劉 苗，張昌祿

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

劉 苗，張昌祿

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

提出了基于NTRIP 2.0地基增強數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)，解決了差分數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)中的傳輸困難和支持用戶數(shù)目過少問題。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個發(fā)送端和300個客戶端同時訪問。本系統(tǒng)已應用至北斗地基增強系統(tǒng)中，有效提升了差分數(shù)據(jù)的傳輸效率，顯著提高用戶數(shù)目，系統(tǒng)性能得到了驗證。

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

0 引言

北斗地基增強系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)和軍事有著巨大的應用，它利用已知精確坐標的基準站，求得位置修正量，再將這個修正量發(fā)送給用戶終端，實現(xiàn)對定位的修正，從而達到厘米級的定位精度。而數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)通過網(wǎng)絡接收各個基準站的原始觀測和星歷導航數(shù)據(jù)[1]，對原始數(shù)據(jù)進行處理產(chǎn)生差分數(shù)據(jù)，用戶終端接收差分數(shù)據(jù)流后，即可實現(xiàn)差分定位，而差分服務器需要支持上百個基準站和用戶終端的接入，差分數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中需要使用因特網(wǎng)航海無線電（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，在其基礎上進行數(shù)據(jù)傳輸，而數(shù)據(jù)傳輸也需要解決多個用戶接入的難題，通過在發(fā)送端和客戶端之間引入轉發(fā)器，解決多用戶多數(shù)據(jù)源接入的問題。

1 系統(tǒng)組成

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

1）掛載點（Mount Point）：指數(shù)據(jù)源加載至轉發(fā)器中時的唯一標識，一般包含多個可選數(shù)值。

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

圖1 NTRIP服務器的基本結構

2 系統(tǒng)設計

本節(jié)為數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)的詳細設計，分為NTRIP發(fā)送端、NTRIP轉發(fā)器和NTRIP客戶端三個部分進行闡述。

2.1 NTRIP發(fā)送端設計

NTRIP發(fā)送端需要接收來自全國200個基準站的接收機數(shù)據(jù)，對原始接收機數(shù)據(jù)根據(jù)芯片類型和衛(wèi)星類型（GPS、GLONASS、北斗）進行解碼，接收機數(shù)據(jù)分為原始觀測和星歷導航兩種類型，原始觀測數(shù)據(jù)發(fā)送頻率為1 s，星歷導航數(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基準站進行TCP連接，對發(fā)送而來的原始二進制數(shù)據(jù)根據(jù)其編號進行解析。TCP是以流的方式來處理數(shù)據(jù)，同時網(wǎng)絡上MTU時間往往小于在應用處理消息數(shù)據(jù)的時間，所以就會引發(fā)一次接收的數(shù)據(jù)無法滿足數(shù)據(jù)解析的需要，導致粘包的存在。需要根據(jù)包頭中的字段長度來讀取數(shù)據(jù)，從而避免粘包問題。

圖2 NTRIP服務器流程圖

RTCM數(shù)據(jù)編碼器中RTCM數(shù)據(jù)分為包頭、有效數(shù)據(jù)和校驗幀尾，在NTRIP2.0協(xié)議中使用RTCM3.2版本來發(fā)送觀測值電文和星歷電文[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)比特位對原始數(shù)據(jù)解碼器中的解析的數(shù)據(jù)按比特位進行編碼[4]。

NTRIP協(xié)議轉發(fā)器則負責與協(xié)議相關的報文交互。

2.2 NTRIP轉發(fā)器設計

NTRIP轉發(fā)器的設計中所使用的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，擁有了更高的安全性。NTRIP發(fā)送端將RTCM數(shù)據(jù)轉發(fā)到NTRIP轉發(fā)器中，其響應報文如：

其中NTRIP發(fā)送端向NTRIP轉發(fā)器發(fā)送上述報文，轉發(fā)器將數(shù)據(jù)掛載到對應的掛載點上，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轉發(fā)器則回復上述報文，在NTRIP發(fā)送端接收到200之后，使用分塊傳輸?shù)姆绞较騈TRIP轉發(fā)器傳輸RTCM 3.2格式的差分數(shù)據(jù)。

