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背斧国
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1 第 37 卷第 1 期 2018 年 3 月海岸工程 COASTAL ENGINEERING Vo.37 No.1 March,2018 基于混合编程的实时精密单点定位方法李梦昊 1, 王胜利 2, 高兴国 3, 陈冠旭 4, 刘焱雄 1 (1. 国家海洋局第一海洋研究所, 山东青岛 ;2. 山东科技大学, 山东青岛 ; 3. 山东电力工程咨询院有限公司, 山东济南 ;4. 武汉大学, 湖北武汉 ) 摘要 : 在已有后处理精密单点定位 Forran 程序的基础上, 基于 C/C++ 和 Forran 的混合编程技术, 实现了实时静态精密单点定位, 其中高精度卫星轨道及钟差参数由卫星广播星历和 SSR 改正信息数据流实时估算, 卫星观测数据流由 GNSS 接收机实时提供通过实时精密单点定位程序验证了混合编程技术的可行性, 对于相关的研究工作和精密单点定位的实时性应用具有参考价值 GPS 单系统实时静态精密单点定位试验结果表明 : 在 6h 观测时段,1s 采样间隔的情况下, 实时静态精密单点定位的收敛时间约为 30~100mn; 利用实时定位解算结果与测站精确坐标求差计算的 RMS, 收敛后可实现水平方向优于 5cm, 垂直方向优于 10cm 关键词 :SSR 改正信息 ; 混合编程 ; 实时精密单点定位 ;GPS 中图分类号 :P228 文献标识码 :A 文章编号 : (2018) do: /j.ssn 精密单点定位技术 (PrecsePonPosonng,PPP) 是基于精密 GNSS 卫星轨道和钟差产品实现的, 其利用单台接收机即可在全球范围内进行作业, 并直接获得厘米级精度的 ITRF 框架坐标 [1-3] 因而在海岛礁 [4] [5] [3,6-7] [8] 测绘海平面监测高精度潮汐测量航空测量等海工程方面具有广阔应用前景但精密单点定位技术大多使用事后精密卫星轨道和卫星钟差产品, 不能进行实时定位解算, 因而无法满足海洋工程的实时性需求 [9-11] 为推进 PPP 技术实时应用, 从 2007 年起,IGS(InernaonaGNSSServce) 开始运行 IGS- RTPP 项目 (IGSRea-TmePoProjec), 由各分析中心实时估计出广播星历的卫星轨道和钟差精密改正信息, 并采用 SSR(SaeSpaceRepresenaon) 信息格式实时播发 [12] 目前,BKG,DLR,ESOC,NRCan, GFZ 等 IGS 分析中心均可实时播发 SSR 改正信息基于 NTRIP(NeworkedTransporofRTCM vainerneprooco) 协议, 用户能够实时获取卫星轨道及钟差改正数据产品已有研究对比了由广播星历和 SSR 改正信息估算的实时产品和 IGS 最终产品, 结果表明 : 卫星位置互差的均方根值 (RMS) 优于厘米级, 钟差互差的 RMS 优于亚纳秒级, 实时估算的卫星轨道和钟差产品可满足静态实时 PPP 厘米级的定位需求 [12-17] 目前,PPP 软件的编写主要采用 Forran 语言和 C/C++ 语言 Forran 语言非常适合科学计算领域底层程序开发, 广泛应用于 GNSS 定位程序开发 [18] ;C/C++ 语言具有强大的系统编程和图形界面开发功能, 已成为 Lnux 平台最基本的编程工具 [19] 实时 PPP 软件的开发涉及硬件控制, 多在 Lnux 环境下运行若结合不同编程语言的风格特点充分发挥各自的优势, 即进行混合编程, 将对开发过程十分有利另外, 许多已有的 PPP 后处理软件采用了 Forran 语言编程, 采用混合编程可以最大限度地利用已有的程序, 节省人力和时间, 快速地将已有的后处理 PPP 软件转换为实时 PPP 应用程序, 推进实时 PPP 应用因此, 本文聚焦 Lnux 环境下 C/C++ 与 Forran 的混合编程技术, 基于混合编程, 利用广播星历和改正信息数据流实时估算 GPS 卫星轨道及钟差, 开发了实时精密单点定位软件, 并分析了实时定位结果收稿日期 : 资助项目 : 国家自然科学基金项目中国沿海海洋潮汐特征的 GPS 响应研究 ( ) 作者简介 : 李梦昊 (1993-), 男, 硕士研究生, 主要从事 GNSS 精密单点定位方面研究.E-ma:2z3e@163.com ( 王佳实编辑 )

