多源導(dǎo)航星歷的統(tǒng)一化建模實(shí)現(xiàn)＊

陳正生，崔 陽

（信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州450052）

0 引 言

多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的相續(xù)建設(shè)和投入使用，為廣大的導(dǎo)航定位用戶帶來了更多的選擇，也為導(dǎo)航定位服務(wù)的提升帶來了可能。由于不同的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在設(shè)計理念、軌道、頻率等多方面存在著諸多差異，使得多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的集成應(yīng)用變得困難。目前多個系統(tǒng)的綜合應(yīng)用研究是一大熱點(diǎn)[1－2]。對數(shù)據(jù)處理而言，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的差異主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的異構(gòu)性上。在統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換格式方面，瑞士伯爾尼大學(xué)的天文學(xué)院提出的與接收機(jī)無關(guān)的交換格式（RINEX），并且在這方面做了大量的工作，已經(jīng)成為導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。RINEX整合了接收機(jī)的異同，但是無法屏蔽不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號差異。其采取的辦法是針對不同的系統(tǒng)設(shè)計不同的格式。為了屏蔽星歷文件的差異，美國大地測量局（NGS）提出標(biāo)準(zhǔn)軌道格式，目前使用最廣泛的是SP3。同時國際GPS服務(wù)（IGS）在其網(wǎng)站上將事后處理的精密星歷數(shù)據(jù)以SP3文件格式發(fā)布。眾多不同格式的星歷數(shù)據(jù)源，為導(dǎo)航衛(wèi)星星歷的使用者帶來了極大的不便，并且這些離散存儲的導(dǎo)航星歷通常并不能直接使用，還需要做進(jìn)一步的解算。為方便多導(dǎo)航系統(tǒng)的集成研究和應(yīng)用，有必要建立統(tǒng)一的導(dǎo)航星歷數(shù)據(jù)源模型。

1 導(dǎo)航星歷數(shù)據(jù)的異構(gòu)性

導(dǎo)航衛(wèi)星星歷信息是GNSS數(shù)據(jù)解算的基本信息之一，包含導(dǎo)航衛(wèi)星在某一時刻的位置、運(yùn)行狀態(tài)、衛(wèi)星鐘等信息。導(dǎo)航衛(wèi)星星歷的異構(gòu)性主要體現(xiàn)在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星歷信號的差異及其記錄格式的差異。目前，比較著名的導(dǎo)航系統(tǒng)有GPS、GLONASS、GALILEO、COMPASS及一些區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)（SBAS），由于這些系統(tǒng)涉及不同國家或地區(qū)、系統(tǒng)設(shè)計各異，并且花費(fèi)巨大，要想統(tǒng)一其星歷數(shù)據(jù)格式和內(nèi)容是不太可能的。另外，由于導(dǎo)航衛(wèi)星星歷的發(fā)播機(jī)構(gòu)和發(fā)播時間不同，其數(shù)據(jù)格式也存在著差異性，如GPS發(fā)播的是衛(wèi)星軌道根數(shù)，而GLONASS則是衛(wèi)星的瞬時位置，IGS數(shù)據(jù)服務(wù)中心定期發(fā)布導(dǎo)航衛(wèi)星的精密星歷是SP3文件格式。目前各機(jī)構(gòu)的星歷數(shù)據(jù)主要以單文件形式進(jìn)行存儲和發(fā)布。這些文件形式存儲的星歷數(shù)據(jù)在采用基準(zhǔn)、記錄格式、記錄內(nèi)容、采樣率、發(fā)布時間、計算精度等方面都存在著差異，如表1所示。

