基于C#與FORTRAN混合編程的精密單點(diǎn)定位軟件研制

彭秀英，王宗強(qiáng)，張尊良

（中國石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580）

FORTRAN是一種非常適合科學(xué)計(jì)算的底層程序開發(fā)語言，擁有強(qiáng)大的程序集和計(jì)算類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)值計(jì)算速度快，在GPS定軌和定位軟件開發(fā)中應(yīng)用廣泛。C#是目前最新的一種基于.NET平臺(tái)的面向?qū)ο箝_發(fā)語言，具有強(qiáng)大的界面開發(fā)平臺(tái)，適用于交互式圖形界面的系統(tǒng)開發(fā)［1］。因此，基于C#與FORTRAN語言的混合編程技術(shù)，充分利用兩種語言各自的優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)勢互補(bǔ)，可以開發(fā)出既具有高效計(jì)算能力又具有友好界面的應(yīng)用程序軟件，如數(shù)值仿真系統(tǒng)［2］、土木工程計(jì)算［3］、地震速度分析［4］等。

精密單點(diǎn)定位（Precise Point Positioning，PPP）技術(shù)采用精密衛(wèi)星星歷和鐘差以及一臺(tái)GPS雙頻接收機(jī)的偽距和載波相位觀測值，單機(jī)即可實(shí)現(xiàn)從毫米到厘米級(jí)的靜態(tài)定位以及厘米到分米級(jí)的動(dòng)態(tài)定位［5－7］。PPP技術(shù)無需建立基準(zhǔn)站，不受作用距離的限制，目前已成為GPS精密定位和導(dǎo)航的重要手段，在GPS氣象學(xué)、地震形變監(jiān)測、遠(yuǎn)程海上動(dòng)態(tài)精密定位等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前，國際上著名的幾個(gè)定軌/定位軟件如GIPSY、BERNESE、EPOS等均具有精密單點(diǎn)定位功能，國內(nèi)武漢大學(xué)研制的PANDA軟件［8］和TRIP軟件［9］，也均實(shí)現(xiàn)了精密單點(diǎn)定位的數(shù)據(jù)處理。筆者在已有精密單點(diǎn)定位FORTRAN程序的基礎(chǔ)上，基于C#與FORTRAN混合編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精密單點(diǎn)定位軟件的研制。采用txt文件進(jìn)行控制參數(shù)信息的傳遞以及基于數(shù)組的字符串傳遞方法，很好地解決了PPP軟件輸入?yún)?shù)多、參數(shù)傳遞中容易出錯(cuò)等問題。利用IGS跟蹤站數(shù)據(jù)，采用研制的精密單點(diǎn)定位軟件，對(duì)PPP單天解的精度進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 C#與FORTRAN混合編程的關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)C#和FORTRAN混合編程，常用的方法是將FORTRAN控制臺(tái)應(yīng)用程序編制成動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）文件，用C#開發(fā)友好的用戶界面，并調(diào)用該DLL文件實(shí)現(xiàn)混合編程。由于C#和FORTRAN語言有著許多各自不同的約定（如命名約定、函數(shù)調(diào)用、參數(shù)傳遞約定等），因此在實(shí)現(xiàn)C#與FORTRAN的混合編程時(shí)，必須統(tǒng)一這些基本約定［1－4］。本文基于C#與FORTRAN混合編程，實(shí)現(xiàn)精密單點(diǎn)定位軟件的研制，其基本流程如圖1所示。

圖1 軟件基本流程

在精密單點(diǎn)定位的數(shù)據(jù)處理中，需輸入較多的控制參數(shù)信息，如GPS觀測值數(shù)據(jù)文件、接收機(jī)天線類型和天線高信息、IGS精密星歷與鐘差產(chǎn)品的類型和采樣間隔、定位類型（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)，陸地、水上、空中）、衛(wèi)星截止高度角、GPS原始數(shù)據(jù)采樣率、數(shù)據(jù)處理間隔、數(shù)據(jù)處理的時(shí)間窗口（起始?xì)v元和結(jié)束歷元）等。上述控制參數(shù)和字符串的傳遞是實(shí)現(xiàn)C#與FORTRAN混合編程的關(guān)鍵。在FORTRAN語言編制的精密單點(diǎn)定位程序中，上述信息是以控制參數(shù)文件（＊.txt）的形式，傳遞給FORTRAN程序調(diào)用的。因此，采用C#與FORTRAN語言混合編程時(shí)，本文仍然利用txt文件實(shí)現(xiàn)精密單點(diǎn)定位中眾多控制參數(shù)信息的快速傳遞，并采用數(shù)組形式進(jìn)行C#與FORTRAN之間的字符串傳遞，從而很好地解決了傳遞參數(shù)多、容易出錯(cuò)等問題。

