GNSS電離層TEC和閃爍接收機監測軟件設計與實現

王麗芝

(青島杰瑞自動化有限公司,山東 青島, 266107)

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GNSS電離層TEC和閃爍接收機監測軟件設計與實現

王麗芝

(青島杰瑞自動化有限公司,山東 青島, 266107)

全球衛星導航系統(GNSS)具備全球覆蓋、高精度測量等優勢,利用GNSS衛星信號進行電離層探測成為世界各國的重要發展方向。針對基于GNSS信號的電離層TEC和閃爍監測的設計要求,本文給出了GNSS電離層TEC和閃爍接收機監測軟件的整體設計和詳細設計,相關工作可為GNSS電離層TEC和閃爍接收機的研制提供較好的參考。

GNSS;TEC;電離層閃爍

0 引 言

電離層作為地球空間環境的重要組成部分,對各類無線電信息系統具有不可忽視的影響效應,獲取精確的電離層參量是實現電離層效應消除和減緩的必要條件之一[1]。由于全球衛星導航系統(GNSS)具備全球覆蓋、高精度測量的特點,利用GNSS衛星信號進行電離層探測成為世界各國的重要發展方向。利用GNSS衛星雙頻測量可以實現對電離層TEC、電離層閃爍的監測,并進一步反演獲得電離層電子密度、電離層不均勻體參量等環境參數,從而實現對電離層環境影響效應的預報和預警[2]。

隨著全球GNSS系統的進一步發展及我國北斗系統的建設運行,開發多GNSS系統電離層TEC和閃爍接收機成為電離層探測領域的重要發展趨勢,其中GNSS電離層TEC和閃爍接收機監測軟件的研制是實現GNSS信號監測及數據處理的重要途徑。本文將重點對GNSS電離層TEC和閃爍接收機監測軟件的整體設計思路和具體設計進行介紹。

1 軟件設計要求

電離層TEC和閃爍監測軟件可流暢、完整的處理串口數據、網絡數據進行有效的綜合分析和模型演算及存儲相關數據;各模塊具有良好的獨立性和易操作的接口;具有良好的穩定性、兼容性及可維護性。

電離層TEC和閃爍監測軟件設計以方便、實用、自動化為準則,均為自動化操作。具體要求如下:

1) 電離層TEC和閃爍監測軟件的總體設計采用自頂向下的結構化設計,盡量做到高內聚、低耦合;

2) 內部接口的設計要簡潔、清晰、有效,能夠按統一的標準的協議進行編寫;

3) 同時需要執行四個數據采集模塊,有效地控制監控終端CPU和內存的占有量,保證數據接收的實時性和有效性;

4) 生成結果文件及其結果應如實表現;

5) 外部接口定義清楚,能實時上傳接收及計算的相關數據,并準確校正終端時間。

2 軟件的整體設計

GNSS電離層TEC和閃爍監測軟件具有進行實時數據觀測、TEC計算、閃爍計算、數據存儲、數據回放等幾項大的功能,因此本文首先對GNSS電離層TEC和閃爍監測軟件進行整體設計。

2.1 軟件功能

電離層TEC和閃爍監測軟件放置在上位機中,主要是通過串口采集BD、GPS、GLONASS和GALILEO四個系統的觀測數據,通過電離層參量提取算法計算出相應的閃爍指數和TEC數值,并將閃爍指數數據、TEC數據和原始觀測數據,通過特定的格式進行存儲;電離層TEC和閃爍監測軟件能實時將所觀測的數據通過FTP和TCP/IP兩種形式進行數據上傳。

電離層TEC和閃爍監測軟件無需其它人工干預。即便因意外斷電致使觀測中斷,重新加電后,系統可自動重新開始觀測,除斷電期間外不會造成其它歷史觀測數據的丟失或損毀。軟件可流暢、完整的處理從串口接收緩存得到的數據,如實的顯示及存儲;能夠回放特定時間內的閃爍數據;保證各模塊具有良好的獨立性和易操作的接口;具有良好的穩定性、兼容性及可維護性;軟件界面美觀、易操作等。

2.2 軟件組成

電離層TEC和閃爍監測軟件以獨立的可執行程序形式存在,設計由六個模塊組成:分別為參數設定模塊、底層控制模塊、實時消息接收模塊、實時數據顯示模塊、實時狀態顯示模塊和網絡傳輸模塊。每個模塊的具體功能如下:

1) 參數設定模塊:設定軟件所需的相關信息,如:接收數據所用串口編號、波特率、單站測站名稱、測站ID、FTP服務器IP、用戶名、密碼等信息。

2) 底層控制模塊:接收BD、GPS、GLONASS和GALILEO系統數據;采集、分析和存儲原始數據、計算和存儲閃爍指數和TEC數據;