NTRIP轉發(fā)器作為整個數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)的核心部分，其接收來自NTRIP發(fā)送端的數(shù)據(jù)，并根據(jù)發(fā)送的請求，將對應掛載點的數(shù)據(jù)源轉發(fā)至相應的NTRIP客戶端中，其本質(zhì)是一臺高性能的TCP服務器。NTRIP轉發(fā)器將掛載點信息維護在一張叫做Source Table的表中，其信息包含掛載點名稱、密碼；將用戶信息維護在User Table的表中，包含用戶名、IP地址等信息。NTRIP轉發(fā)器的設計如圖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請求進行監(jiān)聽，初始化好差分服務器的環(huán)境，并等待NTRIP用戶終端、NTRIP服務器的連接完成登入驗證。

主線程流程如圖4所示，首先初始化套接字，綁定其到對應的端口上，一般NTRIP服務器使用2101端口，設置其為非堵塞狀態(tài)來監(jiān)聽請求，如果獲取到連接則對其進行處理，并重復這個過程。

圖3 線程創(chuàng)建流程圖

主線程處理請求的過程如圖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NTRIP轉發(fā)器，即可收到來自NTRIP客戶端和NTRIP發(fā)送端的數(shù)據(jù)請求。

1）若發(fā)送請求的是NTRIP客戶端，則需要判斷客戶端所請求的掛載點，若在Source Table中包含這個掛載點，則添加這個客戶端至這個掛載點的用戶列表中，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，則初始化屬于這個數(shù)據(jù)源的套接字列表，隨后進入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，轉發(fā)器讀取NTRIP發(fā)送端的數(shù)據(jù)，依次將數(shù)據(jù)，播發(fā)到這個數(shù)據(jù)源套接字列表中的每一個NTRIP客戶端，并重復這個過程；若不存在，則回復錯誤結束流程。

2.3 NTRIP客戶端設計

NTRIP客戶端其功能是向NTRIP轉發(fā)器發(fā)出請求從而接收相應掛載點數(shù)據(jù)，并將解析實時數(shù)據(jù)流生成Rinex文件存儲在系統(tǒng)中。與NTRIP轉發(fā)器建立TCP連接成功后，具體發(fā)送報文如：

發(fā)送完上述報文時Ntrip轉發(fā)器則回復如下報文：

NTRIP客戶端將初始請求發(fā)送給NTRIP轉發(fā)器。第一行請求Source Table，最后一行請求結束。NTRIP轉發(fā)器將請求的數(shù)據(jù)作為回復發(fā)送。NTRIP客戶端的設計中分為兩個部分，NTRIP協(xié)議處理器和Rinex文件生成器。在Rinex文件生成器中對接收到的實時數(shù)據(jù)流以文件的形式進行存儲；而NTRIP協(xié)議處理器則負責建立TCP接收線程與NTRIP Caster進行交互，保持數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性。

3 結論

本文主要介紹了基于NTRIP協(xié)議的北斗地基增強數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)，其所支持的功能均已實現(xiàn)，并投入使用，經(jīng)過并發(fā)測試后發(fā)現(xiàn)，其最大支持 200個基準站和300個用戶終端同時接入使用，連續(xù)工作時間超過了3個月，通過在發(fā)送端和客戶端之間引入轉發(fā)器，將多個數(shù)據(jù)源轉發(fā)至上百個客戶端，通過TCP服務器有效地提升了差分數(shù)據(jù)的傳輸效率，為地基增強系統(tǒng)的應用打下了基礎[5]。

[1] 王淼，楊伯鋼，劉博文，等. 基于北斗的地理國情監(jiān)測關鍵技術與應用研究[C]. 衛(wèi)星導航定位與北斗系統(tǒng)應用2018——深化北斗應用促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2018.

[2] 祁芳，林鴻. Ntrip協(xié)議在CORS系統(tǒng)中的應用[J]. 城市勘測，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高精度位置服務平臺研究與實現(xiàn)[D]. 成都：西南交通大學，2015.

[5] 中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室. 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展報告（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，主要研究方向為導航方向算法。