基于NTRIP 2.0的北斗地基增強(qiáng)數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)

劉 苗，張昌祿

基于NTRIP 2.0的北斗地基增強(qiáng)數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)

劉 苗，張昌祿

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

提出了基于NTRIP 2.0地基增強(qiáng)數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)，解決了差分?jǐn)?shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)中的傳輸困難和支持用戶數(shù)目過(guò)少問(wèn)題。系統(tǒng)包含發(fā)送端、播發(fā)器、客戶端三部分，播發(fā)器為系統(tǒng)中的重要組成部分，可以供200個(gè)發(fā)送端和300個(gè)客戶端同時(shí)訪問(wèn)。本系統(tǒng)已應(yīng)用至北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)中，有效提升了差分?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸效率，顯著提高用戶數(shù)目，系統(tǒng)性能得到了驗(yàn)證。

NTRIP；差分?jǐn)?shù)據(jù)；TCP；數(shù)據(jù)播發(fā)

0 引言

北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)和軍事有著巨大的應(yīng)用，它利用已知精確坐標(biāo)的基準(zhǔn)站，求得位置修正量，再將這個(gè)修正量發(fā)送給用戶終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)定位的修正，從而達(dá)到厘米級(jí)的定位精度。而數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收各個(gè)基準(zhǔn)站的原始觀測(cè)和星歷導(dǎo)航數(shù)據(jù)[1]，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理產(chǎn)生差分?jǐn)?shù)據(jù)，用戶終端接收差分?jǐn)?shù)據(jù)流后，即可實(shí)現(xiàn)差分定位，而差分服務(wù)器需要支持上百個(gè)基準(zhǔn)站和用戶終端的接入，差分?jǐn)?shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中需要使用因特網(wǎng)航海無(wú)線電（Radio Technical Commission for Maritime Services，RTCM）傳輸協(xié)議（Networked Transport of RTCM via Internet Protocol，NTRIP），它依靠現(xiàn)有的TCP/IP協(xié)議，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而數(shù)據(jù)傳輸也需要解決多個(gè)用戶接入的難題，通過(guò)在發(fā)送端和客戶端之間引入轉(zhuǎn)發(fā)器，解決多用戶多數(shù)據(jù)源接入的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)組成

NTRIP是一種基于HTTP的擴(kuò)展協(xié)議，它能夠在網(wǎng)絡(luò)中傳輸RTCM數(shù)據(jù)，而RTCM作為一種國(guó)際通用的格式能夠?qū)崟r(shí)傳輸載波相位差分?jǐn)?shù)據(jù)，NTRIP具有1.0和2.0兩個(gè)版本[2]，在本文中使用具有更多特性的2.0版本?；贜TRIP通訊協(xié)議的北斗地基增強(qiáng)數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，如圖1所示，包括NTRIP客戶端、NTRIP轉(zhuǎn)發(fā)器和NTRIP發(fā)送端三部分。部分名詞介紹如：

1）掛載點(diǎn)（Mount Point）：指數(shù)據(jù)源加載至轉(zhuǎn)發(fā)器中時(shí)的唯一標(biāo)識(shí)，一般包含多個(gè)可選數(shù)值。

2）源數(shù)據(jù)列表（Source Table）：指NTRIP轉(zhuǎn)發(fā)器中包含所有數(shù)據(jù)源列表。

圖1 NTRIP服務(wù)器的基本結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本節(jié)為數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，分為NTRIP發(fā)送端、NTRIP轉(zhuǎn)發(fā)器和NTRIP客戶端三個(gè)部分進(jìn)行闡述。

2.1 NTRIP發(fā)送端設(shè)計(jì)

NTRIP發(fā)送端需要接收來(lái)自全國(guó)200個(gè)基準(zhǔn)站的接收機(jī)數(shù)據(jù)，對(duì)原始接收機(jī)數(shù)據(jù)根據(jù)芯片類型和衛(wèi)星類型（GPS、GLONASS、北斗）進(jìn)行解碼，接收機(jī)數(shù)據(jù)分為原始觀測(cè)和星歷導(dǎo)航兩種類型，原始觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送頻率為1 s，星歷導(dǎo)航數(shù)據(jù)發(fā)送頻率為3 min。NTRIP接收端由原始數(shù)據(jù)解碼器、NTRIP協(xié)議處理器、RTCM數(shù)據(jù)編碼器三部分組成，工作流程如圖2所示。