除以上差異外，星歷數(shù)據(jù)源還有以其它方式進(jìn)行表達(dá)和存儲的，如關(guān)系數(shù)據(jù)庫、二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件等。這些數(shù)據(jù)源在表達(dá)和存儲方式各有特點(diǎn)，可以滿足不同階段和層次的存儲需求，但是從星歷使用者角度來看，這些異構(gòu)的星歷數(shù)據(jù)源大大地加大了其使用難度，并且這些數(shù)據(jù)源通常還需要進(jìn)行復(fù)雜的計算才能使用。如GPS廣播星歷參數(shù)包括基本開普勒軌道參數(shù)和一些攝動系數(shù)，用戶必須由上述參數(shù)才可以計算衛(wèi)星在地心地固坐標(biāo)系中的位置[3－4]；精密星歷則是以 SP3文件記錄衛(wèi)星每15 min的三維軌道坐標(biāo)，用戶必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄M合或差值才能使用[5－6]。而一般用戶并不在意這些底層的數(shù)據(jù)格式、存儲類型，也不愿意去實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的算法，而只在乎星歷信息的本身，包含指定衛(wèi)星的瞬時坐標(biāo)和鐘差，即星歷服務(wù)與星歷接口。

2 接口的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 星歷服務(wù)接口設(shè)計

接口采用統(tǒng)一建模語言（UML）進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。首先設(shè)計服務(wù)類接口IEphemerisService和星歷信息接口IEphemerisInfo，如圖1所示。服務(wù)類對外提供星歷服務(wù)，包含數(shù)據(jù)源和獲取星歷信息的方法。星歷信息接口包含一顆衛(wèi)星的GPS時刻，衛(wèi)星坐標(biāo)、速度、鐘差、鐘漂。其中衛(wèi)星標(biāo)識以PRN表示，包含了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星編號。

圖1 星歷服務(wù)和星歷信息接口

2.2 數(shù)據(jù)源接口設(shè)計

星歷數(shù)據(jù)源接口為IEphemerisDataSource，與文件、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)三種數(shù)據(jù)源接口建立繼承關(guān)系，分別為 IFileEphemerisDataSource、IDatabaseEphemerisDataSource和INetEphemerisDataSource.另外數(shù)據(jù)源有單源和多數(shù)據(jù)源之分，因此定義接口IEphemerisDataSourceCollection表示多源星歷數(shù)據(jù)，并令其繼承ICollection＜IEphemerisData－Source＞集合接口，同時該集合接口也是屬于數(shù)據(jù)源，因此也繼承自IEphemerisDataSource，其繼承關(guān)系類圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)源接口設(shè)計

對于文件數(shù)據(jù)源以抽象類FileEphemeris－DataSource表示，其為IFileEphemerisDataSource接口的實(shí)現(xiàn)，封裝了常用的文件相關(guān)屬性和方法。GPS導(dǎo)航文件、GLONASS導(dǎo)航文件和SP3文件都屬于文件類型，分別以 GlonassNavFile、GpsNavFile和SP3File命名，繼承自抽象類FileEphemerisDataSource.多個文件組成的數(shù)據(jù)源FileEphemerisDataSourceCollectio，即實(shí)現(xiàn)文件數(shù)據(jù)源接口IFileEphemerisDataSource也實(shí)現(xiàn)集合接口IEphemerisDataSourceCollection，如圖3所示。

圖3 文件形式的星歷數(shù)據(jù)源

2.3 接口的實(shí)現(xiàn)

定義好各種接口和類之后，就是類中具體方法和屬性的實(shí)現(xiàn)了。不同格式的數(shù)據(jù)源之間的差異被封裝在實(shí)體類中，而外部訪問者只需通過接口調(diào)用。以RINEX表示的GPS導(dǎo)航文件為例，文件記錄衛(wèi)星在某歷元下的軌道根數(shù)、原子鐘、衛(wèi)星狀態(tài)信息等。GpsNavFile類在實(shí)現(xiàn)接口方法GetEphemerisInfo過程中，需要根據(jù)衛(wèi)星編號和請求時刻尋找到相應(yīng)的文件記錄，然后將軌道根數(shù)計算為衛(wèi)星位置；而SP3精密星歷文件的實(shí)現(xiàn)SP3File類，只需要判斷請求時間是否在該文件范圍內(nèi)，再進(jìn)行擬合；對于多個數(shù)據(jù)源組成的集合類型，則需要判斷時段有效性，直接調(diào)用子數(shù)據(jù)源就可以了。這些底層實(shí)現(xiàn)差異是相當(dāng)大的，但是對于以接口訪問的程序是透明的。同樣，如果需要增加其它格式的數(shù)據(jù)源或自定義格式的數(shù)據(jù)源，只要實(shí)現(xiàn)該接口，在工廠方法中注冊該類就可以了，不會影響系統(tǒng)的其它部分。