1.1 基于txt文件的快速參數(shù)傳遞

首先，將精密單點(diǎn)定位所需控制參數(shù)信息通過C#開發(fā)的交互式圖形界面?zhèn)鬟f給軟件；然后，利用C#語言將傳遞進(jìn)來的控制參數(shù)信息輸出并寫入控制參數(shù)文件（＊.txt）；最后，由C#調(diào)用定位模塊（FORTRAN動(dòng)態(tài)鏈接庫），從txt文件中讀取定位所需控制參數(shù)信息，從而實(shí)現(xiàn)C#到FORTRAN動(dòng)態(tài)鏈接庫的快速參數(shù)傳遞。

由于需要使用C#的文件操作函數(shù)，因此需要使用命名空間using System.IO，該命名空間包含允許讀寫文件和數(shù)據(jù)流的一些操作方法。

具體程序?qū)崿F(xiàn)如下：

1）利用C#語言，讀取“設(shè)置”窗口中所輸入的控制參數(shù)值（所有的控制參數(shù)全部寫到一個(gè)類里面，并定義成靜態(tài)類方便后面調(diào)用）。

列舉3種范例：

controlPara.CutoffAngle＝double.Parse（textBox1.Text）；%截止高度角

controlPara.AntTypeFile＝this.comboBox1.Text；%天線類型

if（radioButton13.Checked）

｛

controlPara.PositioningType＝0；%定位類型

｝

2）利用新建工程地址和觀測值文件地址，得到控制參數(shù)文件（＊.txt）的地址和名稱。實(shí)現(xiàn)語句如下：

string controlfilename＝"control＿parameter＿"＋controlPara.ObsFile＋".txt"；

controlPara.Ctr＿FileName＝dz5＋controlfilename；

3）利用C#語言，將控制參數(shù)信息輸出并寫入上述控制參數(shù)文件（＊.txt）。輸出的txt文件可為定位模塊（FORTRAN動(dòng)態(tài)鏈接庫）提供定位所需的控制參數(shù)信息，從而快速實(shí)現(xiàn)C#到FORTRAN的參數(shù)傳遞。

部分代碼如下：

StreamWriter outputstream＝File.Create－Text（＠controlPara.Ctr＿FileName）；

outputstream.WriteLine（"PPP control parameter"）；

使用上述基于txt文件的參數(shù)傳遞方法，在制作和調(diào)用FORTRAN動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）文件時(shí)，可以避免許多由參數(shù)類型和長度而引起的混亂，且該方法可以實(shí)現(xiàn)修改較少代碼就能輕松實(shí)現(xiàn)混合編程的功能。此方法也可以用于C#和Matlab等語言的混合編程，同時(shí)給其他語言之間的混合編程提供了借鑒。

1.2 基于數(shù)組形式的字符串傳遞

C#語言使用＼O表示字符串的結(jié)束，而FORTRAN語言采用最右端添加空格的方式表示字符串的結(jié)束，并在最右端使用一個(gè)隱藏的參數(shù)表示字符串的實(shí)際長度。因此在兩種語言間傳遞字符串時(shí)極易出錯(cuò)。本文采用了基于數(shù)組形式的字符串傳遞，該方法簡單而實(shí)用。

1）在C#中將字符串分割為字符數(shù)組，再將字符數(shù)組轉(zhuǎn)換為ASCII碼數(shù)組，然后傳遞給FORTRAN語言。

部分代碼如下：

string c＝controlPara.Ctr＿FileName；

ASCIIEncoding ascii＝new ASCIIEncoding（）；

int［］num＝new int［c.Length］；

for（int i＝0；i＜c.Length；i＋＋）

｛

num［i］＝（int）ascii.GetBytes（c）［i］；

｝

執(zhí)行上述代碼，即可把控制參數(shù)txt文件地址和名稱字符串進(jìn)行轉(zhuǎn)換，放在ASCII碼數(shù)組num［］中。

2）在FORTRAN中利用char（）函數(shù)將ASCII碼數(shù)組還原為字符串。

部分代碼如下：

character（m）：：str

dimension num（m）

integer i

do i＝1，m

str（i：i）＝char（num（i））

end do

執(zhí)行上述代碼，即可將ASCII碼數(shù)組還原為字符串，從而得到控制參數(shù)txt文件的地址和名稱。

1.3 動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）文件的制作和調(diào)用

在FORTRAN語言中，將精密單點(diǎn)定位FORTRAN程序以子程序進(jìn)行編譯，生成可以在C#中調(diào)用的動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）文件。在FORTRAN子程序中需要進(jìn)行以下說明：