原始數(shù)據(jù)解碼器使用多線程與各個(gè)基準(zhǔn)站進(jìn)行TCP連接，對(duì)發(fā)送而來(lái)的原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)根據(jù)其編號(hào)進(jìn)行解析。TCP是以流的方式來(lái)處理數(shù)據(jù)，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)上MTU時(shí)間往往小于在應(yīng)用處理消息數(shù)據(jù)的時(shí)間，所以就會(huì)引發(fā)一次接收的數(shù)據(jù)無(wú)法滿足數(shù)據(jù)解析的需要，導(dǎo)致粘包的存在。需要根據(jù)包頭中的字段長(zhǎng)度來(lái)讀取數(shù)據(jù)，從而避免粘包問(wèn)題。

圖2 NTRIP服務(wù)器流程圖

RTCM數(shù)據(jù)編碼器中RTCM數(shù)據(jù)分為包頭、有效數(shù)據(jù)和校驗(yàn)幀尾，在NTRIP2.0協(xié)議中使用RTCM3.2版本來(lái)發(fā)送觀測(cè)值電文和星歷電文[3]，其中數(shù)據(jù)編碼格式選擇MSM4類型，對(duì)比其他類型MSM4攜帶了更多的數(shù)據(jù)，最后根據(jù)比特位對(duì)原始數(shù)據(jù)解碼器中的解析的數(shù)據(jù)按比特位進(jìn)行編碼[4]。

NTRIP協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)器則負(fù)責(zé)與協(xié)議相關(guān)的報(bào)文交互。

2.2 NTRIP轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計(jì)

NTRIP轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計(jì)中所使用的NTRIP 2.0版本與其1.0版本相比，修訂了與HTTP1.1相悖的地方；加入了分塊傳輸（Chunked）編碼；加入密碼校驗(yàn)，擁有了更高的安全性。NTRIP發(fā)送端將RTCM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到NTRIP轉(zhuǎn)發(fā)器中，其響應(yīng)報(bào)文如：

其中NTRIP發(fā)送端向NTRIP轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送上述報(bào)文，轉(zhuǎn)發(fā)器將數(shù)據(jù)掛載到對(duì)應(yīng)的掛載點(diǎn)上，其中Authorization中發(fā)送的是用戶名和密碼Base 64編碼后的字符串，如：

而NTRIP轉(zhuǎn)發(fā)器則回復(fù)上述報(bào)文，在NTRIP發(fā)送端接收到200之后，使用分塊傳輸?shù)姆绞较騈TRIP轉(zhuǎn)發(fā)器傳輸RTCM 3.2格式的差分?jǐn)?shù)據(jù)。

NTRIP轉(zhuǎn)發(fā)器作為整個(gè)數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)的核心部分，其接收來(lái)自NTRIP發(fā)送端的數(shù)據(jù)，并根據(jù)發(fā)送的請(qǐng)求，將對(duì)應(yīng)掛載點(diǎn)的數(shù)據(jù)源轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的NTRIP客戶端中，其本質(zhì)是一臺(tái)高性能的TCP服務(wù)器。NTRIP轉(zhuǎn)發(fā)器將掛載點(diǎn)信息維護(hù)在一張叫做Source Table的表中，其信息包含掛載點(diǎn)名稱、密碼；將用戶信息維護(hù)在User Table的表中，包含用戶名、IP地址等信息。NTRIP轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計(jì)如圖3所示，分為主線程和被創(chuàng)建的子線程兩部分。主線程的主要功能是對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行監(jiān)聽，初始化好差分服務(wù)器的環(huán)境，并等待NTRIP用戶終端、NTRIP服務(wù)器的連接完成登入驗(yàn)證。

主線程流程如圖4所示，首先初始化套接字，綁定其到對(duì)應(yīng)的端口上，一般NTRIP服務(wù)器使用2101端口，設(shè)置其為非堵塞狀態(tài)來(lái)監(jiān)聽請(qǐng)求，如果獲取到連接則對(duì)其進(jìn)行處理，并重復(fù)這個(gè)過(guò)程。

圖3 線程創(chuàng)建流程圖

主線程處理請(qǐng)求的過(guò)程如圖3所示，若NTRIP發(fā)送端或NTRIP客戶端登入成功后，創(chuàng)建線程處理這些連接：

啟動(dòng)NTRIP轉(zhuǎn)發(fā)器，即可收到來(lái)自NTRIP客戶端和NTRIP發(fā)送端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求。