2 1 期李梦昊, 等 : 基于混合编程的实时精密单点定位方法 67 1 C/C++ 和 Forran 混合编程的二个问题所谓混合编程, 即使用 2 种或 2 种以上的语言组合编程, 彼此间互相调用, 进行参数传递, 共享数据结构 [20] 或数据信息, 从而形成一个统一的程序实体的过程根据调用方式,C/C++ 和 Forran 混合编程可分为 C/C++ 调用 Forran 方式和 Forran 调用 C/C++ 方式这两种混合编程的方式不尽相同, 第一种方式采用 C/C++ 编写主函数, 调用 Forran 子函数 ; 第二种方式则相反, 主函数为 Forran 语言编写, 调用 C/C++ 编写的子函数函数调用过程可以使用直接调用和链接库调用两种方法前者是函数调用最常用的方法, 即主函数直接调用子函数, 在各种语言编程中均有体现 ; 而后者在实现时, 需要把 Forran 子函数编译成链接库, 在 Lnux 操作环境中, 常将其编译成动态链接库 (**.so) 文件或静态链接库 (**.a) 文件, 然后由主函数调用不同编程语言存在不同的约定, 必须对基本约定进行统一本文在 Lnux 平台中, 采用 C/C++ 直接调用 Forran 的方式编写了实时精密单点定位软件, 故这里仅对 C/C++ 调用 Forran 函数需要注意的 2 个问题进行详细说明 : 1) 名称重整在 C/C+ + 中, 函数重载使得编译后函数名与参数个数及参数类型相关, 即名称重整 (NameMangng) Forran 不具备名称重整的功能, 因此在 C/C+ + 调用 Forran 时, 应在 C/C+ + 的头 [21] 文件中使用 exern"c" 声明关闭名称重整在 Forran 中, 函数经过编译后会自动添加下划线, 如函数 es 会转变成函数 es_, 故在 C/C++ 声明和调用 Forran 子函数时, 应主动为函数添加下划线, 以免出现主函数找不到子函数的情况 C/C++ 调用 Forran 可用下述声明方法 #fdef cpuspus exern"c"{ #endf vodes_(n*,n*); es_ 为 Forran 子函数 #fdef cpuspus } #endf 2) 数据类型对应不同的编程语言具有不同的数据类型, 故需要使 C/C++ 与 Forran 的数据类型一一对应, 否则无法完成参数在不同语言间的传递和过渡表 1 是 C/C++ 与 Forran 主要数据类型的对应表除此之外, 字符串数据的传递方法较为复杂 C/C+ + 中, 字符串的存储以空字符 NULL 为结尾 ; Forran 中, 字符串没有结束符, 但有长度的概念因此, 需在 C/C++ 函数中添加一个额外的长度参数, 以 [19] 控制字符串的长度本文混合编程过程中未涉及字符串的传递, 故没有给出具体实例针对数组数据, C/C++ 中数组元素以行为主序 (row majororder), 且数组下标从 0 开始 ; 而 Forran 语言则是以列为主序 (coumnmajororder), 下标从 1 开始表 1 C/C++ 与 Forran 主要数据类型对应表 Tabe1 Acorrespondenceabeofdaaypes C/C++ 类型 Forran 类型描述 sgnedchar neger*1 8 位有符号整数 shor neger*2 16 位有符号整数 n neger*4 32 位有符号整数 foa rea*8 32 位浮点数 doube Doubeprecson 64 位浮点数

