趙國(guó)強(qiáng),董偉
(1.中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所,北京 100036; 2. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430063)
國(guó)際GNSS服務(wù)(IGS)數(shù)據(jù)自動(dòng)下載與管理
趙國(guó)強(qiáng)1*,董偉2
(1.中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所,北京 100036; 2. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430063)
系統(tǒng)詳細(xì)介紹了國(guó)際GNSS服務(wù)(IGS)數(shù)據(jù)自動(dòng)下載與管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法及相關(guān)知識(shí),主要包括下載數(shù)據(jù)站點(diǎn)介紹、FTP工具測(cè)試、數(shù)據(jù)自動(dòng)下載程序設(shè)計(jì)以及程序功能穩(wěn)定性測(cè)試等,旨在為相關(guān)行業(yè)及工作人員提供一個(gè)穩(wěn)定、高效的數(shù)據(jù)自動(dòng)下載方案,解決在數(shù)據(jù)下載中碰到的實(shí)際問題,提高工作效率。
IGS ;FTP ;GPS ;數(shù)據(jù)下載
當(dāng)前,全球定位系統(tǒng)[1](以下簡(jiǎn)稱“GPS”)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。GPS的基本原理是接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào),生成觀測(cè)數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)處理獲得位置等相關(guān)參數(shù)。隨著GPS在我國(guó)的蓬勃發(fā)展,觀測(cè)獲得大量的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù),因此數(shù)據(jù)處理始終是這個(gè)行業(yè)人員要從事的一項(xiàng)日常性工作,尤其是高精度GPS數(shù)據(jù)處理,人工干預(yù)程度更高。在做高精度GPS數(shù)據(jù)處理時(shí),通常首要工作是下載精密星歷產(chǎn)品、表文件以及中間計(jì)算文件等。另外,目前國(guó)內(nèi)建立了很多GPS數(shù)據(jù)中心,匯集、保存以及管理國(guó)際GPS數(shù)據(jù)及產(chǎn)品是數(shù)據(jù)中心的主要功能之一。因此,如何穩(wěn)定、高效、自動(dòng)化的匯集國(guó)際相關(guān)GPS數(shù)據(jù)及產(chǎn)品,是數(shù)據(jù)處理,尤其是高精度數(shù)據(jù)處理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)和技術(shù)問題。
本文介紹了國(guó)際上主流的數(shù)據(jù)下載站點(diǎn)及其內(nèi)容,評(píng)測(cè)了三種數(shù)據(jù)下載工具的優(yōu)劣,描述了國(guó)際GNSS服務(wù)(IGS)數(shù)據(jù)自動(dòng)下載與管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法,最后對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試及評(píng)估,旨在為相關(guān)行業(yè)及工作人員提供一個(gè)穩(wěn)定、高效的數(shù)據(jù)自動(dòng)匯集方案,解決在數(shù)據(jù)下載中碰到的實(shí)際問題,省去工作人員在數(shù)據(jù)下載這個(gè)環(huán)節(jié)可能會(huì)進(jìn)行的一些重復(fù)嘗試,提高工作效率。
2.1 FTP站點(diǎn)
國(guó)際GNSS服務(wù)[2]簡(jiǎn)稱IGS,是一個(gè)由200多個(gè)國(guó)際機(jī)構(gòu)自發(fā)組成的非盈利性民間組織,這些國(guó)際機(jī)構(gòu)源源不斷地將連續(xù)運(yùn)行的GPS以及GLONASS基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)匯集至IGS數(shù)據(jù)中心,隨后IGS通過解算獲得高精度的產(chǎn)品。IGS致力于向各行各業(yè)無償提供高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)及產(chǎn)品,這些數(shù)據(jù)及產(chǎn)品已經(jīng)成為全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(GNSS)領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),用于支持地學(xué)研究、多學(xué)科交叉應(yīng)用以及科研教學(xué)的發(fā)展。