参量等环境参数,从而实现对电离层环境影响效应的预报和预警[2]。

随着全球GNSS系统的进一步发展及我国北斗系统的建设运行,开发多GNSS系统电离层TEC和闪烁接收机成为电离层探测领域的重要发展趋势,其中GNSS电离层TEC和闪烁接收机监测软件的研制是实现GNSS信号监测及数据处理的重要途径。本文将重点对GNSS电离层TEC和闪烁接收机监测软件的整体设计思路和具体设计进行介绍。

1 软件设计要求

电离层TEC和闪烁监测软件可流畅、完整的处理串口数据、网络数据进行有效的综合分析和模型演算及存储相关数据;各模块具有良好的独立性和易操作的接口;具有良好的稳定性、兼容性及可维护性。

电离层TEC和闪烁监测软件设计以方便、实用、自动化为准则,均为自动化操作。具体要求如下:

1) 电离层TEC和闪烁监测软件的总体设计采用自顶向下的结构化设计,尽量做到高内聚、低耦合;

2) 内部接口的设计要简洁、清晰、有效,能够按统一的标准的协议进行编写;

3) 同时需要执行四个数据采集模块,有效地控制监控终端CPU和内存的占有量,保证数据接收的实时性和有效性;

4) 生成结果文件及其结果应如实表现;

5) 外部接口定义清楚,能实时上传接收及计算的相关数据,并准确校正终端时间。

2 软件的整体设计

GNSS电离层TEC和闪烁监测软件具有进行实时数据观测、TEC计算、闪烁计算、数据存储、数据回放等几项大的功能,因此本文首先对GNSS电离层TEC和闪烁监测软件进行整体设计。

2.1 软件功能

电离层TEC和闪烁监测软件放置在上位机中,主要是通过串口采集BD、GPS、GLONASS和GALILEO四个系统的观测数据,通过电离层参量提取算法计算出相应的闪烁指数和TEC数值,并将闪烁指数数据、TEC数据和原始观测数据,通过特定的格式进行存储;电离层TEC和闪烁监测软件能实时将所观测的数据通过FTP和TCP/IP两种形式进行数据上传。

电离层TEC和闪烁监测软件无需其它人工干预。即便因意外断电致使观测中断,重新加电后,系统可自动重新开始观测,除断电期间外不会造成其它历史观测数据的丢失或损毁。软件可流畅、完整的处理从串口接收缓存得到的数据,如实的显示及存储;能够回放特定时间内的闪烁数据;保证各模块具有良好的独立性和易操作的接口;具有良好的稳定性、兼容性及可维护性;软件界面美观、易操作等。

2.2 软件组成

电离层TEC和闪烁监测软件以独立的可执行程序形式存在,设计由六个模块组成:分别为参数设定模块、底层控制模块、实时消息接收模块、实时数据显示模块、实时状态显示模块和网络传输模块。每个模块的具体功能如下:

1) 参数设定模块:设定软件所需的相关信息,如:接收数据所用串口编号、波特率、单站测站名称、测站ID、FTP服务器IP、用户名、密码等信息。

2) 底层控制模块:接收BD、GPS、GLONASS和GALILEO系统数据;采集、分析和存储原始数据、计算和存储闪烁指数和TEC数据;

3) 实时消息接收模块:用于接收BD、GPS、GLONASS和GALILEO各系统底层控制模块的消息;

4) 数据显示模块:可实时显示各系统所观测的数据状态,包括:原始数据、卫星位置、电离层TEC及闪烁等数值,也可对历史数据进行回放;

5) 实时状态显示模块:可显示各个系统状态,并给与文字及声音报警;

网络传输模块:通过FTP及TCP/IP协议,进行数据传输[3]。

3 软件的详细设计

3.1 软件数据处理流程

电离层TEC和闪烁监测软件以独立的可执行程序存在,放置上位机中,通过连接GNSS电离层TEC和闪烁接收机,以实现数据接收、处理、计算、存储、数据上传、显示和回放等过程,其基本数据流如图1所示。