！DECMYM ATTRIBUTES DLLEXPORT：：PPP

！DECMYM ATTRIBUTES ALIAS：＇UNIP＇：：PPP

這是FORTRAN制作DLL文件和編寫一般FORTRAN程序的根本區(qū)別，即在程序代碼中要說明哪些函數(shù)可以被外界調(diào)用。

在C#平臺(tái)中調(diào)用FORTRAN動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）文件，即可執(zhí)行軟件的精密單點(diǎn)定位功能。

1）須把制作的FORTRAN動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）文件，拷貝到C#應(yīng)用程序目錄的bin文件夾下的Debug中，以保證該DLL文件在調(diào)用目錄下。

2）創(chuàng)建一個(gè)新類calldll，用于存放調(diào)用DLL的聲明語句，以方便DLL文件的調(diào)用。

public static class calldll

｛

［DllImport（"PPP.dll"，SetLastError＝true，CharSet＝CharSet.Unicode，CallingConvention＝CallingConvention.StdCall）］

public static extern void PPP（ref int ka，ref int m）；

｝

這樣也方便調(diào)用多個(gè)DLL，只要在這個(gè)類中加兩句聲明即可。

3）在C#中調(diào)用FORTRAN動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）文件

calldll.PPP（ref num［0］，ref m）；

直接調(diào)用即可，需要注意的是函數(shù)名要大寫，傳遞的變量要與聲明中相對(duì)應(yīng)。

2 精密單點(diǎn)定位軟件的精度驗(yàn)證

精密單點(diǎn)定位軟件的主界面如圖2所示，其核心部分為“數(shù)據(jù)處理”菜單，具體包括“設(shè)置”和“處理”兩項(xiàng)。“設(shè)置”要求用戶輸入精密單點(diǎn)定位所需的所有控制參數(shù)信息，彈出窗口如圖3所示。

圖2 軟件主界面

圖3 控制參數(shù)設(shè)置

輸入控制參數(shù)后，然后點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)處理”菜單中的“處理”選項(xiàng)，軟件即可自動(dòng)進(jìn)行精密單點(diǎn)定位的數(shù)據(jù)處理，最后將定位結(jié)果輸出并保存在文本文件中。

為了驗(yàn)證精密單點(diǎn)定位（PPP）軟件的定位精度，本文基于IGS事后精密星歷和鐘差產(chǎn)品，利用IGS跟蹤站實(shí)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行了靜態(tài)PPP數(shù)據(jù)處理。以IGS發(fā)布的跟蹤站周解（三維地心坐標(biāo)）為參考值，對(duì)PPP單天解的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。同時(shí)，以跟蹤站周解坐標(biāo)位置為原點(diǎn)，將PPP單天解的三維地心坐標(biāo)（X，Y，Z）轉(zhuǎn)換為站心坐標(biāo)（N，E，U），從而對(duì)PPP單天解的平面位置和高程方向的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。以chan（長春）、shao（上海）為例，各站點(diǎn)單天解的真誤差和均方根差（RMS）統(tǒng)計(jì)，詳見表1。

表1 PPP單天解的誤差統(tǒng)計(jì) m

由表1可知：相對(duì)于IGS發(fā)布的跟蹤站周解坐標(biāo)，各站點(diǎn)PPP單天解坐標(biāo)在X，Y，Z或N，E，U方向的誤差大部分都小于1cm，其均方根差（RMS）均優(yōu)于1cm，與國內(nèi)外其他較為成熟的PPP軟件的精度相當(dāng)［8］。其中N方向的RMS較小，而E，U方向的RMS稍大；分析其原因主要與GPS觀測值誤差改正模型精度以及PPP相位模糊度浮點(diǎn)解有關(guān)，采用PPP相位模糊度固定技術(shù)可進(jìn)一步提高E坐標(biāo)方向的精度［10］。

3 結(jié)束語

基于C#與FORTRAN混合編程技術(shù)可以充分利用C#和FORTRAN語言各自的優(yōu)點(diǎn)，使開發(fā)的軟件既具有高效的計(jì)算性能又具有友好的交互界面。本文采用基于txt文件的快速參數(shù)傳遞和基于數(shù)組形式的字符串傳遞方法，很好地解決了精密單點(diǎn)定位中眾多控制參數(shù)的傳遞問題，可為其他專業(yè)應(yīng)用軟件的開發(fā)提供借鑒。

［1］林國勇，董洵，吳婉凡.在.NET平臺(tái)下C#和FORTRAN的混合語言編程［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2003（9）：58－60.

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［8］施闖，趙齊樂，樓益棟，等.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)綜合分析處理軟件PANDA及研究進(jìn)展［J］.航天器工程，2009，18（4）：64－70.

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［10］GE M，GENDT G，ROTHACHER M，et al.Resolution of GPS carrier－phase ambiguities in precise point positioning（PPP）with daily observations［J］.J Geod，2008，82（7）：389－399.