在做高精度GPS數(shù)據(jù)處理時(shí),必須要用到IGS提供的數(shù)據(jù)和產(chǎn)品,這些數(shù)據(jù)和產(chǎn)品可以從IGS官網(wǎng)發(fā)布的IGS數(shù)據(jù)分中心站點(diǎn)以匿名用戶的身份下載獲得,用戶無需注冊(cè)或登記。值得慶賀的是,2014年底,武漢大學(xué)成為全球第5個(gè)IGS數(shù)據(jù)分中心,這將大大滿足國(guó)內(nèi)用戶下載IGS數(shù)據(jù)的需求,徹底改變我國(guó)用戶完全依賴國(guó)外IGS數(shù)據(jù)中心的現(xiàn)狀,并且使國(guó)內(nèi)用戶下載IGS數(shù)據(jù)的速度從過去10 Kb/s左右提升至峰值 1 Mb/s左右,速度提高近100倍。除此之外,還有一些其他的國(guó)際機(jī)構(gòu),也提供相應(yīng)的GPS數(shù)據(jù)及產(chǎn)品,如表1所示。
為測(cè)定表1中各站點(diǎn)的數(shù)據(jù)下載穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)了1套數(shù)據(jù)下載方案,即利用Linux自帶的下載工具ftp,下載表1各站點(diǎn)的精密星歷(igs18161.sp3.Z)和鐘差文件(igs18161.clk.Z),大小約 1.3 Mb,從2015年4月1日~2015年4月30日,每天上午10:00開始下載1次這兩個(gè)文件,并記錄每日的數(shù)據(jù)下載狀況,測(cè)試結(jié)果見表1。由于UNAVCO[3]不提供精密星歷,因此以下載觀測(cè)數(shù)據(jù)代替進(jìn)行測(cè)試。通過表1測(cè)試結(jié)果可以得出如下結(jié)論:下載國(guó)外站點(diǎn)數(shù)據(jù)整體不穩(wěn)定,時(shí)斷時(shí)續(xù),但可以滿足日常下載的需求。武漢大學(xué)IGS中國(guó)數(shù)據(jù)中心無論在下載穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)可靠性以及下載速度上,都表現(xiàn)出色,在下載數(shù)據(jù)時(shí),應(yīng)首選該站點(diǎn)。
國(guó)際FTP站點(diǎn) 表1
2.2 FTP工具
大量的、日常性的、自動(dòng)化的通過FTP方式下載數(shù)據(jù),通常情況都是在Linux系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn),因此本文主要介紹Linux下的FTP工具。由于Linux版本眾多,本文以在 Ubuntu10.04.4 LTS系統(tǒng)環(huán)境下為例進(jìn)行說明。
ftp,是Linux系統(tǒng)自帶的一個(gè)下載工具,不需要安裝,沒有界面,直接在終端輸入ftp即可使用。
lftp[4],是一個(gè)功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)下載工具,它支持FTP、SFTP和FTPS等文件訪問協(xié)議。lftp沒有圖形界面,純命令行方式進(jìn)行操作,風(fēng)格和SHELL類似,具有命令補(bǔ)全、顯示下載進(jìn)度、歷史記錄、斷點(diǎn)續(xù)傳、允許多個(gè)后臺(tái)任務(wù)、鏡像、書簽、排隊(duì)、多進(jìn)程下載等功能,使用起來十分方便。lftp不是Linux自帶的工具,需要下載安裝,在Ubuntu下,輸入sudo apt-get install lftp即可完成下載安裝。
ncftp[5],是一款在Linux平臺(tái)上傳下載數(shù)據(jù)的FTP工具,它提供更加強(qiáng)大、快捷、方便的功能,被廣泛的應(yīng)用于Linux的各個(gè)版本上,與傳統(tǒng)ftp相比,它的優(yōu)勢(shì)在于:采用遞歸的方法可以下載整個(gè)目錄及其子目錄、支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳、匿名自動(dòng)登錄、可以顯示下載進(jìn)度等。ncftp不是Linux自帶的工具,需要下載安裝,在Ubuntu下,輸入sudo apt-get install ncftp即可完成下載安裝。
lftp和ncftp一個(gè)共同的優(yōu)勢(shì)在于,能夠繼續(xù)失敗的傳輸并重新嘗試,在通過有網(wǎng)絡(luò)瓶頸的網(wǎng)絡(luò)傳輸大型文件時(shí)這點(diǎn)非常有用,并且都可以輸出狀態(tài)行,顯示傳輸?shù)倪M(jìn)度,而ftp只能顯示傳輸速度。無論哪種FTP工具,在使用時(shí),都需要用到get和mget這兩個(gè)命令,get只能下載單個(gè)文件名確定的文件,mget可以進(jìn)行批量下載,并可以使用通配符,即“*”、“?”等。另外,如果在Windows下臨時(shí)下載少量數(shù)據(jù),則推薦使用Xftp軟件,該軟件功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定,可以在360軟件管家中搜索Xftp免費(fèi)下載安裝使用。