3 68 海岸工程 37 卷 2 实时精密单点定位方法 2.1 实时数据流的获取从实时性的角度考虑, 实现实时精密单点定位的前提是能够提供稳定的实时数据流本文利用 GNSS 接收机实时接收测站的观测数据及卫星广播星历, 通过网络从 IGS 分析中心依据 NTRIP 协议实时下载 GPS 卫星的 SSR 改正信息, 以改正广播星历获取高精度的实时卫星轨道和钟差参数由于 GNSS 接收机采集的数据和网络下载的改正信息均为 RTCM(RadoTechncaCommssonforMarmeServces) 格式的二进制数据, 故需进行数据解码, 以获得可用于 PPP 解算的实时数据流从定位精度的角度考虑, 实现精密单点定位的关键之处在于获得高精度卫星轨道和钟差数据本文使用 1060 格式的 SSR 改正信息, 它可以同时提供导航卫星的位置速度及钟差的改正信息利用 SSR 改正信息改正广播星历计算的卫星轨道和钟差, 生成 GPS 卫星系统实时精密星历轨道和钟差产品的具体方法可参见文献 [8-11] 一般,SSR 改正信息提供的卫星位置改正数据分为两类 : 一种是改正到卫星天线相位中心 ; 另一种是改正到卫星质心而 GPS 广播星历可以计算基于相位中心的卫星位置坐标, 若要获取卫星质心的位置坐标, 还需要进行卫星天线相位偏差改正本文使用 C/C++ 语言实现不同类型数据的获取解码以及卫星轨道和钟差的计算等功能, 并以结构体 (sruc) 形式将实时数据流传递给 Forran 子函数进行实时定位解算其中,Forran 子函数需要定义与 C/ C++ 同类型的结构体, 两种结构体的定义方式分别为 2.2 实时精密单点定位观测模型 C/C++ 结构体 ypedefsruc { na; doubeb; }sruc_es;!! Forran 结构体 ypesruc_es neger*4a rea*8b endype Forran 子函数获取实时数据流后, 通过数据预处理可剔除异常观测值, 获得干净的观测数据采用双频非差消电离层组合观测值, 将测站坐标接收机钟差对流层延迟以及模糊度作为未知参数, 并使用误差改正模型尽量消除各项误差的影响逐历元组成观测方程, 解算并输出实时精密单点定位的结果 [22], 其中观测方程为 PIF = f2 1P1 -f 2 2P2 =ρ+c(dt -d)+trop f 2 1 -f 2 +εp, (1) 2 LIF = f2 1L1 -f 2 2L2 =ρ+c(dt -d)+trop + (f 2 f 2 1 -f 2 2 f 2 1 -f 2 1 N1 -f1f2 N2)+εL, (2) 2 式中,PIF 为消电离层伪距组合观测值 ;LIF 为消电离层载波相位组合观测值 ; ρ 为接收机和卫星之间的距离 ; c 为光速 ;dt,d 分别为接收机与卫星的钟差 ;Trop 为对流层延迟误差 ;N1,N2 为双频载波模糊度 ;εp ἐl λ1

4 1 期李梦昊, 等 : 基于混合编程的实时精密单点定位方法 69 为观测噪声由图 1 可见实现实时精密单点定位的流程, 表 2 到出了实时精密单点定位具体采用的数据处理策略图 1 实时精密单点定位流程图 Fg.1 Fowcharofrea-meprecseponposonng 表 2 数据处理策略 Tabe2 Daaprocessngsraegy 参数处理策略测站坐标相位模糊度对流层延迟接收机钟差卫星轨道及钟差电离层延迟相位中心偏差相对论效应固体潮极潮伪距估算 + 参数估计参数估计 Saasamonen 模型 +GMF 映射函数 + 随机游走过程 + 参数估计参数估计广播星历 + 实时轨道钟差改正数据双频消电离层组合绝对天线相位中心 (IGS08) 模型改正 (IS-GPS-200D2004) 模型改正 (IERSConvenons2010) 模型改正截止高度角 10 3 试验分析本文基于实时精密单点定位软件, 选取 CLKL2( 格式 1060) 挂载点, 实时获取基于相位中心的 SSR 改正信息, 其同时提供 GPS 的卫星轨道和钟差改正数据, 使用 GPS 单系统模式, 进行了静态实时精密单点定位试验试验的时间跨度 3d, 每次试验连续观测时长 6h, 采样间隔均为 1s 为分析实时精密单点定位结果, 将实时定位结果与测站精确坐标进行比较, 并把坐标差异的时间序列输出成图