3) 實時消息接收模塊:用于接收BD、GPS、GLONASS和GALILEO各系統底層控制模塊的消息;

4) 數據顯示模塊:可實時顯示各系統所觀測的數據狀態,包括:原始數據、衛星位置、電離層TEC及閃爍等數值,也可對歷史數據進行回放;

5) 實時狀態顯示模塊:可顯示各個系統狀態,并給與文字及聲音報警;

網絡傳輸模塊:通過FTP及TCP/IP協議,進行數據傳輸[3]。

3 軟件的詳細設計

3.1 軟件數據處理流程

電離層TEC和閃爍監測軟件以獨立的可執行程序存在,放置上位機中,通過連接GNSS電離層TEC和閃爍接收機,以實現數據接收、處理、計算、存儲、數據上傳、顯示和回放等過程,其基本數據流如圖1所示。

圖1 電離層TEC和閃爍監測軟件處理流程

3.2 軟件功能模塊及運行優先級別劃分

為保證軟件的正常運行,需要對軟件的功能模塊及運行的優先級別進行合理定義。電離層TEC和閃爍監測軟件功能模塊劃分及相應的優先級別如表1所示。

表1 監測軟件功能模塊劃分

續表

3.3 數據存儲結構的設計

電離層TEC和閃爍監測軟件所生成的數據文件可分為十二種:分別為BD系統TEC數據文件、BD系統閃爍指數文件、BD系統原始數據文件、GPS系統TEC數據文件、GPS系統閃爍指數文件、GPS系統原始數據文件、GLONASS系統TEC數據文件、GLONASS系統閃爍指數文件、GLONASS系統原始數據文件、GALILEO系統TEC數據文件、GALILEO系統閃爍指數文件和GALILEO系統原始數據文件,以上十二種數據文件都以十六進制的形式進行存儲(減少數據文件存儲空間)。

各系統的TEC數據文件每月一個閃爍數據文件,其數據格式為特定十六進制,其命名規則如表2所示。

表2 TEC數據文件命名

各系統的閃爍數據文件每月一個閃爍數據文件,其數據格式為特定十六進制,其命名規則如表3所示。

表3 閃爍指數數據文件命名

各系統的原始數據文件每天一個原始數據文件,其數據格式為特定十六進制,其命名規則如表4所示。

表4 原始數據文件命名

3.4 軟件界面的設計

電離層TEC和閃爍監測軟件采用三個原則[4]進行界面設計:置界面于用戶的控制之下、減少用戶的記憶負擔和保持界面的一致性。

圖2示出了電離層TEC和閃爍監測軟件的主界面,該部分可分別顯示各個系統的衛星軌跡分布圖、原始數據顯示圖、TEC數據顯示圖及閃爍指數顯示圖。

圖2 電離層TEC和閃爍監測軟件主界面

圖3示出了電離層TEC和閃爍監測軟件產品數據回放的界面,該部分可回放任意時間段任意系統的閃爍指數和TEC值。

圖3 產品數據回放界面

圖4示出了電離層TEC和閃爍監測軟件原始數據回放的界面,該部分可回放任意時間段任意系統的單顆衛星的原始數據。

圖4 原始數據回放界面

圖5示出電離層TEC和閃爍監測軟件數據轉換的界面,該部分可將所觀測存儲的各種十六進制數據文件轉換為可視的十進制數據文件。

圖5 數據轉換軟件界面

4 結束語

隨著GNSS系統的不斷推廣和應用,利用GNSS無線電信號進行電離層探測已經日益成為國內外發展的重要技術手段之一。本文針對基于GNSS信號的電離層TEC和閃爍監測軟件的設計要求,給出了監測軟件的整體設計和詳細設計,相關工作可為GNSS電離層TEC和閃爍接收機的研制提供較好的參考。

[1] 熊年祿、唐存琛，李行健，等 電離層物理概論[M].武漢:武漢大學出版社,1999.

[2] 李天文.GPS原理及其應用[M]. 北京:科學出版社,2003.

[3] 羅莉琴,詹祖橋. Windows網絡編程[M].北京:人民郵電出版社,2009:95-169.

[4] HOLZNER S. Visual C++6.0高級編程范例[M] . 瀟湘工作室譯.北京:人民郵電出版社,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

王麗芝 (1979-),女,工程師,主要研究方向為衛星導航。

聯系人: 王麗芝E-mail:tianbao_2000@163.com