為了測(cè)試ftp、lftp和ncftp三種工具在實(shí)際下載數(shù)據(jù)時(shí)的可靠性及有效性,設(shè)計(jì)如下方案,從2015年5月1日~2015年5月31日,在這個(gè)月期間每天的上午10:00用上述三種工具分別從SOPAC下載7個(gè)GAMIT-hfiles,分別是higs1a.15046.Z、higs2a.15046.Z、higs3a.15046.Z、higs4a.15046.Z、higs5a.15046.Z、higs6a.15046.Z、higs7a.15046.Z。選擇這些文件的原因是,hfiles相對(duì)較大,單個(gè)文件每個(gè)約4 Mb,這樣在下載時(shí),碰到網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的幾率要大,使得測(cè)試更接近實(shí)際應(yīng)用中的狀態(tài),便于發(fā)現(xiàn)在下載中碰到諸如網(wǎng)絡(luò)異常等原因時(shí)各個(gè)工具的不同表現(xiàn),同時(shí)hfiles總數(shù)只有7個(gè),總量不是很大,使得實(shí)際測(cè)試更具有操作性和可實(shí)施性。每天記錄下載數(shù)據(jù)的速度、用時(shí)以及出現(xiàn)的問題,速度和用時(shí)按天求平均,匯總?cè)绫?。表中空文件是指只有一個(gè)文件名,大小可以忽略不計(jì),打開后沒有內(nèi)容的文件。壞文件是指文件無法打開,或者打開時(shí)報(bào)錯(cuò)的文件,IGS提供的大部分文件都是壓縮文件,如果下載后無法解壓,一般均為壞文件。小文件是指文件可正常打開,但文件內(nèi)容不完整,只有部分內(nèi)容,文件大小比源文件小的文件。
FTP工具測(cè)試結(jié)果 表2
通過表2測(cè)試結(jié)果可知,日常數(shù)據(jù)下載應(yīng)該采用穩(wěn)定性和可靠性更高的lftp和ncftp。
3.1 設(shè)計(jì)原則
在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)下載程序時(shí),應(yīng)該遵從以下一些原則:
穩(wěn)定性,即系統(tǒng)不會(huì)輕易出現(xiàn)故障,在自動(dòng)下載大量數(shù)據(jù)時(shí),穩(wěn)定是第一位的,在硬件平臺(tái)確保正常運(yùn)行的前提下,系統(tǒng)可以持續(xù)穩(wěn)定的自動(dòng)運(yùn)行,基本無需人工干預(yù);
可靠性,即下載下來的數(shù)據(jù)是正確的,要確保下載到的數(shù)據(jù)與源數(shù)據(jù)保持一致,避免產(chǎn)生小文件、空文件及壞文件;
高效性,即下載效率高,用最少的網(wǎng)絡(luò)資源,最優(yōu)化的算法,盡可能一次下載成功,減輕網(wǎng)絡(luò)壓力,并且已經(jīng)正確下載的文件,不會(huì)被再次下載;
靈活性,即當(dāng)某個(gè)FTP站點(diǎn)故障時(shí),系統(tǒng)可以馬上切換到備用站點(diǎn),而不單純依賴某個(gè)站點(diǎn)獲得數(shù)據(jù),做到少量站點(diǎn)出現(xiàn)問題時(shí),不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行;
可移植性,數(shù)據(jù)下載系統(tǒng)不受操作系統(tǒng)的影響,可在大部分Linux平臺(tái)應(yīng)用。
3.2 程序設(shè)計(jì)流程
選擇常用的C Shell語言編程,根據(jù)設(shè)計(jì)原則及FTP工具的測(cè)試結(jié)果,選用lftp進(jìn)行數(shù)據(jù)下載,F(xiàn)TP站點(diǎn)首選高速穩(wěn)定的,具體下載文件類別及配置如表3所示。
IGS數(shù)據(jù)下載站點(diǎn)列表 表3
正確設(shè)置操作系統(tǒng)時(shí)間,并利用date命令獲得當(dāng)前時(shí)間參數(shù),利用GAMIT[6]軟件中的doy命令獲取想要下載的數(shù)據(jù)當(dāng)天時(shí)間,由于GPS的相關(guān)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品命名以及FTP站點(diǎn)的目錄設(shè)置等都與日期有關(guān),因此只要獲取了目標(biāo)數(shù)據(jù)的時(shí)間信息,包括年、月、日、年積日、GPS周以及GPS周-天等相關(guān)參數(shù),即可進(jìn)入站點(diǎn)的相應(yīng)目錄獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。
設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)下載程序頭文件,由于每一個(gè)FTP站點(diǎn)的文件目錄結(jié)構(gòu)不盡相同,沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),因此無法自動(dòng)生成數(shù)據(jù)下載程序,用手工編輯的方式生成表3中每種文件類型在不同站點(diǎn)下載時(shí)需要用到的程序頭文件,存放于固定位置,等待主程序的調(diào)用,頭文件主要包括站點(diǎn)地址、進(jìn)入站點(diǎn)方式等內(nèi)容。
主程序的主要功能是自動(dòng)生成和調(diào)用數(shù)據(jù)下載程序,首先判斷目標(biāo)目錄、文件在本地是否存在,如果目錄不存在,則在本地建立目錄,如果文件不存在,則將文件名添加到數(shù)據(jù)下載程序頭文件中,并生成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)下載程序。最后調(diào)用數(shù)據(jù)下載程序,進(jìn)入ftp站點(diǎn)開始下載數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)保存在本地結(jié)構(gòu)化的目錄中。3.3 定時(shí)任務(wù)