图1 电离层TEC和闪烁监测软件处理流程

3.2 软件功能模块及运行优先级别划分

为保证软件的正常运行,需要对软件的功能模块及运行的优先级别进行合理定义。电离层TEC和闪烁监测软件功能模块划分及相应的优先级别如表1所示。

表1 监测软件功能模块划分

续表

3.3 数据存储结构的设计

电离层TEC和闪烁监测软件所生成的数据文件可分为十二种:分别为BD系统TEC数据文件、BD系统闪烁指数文件、BD系统原始数据文件、GPS系统TEC数据文件、GPS系统闪烁指数文件、GPS系统原始数据文件、GLONASS系统TEC数据文件、GLONASS系统闪烁指数文件、GLONASS系统原始数据文件、GALILEO系统TEC数据文件、GALILEO系统闪烁指数文件和GALILEO系统原始数据文件,以上十二种数据文件都以十六进制的形式进行存储(减少数据文件存储空间)。

各系统的TEC数据文件每月一个闪烁数据文件,其数据格式为特定十六进制,其命名规则如表2所示。

表2 TEC数据文件命名

各系统的闪烁数据文件每月一个闪烁数据文件,其数据格式为特定十六进制,其命名规则如表3所示。

表3 闪烁指数数据文件命名

各系统的原始数据文件每天一个原始数据文件,其数据格式为特定十六进制,其命名规则如表4所示。

表4 原始数据文件命名

3.4 软件界面的设计

电离层TEC和闪烁监测软件采用三个原则[4]进行界面设计:置界面于用户的控制之下、减少用户的记忆负担和保持界面的一致性。

图2示出了电离层TEC和闪烁监测软件的主界面,该部分可分别显示各个系统的卫星轨迹分布图、原始数据显示图、TEC数据显示图及闪烁指数显示图。

图2 电离层TEC和闪烁监测软件主界面

图3示出了电离层TEC和闪烁监测软件产品数据回放的界面,该部分可回放任意时间段任意系统的闪烁指数和TEC值。

图3 产品数据回放界面

图4示出了电离层TEC和闪烁监测软件原始数据回放的界面,该部分可回放任意时间段任意系统的单颗卫星的原始数据。

图4 原始数据回放界面

图5示出电离层TEC和闪烁监测软件数据转换的界面,该部分可将所观测存储的各种十六进制数据文件转换为可视的十进制数据文件。

图5 数据转换软件界面

4 结束语

随着GNSS系统的不断推广和应用,利用GNSS无线电信号进行电离层探测已经日益成为国内外发展的重要技术手段之一。本文针对基于GNSS信号的电离层TEC和闪烁监测软件的设计要求,给出了监测软件的整体设计和详细设计,相关工作可为GNSS电离层TEC和闪烁接收机的研制提供较好的参考。

[1] 熊年禄、唐存琛，李行健，等 电离层物理概论[M].武汉:武汉大学出版社,1999.

[2] 李天文.GPS原理及其应用[M]. 北京:科学出版社,2003.

[3] 罗莉琴,詹祖桥. Windows网络编程[M].北京:人民邮电出版社,2009:95-169.

[4] HOLZNER S. Visual C++6.0高级编程范例[M] . 潇湘工作室译.北京:人民邮电出版社,2012:378-381.

Design of Monitoring Software for GNSS Ionospheric TEC and Scintillation Receiver

WANG Lizhi

(QingdaoJariAutomationCompanyLTD,Qingdao266107,China)

GNSS has been widely used because of its world-wide coverage and high accuracy measurements. Observing the ionosphere with signal of Globlal Navigation Satellite System (GNSS) has becomes an important way for ionospheric study. According to the design requirements of ionospheric Total Electron Content (TEC) and scintillation monitoring equipment based on GNSS signal, the overall design and detailed design of monitoring software for GNSS ionospheric TEC and scintillation receiver is given in this paper. Results can be taken as reference for development of ionospheric TEC and scintillation monitoring system.

GNSS; TEC; ionospheric scintillation

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.012

2017-02-14

P228.4

A

1008-9268(2017)02-0055-04

王丽芝 (1979-),女,工程师,主要研究方向为卫星导航。

联系人: 王丽芝E-mail:tianbao_2000@163.com