多线程技术在GNSS数据并行解码中的应用

2015-04-21张世能

交通科技与经济 2015年5期

张世能

（重庆市勘测院，重庆400020）

GNSS采集的原始数据一般以二进制文件形式存储，为了能够对观测数据进行处理和分析，需要进行解码。目前RINEX是一种普遍使用的GNSS数据交换格式，被大家认同为GNSS的标准数据格式。RINEX采用的存储形式为文本格式，记录方式不随接收机型号、厂商的不同而变化。RINEX格式在GNSS数据处理中的应用十分广泛，绝大多数测量型GNSS接收机品牌均可以将其特有的数据格式转换为RINEX格式，而几乎所有GNSS数据处理软件都可以直接读取并处理RINEX格式的数据，因此将原始观测数据通过解码转换为RINEX格式将有效提高数据的通用性。

目前大多数GNSS接收机都有自带的数据格式转换软件，但是这种软件首先需要将观测数据存储在接收机中，在观测完成之后再下载数据并进行处理，因而无法实现GNSS数据的实时处理，为解决工程应用中对数据处理实时性的要求，本文采用串口通信方式实现观测数据的实时传输，同时为了实现多台接收机观测数据的并行处理，提出了一种基于多线程技术的实时解码算法。

1 中海达Q5接收机原始观测数据结构

中海达Q5接收机采用的原厂生产核心模块为HC12A（新月），采用单频接收机，共有12个通道，其芯片为ASIC芯片，数据更新频率设置为20Hz，可进行信标接收，并具有对基准站／移动站进行差分的功能。

1.1二进制消息结构

新月－HC12A模块的二进制消息采用16进制格式进行存储，以便在计算机中直接读取。二进制信息一般以一个8字节头开始，结束标志通常设置为回车换行符。ASCII的码序列“＄BIN”占据消息头的前4个字符。OEM板的导航电文消息块数据和观测值消息块数据分别对应BIN95和BIN96。通用二进制信息结构，如表1所示。

表1 通用二进制信息结构表

1.2 导航电文的消息块数据格式

导航电文与BIN95（消息块）相对应，在不计算Header和epilogue的情况下，消息的总长为128个字节。消息块包含了所有12个通道的星历信息数据，消息块的数据格式构成与GNSS定位卫星所发送的信号中导航电文结构比较相似，在进行解码时可以参考ICD－GNSS－200格式进行数据转换、提取和整理。消息内容可用表2所列的格式进行表达。

表2 导航电文消息块数据（对应BIN95消息）

1.3 GNSS观测值的消息块数据格式

GNSS观测数据与BIN96消息块对应，在不计算Header和epilogue的情况下，消息的总长为300个字节，BIN96消息所包含的内容为相位和码信息，这是观测值数据的主要来源（见表3）。

表3 观测值的消息块数据格式

2 数据解码算法及多线程技术

参照二进制文件的说明，可以从原始数据中提取需要的信息，并按照其数据类型及长度转换为十进制数据，需要注意的是，当需要的数据不是以字节为单位而是以位为单位存储时，需要通过位运算提取出数据并从高位到低位连续排列，并用0补齐高位的不足部分，然后再转换为十进制数据。

在编程实现时，本文所述案例采用C#语言，在微软开发的 Microsoft Visual Studio 2008平台下进行编译，分别设计了AnalyseBIN95（）和AnalyseBIN96（）两个函数实现导航电文以及观测值数据的解码。

2.1 观测值数据及导航电文解码算法

以观测值数据的解码过程为例，介绍将原始数据解码为RINEX标准格式的具体算法。

首先读取二进制原始观测数据，然后逐字节搜索，直到找到“＄BIN96”字符串，继续搜索直到找出第一个回车换行符“＼r＼n”并记下从“＄BIN96”到“＼r＼n”的总字节数，将其与此数据域中的校验和进行比较。如果相等则说明数据完整，此时可以用函数对GNSS原始观测数据解码，并将结果存放到自定义的BIN96DATA结构体中，继续搜索下一个历元；如果不相等，则说明观测数据并不全，应将此段观测数据放弃，继续向下搜索，如此循环，完成全部解码工作。算法流程及解码函数的核心代码如图1、图2所示。

图1 观测值文件解码算法流程

导航电文的解码过程与之类似，在解出原始数据后，就可以按照RINEX的标准格式写入到文本文件中，用于数据处理及分析。

2.2 多线程技术

GNSS测站接收机采集的观测数据一般通过GPRS等通信技术传到服务器并存储到文本文件中，本文采用数据流的方式对原始数据实时读取、转换和处理:第一步，制定一个打开GNSS原始观测值文件的数据流；第二步，制定处理DataStream读取二进制数据的数据流；最后采用前文提到的算法进行解码。通常在第一步中定义一个FilesStream对象（DataStream），第二步中定义一个BinaryReader对象（DataReader）。

而在工程实际中，往往是多个测站同时观测，为了实现多测站实时数据处理，必须对各个测站接收的数据进行并行实时解码，这就是本文所介绍的多线程技术。多线程技术可解决多测站数据并行解码。

图2 观测值文件解码函数

多线程解码通过三个步骤来实现:第一步，设定一个主线程，用它来读取各个GNSS测站获取的原始观测值数据；第二步，统计GNSS测站的数量，每一个测站创建一个子线程，在解码过程中，子线程和GNSS测站数据是一对一的关系；第三步，设置主线程的“时间片”，使主线程在不同的时间片段中，切换于多个子线程之间，如此进行，直到完成全部解码工作，结束主线程。在现有的硬件条件下，程序运行速度极快，全部子线程同步工作，在这样的模式下，多个GNSS测站的观测数据实现了实时并行解码。采用多线程技术进行实时并行解码的算法流程如图3所示。

图3 多线程技术实现多测站数据实时解码流程

3 实例及验证

本研究通过GPRS通信技术将接收机接收到的原始数据实时发送到数据处理中心，解码程序以数据流的方式读取原始数据并进行处理，实现了对原始数据的实时解码，同时将多线程技术引入到GNSS原始数据解码过程中，实现了多测站数据的实时并行解码，为后续的实时数据处理及定位提供了必要的前提条件和保障。

在实际测试过程中，共设置3个观测站，包括一个基准站和两个流动站，将基准站固定在某一位置，两个流动站以一定的速率进行移动。GNSS接收机将采集到的原始观测数据通过无线传输，储存到服务器，随即调用本文所述程序进行GNSS数据的实时并行解码，解码得到某一测站的RINEX格式观测值文件，以及导航电文文件，如图4和图5所示。