5 70 海岸工程 37 卷由图 2 可见,试验期间可用卫星个数( s a num)及其对应的 PDOP 值, GPS 单系统模式下共有 5~9 颗可用卫星,试验期间可用卫星数量十分充足;绝大多数历元的 PODP 值约 1~3,部分历元的 PODP 值略大于 3,故可认为试验期间 GPS 卫星几何图形强度良好图 2 可用卫星数目和 PDOP 值 F 2 Thenumbe ro fava ab es a e e sand hepdopva ue g. 图 3 实时精密单点定位结果 F 3 Re su so fr e a mep r e c s epo n po s on ng g.

6 1 期李梦昊, 等 : 基于混合编程的实时精密单点定位方法 71 图 3 分别给出了年积日 273 年积日 274 及年积日 275 实时精密单点定位结果差值的时间序列子图从定位结果可看出, 单 GPS 模式下实时精密单点定位在 30~100mn 左右可以完成收敛本文使用的收敛标准为定位结果偏差达到 ±0.1m, 且之后 20 个历元的偏差均维持在 ±0.1 m 以内收敛后, 水平方向定位结果精度较高, 定位精度逐步稳定在 5cm 以内 ; 垂直方向随着收敛时间的增加, 定位精度也可以稳定至 10cm 以内在收敛过程中, 部分历元定位结果存在较小幅度的波动, 如年积日 273 的 1~2h 区间, 在 U 方向, 实时定位结果上下波动约 5cm, 对比年积日 273 可用卫星统计图发现, 在 1~2h 区间, 可用卫星数目变化频繁,PDOP 值大于 4, 卫星几何图形强度较差, 小幅度的波动与卫星几何图形强度和卫星变化有关表 3 统计了实时精密单点定位收敛后定位结果偏差的平均值标准差从表 3 可看出,GPS 单系统实时单点定位精度在 N E 方向均可以达到 5cm 以内,U 方向在 10cm 以内统计结果也说明本文的实时精密单点定位软件能够达到厘米级的定位精度表 3 实时精密定位结果偏差统计 Tabe3 Basedsascsofherea-meprecseponposonngresu 年积日 N E U 平均值 /m 标准差 /m 平均值 /m 标准差 /m 平均值 /m 标准差 /m 均值结论与展望本文研究了在 Lnux 环境下 C/C++ 与 Forran 的混合编程技术, 基于混合编程, 采用广播星历和 SSR 改正信息产品, 完成高精度的卫星轨道和钟差参数的实时估算, 实现了实时精密单点定位试验结果表明 : GPS 单系统实时精密单点定位可在 30mn 左右完成收敛收敛后, 在水平方向上, 定位精度相对较高, 且 N 和 E 方向具有相似的精度, 可以稳定在 5cm 以内 ; 在垂直方向上, 定位精度逐渐提高且稳定至 10cm 以内这也表明本文通过混合编程技术编制的实时定位软件已具备了实时精密单点定位的能力本文的研究是在已有 FORTRAN 语言编制的后处理 PPP 软件基础上完成的目前, 国际上主要的 GNSS 综合数据处理软件是用 FORTRAN 语言编制的 ; 受此影响, 国内外的很多 PPP 软件也是采用 FOR- TRAN 语言开发的本文的工作也表明, 可充分利用已有的 FORTRAN 软件包和子程序, 通过混合编程可实现后处理 PPP 软件的实时应用, 这对于相关的研究工作和 PPP 的实时性应用具有参考价值本文的研究也发现,GPS 单系统的卫星数量不够多时, 出现收敛时间长和精度不稳定的情况, 针对这一现象, 实时精密单点定位软件需下一步工作中加入其他卫星系统, 以减少单系统频繁换星对定位结果的影响参考文献 (References): [1] LIUJN,YESR.GPSprecseponposonngusngundferencedphaseobservaon[J].GeomacsandInformaonScenceofWuhan Unversy(GeomacsandInformaonScence),2002(3): 刘经南, 叶世榕.GPS 非差相位精密单点定位技术探讨 [J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版 ),2002(3): [2] KOUBAJ,HEROUXP.PrecseponposonngusngIGSorbandcockproducs[J].GPSSouons,2001,5(2): [3] YAN XC.Researchonheappcaonofprecseponposonngechnoogynmarnesurvey[D].Zhengzhou:PLAInformaonEng-