1）若發(fā)送請(qǐng)求的是NTRIP客戶端，則需要判斷客戶端所請(qǐng)求的掛載點(diǎn)，若在Source Table中包含這個(gè)掛載點(diǎn)，則添加這個(gè)客戶端至這個(gè)掛載點(diǎn)的用戶列表中，返回表示成功的狀態(tài)碼至客戶端；若不包含則發(fā)送Source Table給客戶端，將客戶端的套接字添加到其所要獲取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源的客戶端套接字列表中，最后退出線程；

2）若非NTRIP客戶端登入，即發(fā)送請(qǐng)求的是發(fā)送端，若數(shù)據(jù)源信息在Source Table表中存在，則初始化屬于這個(gè)數(shù)據(jù)源的套接字列表，隨后進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，轉(zhuǎn)發(fā)器讀取NTRIP發(fā)送端的數(shù)據(jù)，依次將數(shù)據(jù)，播發(fā)到這個(gè)數(shù)據(jù)源套接字列表中的每一個(gè)NTRIP客戶端，并重復(fù)這個(gè)過(guò)程；若不存在，則回復(fù)錯(cuò)誤結(jié)束流程。

2.3 NTRIP客戶端設(shè)計(jì)

NTRIP客戶端其功能是向NTRIP轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)出請(qǐng)求從而接收相應(yīng)掛載點(diǎn)數(shù)據(jù)，并將解析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流生成Rinex文件存儲(chǔ)在系統(tǒng)中。與NTRIP轉(zhuǎn)發(fā)器建立TCP連接成功后，具體發(fā)送報(bào)文如：

發(fā)送完上述報(bào)文時(shí)Ntrip轉(zhuǎn)發(fā)器則回復(fù)如下報(bào)文：

NTRIP客戶端將初始請(qǐng)求發(fā)送給NTRIP轉(zhuǎn)發(fā)器。第一行請(qǐng)求Source Table，最后一行請(qǐng)求結(jié)束。NTRIP轉(zhuǎn)發(fā)器將請(qǐng)求的數(shù)據(jù)作為回復(fù)發(fā)送。NTRIP客戶端的設(shè)計(jì)中分為兩個(gè)部分，NTRIP協(xié)議處理器和Rinex文件生成器。在Rinex文件生成器中對(duì)接收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流以文件的形式進(jìn)行存儲(chǔ)；而NTRIP協(xié)議處理器則負(fù)責(zé)建立TCP接收線程與NTRIP Caster進(jìn)行交互，保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性。

3 結(jié)論

本文主要介紹了基于NTRIP協(xié)議的北斗地基增強(qiáng)數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)，其所支持的功能均已實(shí)現(xiàn)，并投入使用，經(jīng)過(guò)并發(fā)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，其最大支持 200個(gè)基準(zhǔn)站和300個(gè)用戶終端同時(shí)接入使用，連續(xù)工作時(shí)間超過(guò)了3個(gè)月，通過(guò)在發(fā)送端和客戶端之間引入轉(zhuǎn)發(fā)器，將多個(gè)數(shù)據(jù)源轉(zhuǎn)發(fā)至上百個(gè)客戶端，通過(guò)TCP服務(wù)器有效地提升了差分?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸效率，為地基增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)[5]。

[1] 王淼，楊伯鋼，劉博文，等. 基于北斗的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究[C]. 衛(wèi)星導(dǎo)航定位與北斗系統(tǒng)應(yīng)用2018——深化北斗應(yīng)用促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2018.

[2] 祁芳，林鴻. Ntrip協(xié)議在CORS系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 城市勘測(cè)，2008（1）.

[3] RTCM 10410.1. Standard for Net Worked Transport of RTCM via Internet Protocol (Ntrip) -Version 2.0[S].

[4] 陳聞亞. 基于Internet的GNSS高精度位置服務(wù)平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2015.

[5] 中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展報(bào)告（3.0版）[R]. 2018.

Beidou Ground Based Augmentation Data Broadcasting System Based on NTRIP 2.0

LIU Miao, ZHANG Changlu

Based on NTRIP 2.0 foundation-enhanced data transmission system, the problem of differential data transmission difficulty and the number of supporting users is solved in the paper. The system includes three parts: senders, broadcasters, and clients, which are important components of the system and can be accessed simultaneously by 200 senders and 300 clients. The system has been applied to the Beidou foundation reinforcement system, which effectively improves the transmission efficiency of differential dada, significantly improves the number of users, and verifies the system’s performance.

NTRIP; Differential Data; TCP; Data Broadcasting System

TN967.1

A

1674-7976-(2022)-02-123-04

2022-02-15。劉苗（1994.12—），陜西西安人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航方向算法。