圖4示出了創(chuàng)建文件數(shù)據(jù)源的工廠方法，采用C＃語言描述，其中 GetFileEphemerisType－FromPath方法的作用是通過文件名稱，即最后一個字符，判斷導(dǎo)航衛(wèi)星星歷文件的類型。

圖4 文件數(shù)據(jù)源的創(chuàng)建

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 應(yīng)用1：同步操作多星歷源

由于屏蔽了底層數(shù)據(jù)格式的差異，基于此模型的應(yīng)用系統(tǒng)可以輕易實(shí)現(xiàn)多種格式的星歷數(shù)據(jù)的同步操作，如衛(wèi)星軌跡分析，可見度分析等。圖5分別示出了三個不同衛(wèi)星系統(tǒng)的導(dǎo)航衛(wèi)星在同一時段的運(yùn)行軌道圖。

圖5 不同系統(tǒng)衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡

3.2 應(yīng)用2：多源星歷服務(wù)系統(tǒng)

基于Web的星歷服務(wù)系統(tǒng)可以通過瀏覽器即時查詢星歷信息。圖6示出了單顆衛(wèi)星星歷服務(wù)界面，用戶只需要輸入衛(wèi)星編號PRN和GPS時間，就可以返回請求衛(wèi)星在當(dāng)前時刻的運(yùn)行狀態(tài)和鐘差信息。而星歷數(shù)據(jù)源的存儲、更新、計算和整合等繁瑣而復(fù)雜的工作，由后臺完成。基于 Web的星歷服務(wù)同時也實(shí)現(xiàn)了面向服務(wù)架構(gòu)（SOA），用戶可直接通過網(wǎng)絡(luò)用程序綁定應(yīng)用，從而進(jìn)行更高層次的開發(fā)和應(yīng)用。

圖6 基于Web的星歷服務(wù)系統(tǒng)

4 結(jié) 論

隨著多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建立和完善，數(shù)據(jù)源異構(gòu)問題已經(jīng)越來越明顯，使得各種系統(tǒng)的集成應(yīng)用越來越困難。針對多星歷數(shù)據(jù)源的問題，設(shè)計的星歷數(shù)據(jù)源統(tǒng)一模型和應(yīng)用接口，從邏輯模型層次屏蔽了底層數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)源的差異，對外以接口形式提供服務(wù)，在此基礎(chǔ)上，可以方便的開展多系統(tǒng)星歷的進(jìn)一步應(yīng)用工作。

[1]王正軍.GPS／GLONASS組合精密單點(diǎn)定位性能分析[J].大地測量與地球動力學(xué)，2012，32（2）：105－109.

[2]張小紅，郭 斐，李星星，等.GPS／GLONASS組合精密單點(diǎn)定位研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版，2010（1）：9－12.

[3]劉偉平，郝金明.一種新的IGS精密星歷插值算法[J].武漢大學(xué)學(xué)報 · 信息科學(xué)版，2011，36（11）：1320－1323.

[4]MONTENBRUCK O，EBERHARD G.Satellite orbits－models，methods，and applications[M].New York：Springer－Verlag，2000.

[5]萬家歡，莊春華，陳秀萬，等.導(dǎo)航衛(wèi)星軌道擬合方法與仿真研究[J].測繪通報，2012（7）：1－5.

[6]崔先強(qiáng)，焦文海，賈小林，等.GPS廣播星歷參數(shù)擬合算法[J].測繪學(xué)院學(xué)報，2004，21（4）：244－249.