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8 1 期李梦昊, 等 : 基于混合编程的实时精密单点定位方法 73 Rea-mePrecsePonPosonngBasedon MxedProgrammng LIMenḡhao 1,WANGShenḡ 2,GAO Xnḡguo 3,CHEN Guan-xu 4,LIU Yan-xong 1 (1.TheFrsInsueofOceanography,SOA,Qngdao266061,Chna; 2.ShandongUnversyofScenceandTechnoogy,Qngdao266590,Chna; 3.ShandongEecrcPowerEngneerngConsungInsueCorp.,Ld,Jnan250014,Chna; 4.WuhanUnversy,Wuhan430079,Chna) Absrac:OnhebassofheFORTRAN programhahasheexsngposprocessngforheprecse ponposonngdaa,herea-mesacprecseponposonngsreazedbymeansofac/c++-forran mxedprogrammng,nwhchheparameersofhgh-precsonsaeeorbandcockdferenceare rea-meesmaedhroughhesaeebroadcasephemersandhessr correconnformaon daa sream,andhesaeeobservaondaafowsareprovdedbygnssrecevernreame.thefeasby ofhemxedprogrammngechnoogycanbevadaedbyherea-meprecseponposonngprogram, whchsofgoodreferencevaueforhereevanresearchesandherea-meappcaonofherea-me sacprecseponposonng.theresusfromherea-mesacprecseponposonngesofgps sngesysemndcaehaheconvergencemeofherea-mesacprecseponposonngsabou30 ~100mnunderhecasesof6-hourobservaonsessonand1secondsampngnerva.TheRMScacua- edaccordngohereameposonngresusandheexaccoordnaedferenceofhesaonsarebe- erhan5cmhorzonayand10cmvercayaferheconvergence. Keywords:SSRcorreconnformaon;mxedprogrammng;rea-meprecseponposonng;GPS Receved:Ocober26,2017

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自然科学版预处理视盘粗定位视盘垂直坐标的粗定位视盘水平坐标的粗定位自然科学版文章编号视网膜图像中视盘的快速自动定位方法赵晓芳林土胜李碧摘要基于眼底视网膜血管的分布结构及视盘本身的特点提出一种快速自动定位视盘的方法首先根据视网膜血管的网络分布结构大致定位视盘的垂直坐标然后根据视盘的亮度信息及视盘与血管的关系来定位视盘的水平坐标最后把视盘限定在以粗定位的视盘为中心的一个小窗口内用变换精确定位视盘中心该方法不需要事先分割视网膜血管也不需要对算法进行训练