IGS的數(shù)據(jù)和產(chǎn)品都是定時(shí)更新,如表4所示,借助Linux里面自帶的配置定時(shí)任務(wù)命令crontab即可實(shí)現(xiàn)定時(shí)自動(dòng)下載。設(shè)計(jì)定時(shí)任務(wù)的基本原則是,既要考慮同一數(shù)據(jù)安排多次下載以確保下載成功,又不能重復(fù)太多次浪費(fèi)系統(tǒng)資源和網(wǎng)絡(luò)資源,同時(shí)盡可能將所有的下載任務(wù)均勻分配在一天的各個(gè)時(shí)間段以避免偶然因素導(dǎo)致的系統(tǒng)性數(shù)據(jù)下載失敗,并且盡可能串行下載,即某一個(gè)時(shí)刻只在某一個(gè)站點(diǎn)下載某一個(gè)文件,以防止網(wǎng)絡(luò)擁堵(具體方案見表4)。在設(shè)置定時(shí)任務(wù)時(shí),首先要明確UTC時(shí)間、GPS時(shí)間以及北京時(shí)間的含義及關(guān)系。世界協(xié)調(diào)時(shí)(UTC)即我們通常生活中所使用的時(shí)間,UTC與格林尼治平均時(shí)一致,即為零時(shí)區(qū)的時(shí)間,北京時(shí)區(qū)是東八區(qū),因此北京時(shí)間領(lǐng)先UTC時(shí)間8個(gè)小時(shí)。GPS時(shí)間,也就是GPS原子時(shí),它的時(shí)間基準(zhǔn)是1980年1月6日0點(diǎn)與UTC時(shí)刻相一致,以后按原子時(shí)秒長(zhǎng)累積計(jì)時(shí),GPS時(shí)與UTC時(shí)之差為秒的整倍數(shù),通常采用跳秒的方法來處理這種差異。我們要意識(shí)到北京時(shí)間比GPS時(shí)間早8個(gè)小時(shí),即當(dāng)天的IGS數(shù)據(jù)要在北京時(shí)間早8點(diǎn)以后才開始陸續(xù)生成,也就是說,在0點(diǎn)~8點(diǎn)設(shè)置的定時(shí)任務(wù),只能下載到前一天的數(shù)據(jù),而無法下載當(dāng)天的數(shù)據(jù)。
最后生成系統(tǒng)運(yùn)行日志,以便日常對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控并且在出現(xiàn)故障時(shí)易于排查,日志內(nèi)容應(yīng)包括數(shù)據(jù)開始下載時(shí)間、數(shù)據(jù)量、用時(shí)、完成情況、故障記錄等信息。日志可通過Linux的郵件系統(tǒng)定時(shí)發(fā)送到指定郵箱,這樣就不必經(jīng)常登陸系統(tǒng)查看運(yùn)行狀況,每天查收郵件就能知曉系統(tǒng)的基本狀態(tài)??梢允褂煤?jiǎn)單靈活的sendemail工具發(fā)送郵件,sendemail不是Linux自帶的工具,在Ubuntu下輸入sudo apt-get install sendemail即可完成下載安裝。
IGS數(shù)據(jù)自動(dòng)下載定時(shí)任務(wù) 表4
根據(jù)設(shè)計(jì)原則對(duì)數(shù)據(jù)下載系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行評(píng)估。穩(wěn)定性,即系統(tǒng)是否能長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行而無需人工干預(yù),故障率是表征這類性能的一個(gè)指標(biāo),故障率是指總體時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)各類故障所占時(shí)間的百分比。在設(shè)置定時(shí)任務(wù)時(shí),為了確保數(shù)據(jù)下載成功,某個(gè)文件會(huì)在第一次下載失敗后的某些時(shí)間段內(nèi)再嘗試進(jìn)行多次下載,首次下載成功率,即下載任務(wù)中的所有數(shù)據(jù)第一次下載成功所占比例,如果是因?yàn)檎军c(diǎn)上沒有目標(biāo)數(shù)據(jù)而導(dǎo)致的首次下載失敗,則不計(jì)入統(tǒng)計(jì)范圍??煽啃?,即已經(jīng)下載得到的數(shù)據(jù)是否有質(zhì)量問題,如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有問題,比如出現(xiàn)空文件、小文件或者是壞文件,需跟源數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),如果源數(shù)據(jù)本身存在問題,則與數(shù)據(jù)下載系統(tǒng)是否可靠無關(guān),如果源數(shù)據(jù)正確無誤,說明數(shù)據(jù)下載系統(tǒng)還存在問題,不可靠。高效性,即測(cè)試數(shù)據(jù)的首次下載成功率及用時(shí)以及定時(shí)任務(wù)設(shè)置是否合理。靈活性,當(dāng)某個(gè)IGS分中心無法連接時(shí),系統(tǒng)是否會(huì)自動(dòng)切換至備用站點(diǎn)進(jìn)行下載??梢浦残?,本系統(tǒng)在Ubuntu C Shell環(huán)境下建立,由于C Shell是Linux中通用的一種編程環(huán)境,因此,只要在安裝有C Shell的任何Linux系統(tǒng)下,都可以安裝部署此系統(tǒng)。
根據(jù)上述穩(wěn)定性、可靠性、高效性以及靈活性等評(píng)價(jià)指標(biāo)的含義,設(shè)計(jì)如下測(cè)試方案:時(shí)間為2015年6月1日~2015年11月30日共計(jì)6個(gè)月,測(cè)試期間確保服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)以及存儲(chǔ)等系統(tǒng)硬件平臺(tái)正常運(yùn)行,并避免人為因素的干擾,用時(shí)為所對(duì)應(yīng)文件成功下載時(shí)間按天求平均,具體下載文件類型、文件名稱、文件大小、定時(shí)任務(wù)以及測(cè)試結(jié)果如表3~表5所示。
系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果列表 表5
通過表5可以得到以下結(jié)論:該系統(tǒng)在測(cè)試期間,穩(wěn)定性高,運(yùn)行流暢,程序沒有出現(xiàn)崩潰死機(jī)等狀況。系統(tǒng)可靠,經(jīng)檢驗(yàn)比對(duì),下載成功的數(shù)據(jù)里面沒有出現(xiàn)小文件、空文件及壞文件。下載效率高,所有數(shù)據(jù)都在第一次下載成功,用時(shí)較短,沒有長(zhǎng)時(shí)間占用網(wǎng)絡(luò)資源。
因此該系統(tǒng)可用于日常的工作生產(chǎn)中,滿足相關(guān)部門及人員對(duì)IGS數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的需求。
本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)下載前沒有去測(cè)試目標(biāo)站點(diǎn)的連通性,如果數(shù)據(jù)第一次下載失敗,第二次下載會(huì)更換站點(diǎn),以此類推,具體參見表3。系統(tǒng)智能化程度較低,如需增加下載文件的類型及數(shù)量,需要人工添加至下載列表。對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求較高,如果網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差,會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)下載用時(shí)成倍增加甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。系統(tǒng)沒有操作界面,運(yùn)行維護(hù)時(shí)主要依靠命令行的方式,對(duì)于初學(xué)者來說,需要一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的學(xué)習(xí)熟悉時(shí)間,今后可在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)Windonws版本,更易于推廣應(yīng)用。由于文章篇幅所限,無法給出系統(tǒng)完整的源代碼,有興趣的讀者可與作者電子郵箱(zhao@cmonoc.cn)聯(lián)系。
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Automatic Downloading Data and Product from IGS
Zhao Guoqiang1,Dong Wei2
(1.Institute of Earthquake Science,CEA,BeiJing 100036,China;2.China Railway Siyuan Survey And Design Group Co.,Ltd. WuHan 430063,China)
In detail,we introduce how to design a system to download IGS data and product automatically,including:basic knowledge,F(xiàn)TP sites,testing about FTP tools,flow of the program and testing about the program. We aim to provide a stable and efficient data downloading project for GPS industry and staff,solve the problem when we downloaded the IGS data and product,and improve work efficiency.
IGS;FTP;GPS;data downloading
1672-8262(2016)06-103-05
P228
B
2016—01—28
趙國(guó)強(qiáng)(1981—),男,碩士,助理研究員,主要從事GPS數(shù)據(jù)處理及其地學(xué)應(yīng)用等研究工作。
中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2016IES0202)資助