基于Python设计的GNSS数据下载软件在卫星导航定位实验教学中的应用

吴汤婷， 梁 乔， 卢立果

（东华理工大学a.资源与环境经济研究中心；b.测绘工程学院，南昌 330013）

0 引 言

卫星导航定位课程是测绘类专业的必修课程，其目标是培养卫星导航定位领域科学研究、系统运维和生产运用等相关人才，推进我国国防现代化建设和国民经济常态化增长［1-5］。实验教学是卫星导航定位课程的重要组成部分，是对理论教学的补充和深化，在卫星导航定位人才培养体系中占有举足轻重的地位［6-9］。GNSS数据下载作为卫星导航定位实验课程的基础性环节，实验数据贯穿于实验课程的整个周期，对整个课程实践至关重要。但目前我院卫星导航定位实验课中，GNSS相关数据下载仍是基于传统模式完成：①学生需收集GNSS数据下载网址，了解数据存放位置和文件命名方式；②确定下载数据的时间，将常见的年月日转换为对应的年积日、GPS周和周内天数；③进入下载网址，在数据产品目录下基于年积日、GPS周和周内天数找到文件的存放目录；④在存放目录中搜寻目标文件的文件名，点击链接执行单个文件的下载，尤其当需要下载长时间的数据文件时，过程更是极其繁琐、工作量较大［10-11］，极大地影响了学生的实习积极性。

为减少学生不必要的时间耗费，使其更好地聚焦于实验数据的处理与分析，提升实验教学质量，亟需开发一款简便的GNSS数据下载软件，用于解决卫星导航定位实验教学过程中数据下载方面的困难。

1 软件设计

GNSS观测数据和后处理精密产品通常在IGS（国际GNSS服务，International GNSS Service）各数据中心下载，包含全球IGS站观测数据、广播星历、超快速/快速/最终精密星历、卫星钟差、周解、地球自转参数、卫星姿态改正、电离层延迟、对流层延迟和差分码偏差等，可为GNSS数据质量分析、精密单点定位、基线解算、对流层/电离层建模、时间序列分析等提供基础数据产品。传统下载模式的主要步骤是人工查询目标数据的存放地址，再基于浏览器发送下载请求完成下载任务。为保障软件设计的合理性，首先依据传统下载流程设计软件的主要功能模块，然后根据各模块完成具体的软件开发。

1.1 功能模块

基于手动下载模式的一般流程，软件设计包含参数设置、网址配置、发送请求和数据传输等4大功能模块，各模块间关系如图1所示。

各个模块的功能简要介绍如下：

（1）参数设置模块（软件主界面）。在该模块中，学生可根据实验需求灵活设置下载参数，主要包括选择文件类型、选择起止时间、选择添加IGS站和选择下载源等。

（2）网址配置模块（软件重要基础）。首先，将选择的起止时间（年月日）换算为年积日、GPS周和周内天数；然后，基于目标下载源的文件存储路径和软件界面参数设置，翻译配置出相应的URL统一资源定位符（Uniform Resource Locater）下载地址。

（3）发送请求模块（软件关键部分）。①判断URL下载地址的文本传输协议，针对HTTPS和FTP采用不同的请求方式；②自动模拟用户的登录操作；③向服务器发送下载请求以建立数据传输通道。

（4）数据传输模块（软件的核心）。此模块通过数据传输通道将服务器端文件写入本地电脑，完成下载任务。由于数据读写属于IO密集型计算，CPU利用率特别低［12］。因此，数据传输模块内融入了多线程技术，实现多个下载任务互不干扰并发运行，充分提高CPU利用率和I/O吞吐量，加快下载速度。考虑到实际下载过程中的各类突发状况，数据传输模块在算法层面支持断点续传、异常处理等功能，保障数据传输的稳定性和可靠性。

1.2 开发流程

根据上述各功能模块的设计，基于Python语言编写了一款GNSS数据下载软件（GNSS Data Download Software，GDDS）。其中，软件界面设计采用Python GUI库PyQt5编写，前后端的通信是通过信号与槽机制建立连接。软件开发设计遵循从前端到后端、从整体到局部的原则［13-15］，即先完成软件界面的开发设计，再实现后台数据下载的具体算法；先完成软件主要功能模块的开发，再丰富完善软件各细部。GDDS的开发流程如下：

（1）搭配组合PyQt5中的各类控件完成软件界面设计，主要设计的组件功能包含选择文件类型、选择起止时间、选择IGS站和选择下载源，GDDS主界面设计如图2所示。

（2）基于信号与槽之间的连接机制，为主界面中的“开始下载”等GUI控件对象编写槽函数，实现前端与后端的交互通信，槽函数对应的是配置网址模块、发送请求模块和数据传输模块中的主要算法。

（3）软件整体开发设计完成后，借助Python的PyInstaller模块将程序封装成独立的可执行文件（exe文件），便于学生上机实验使用。

2 软件参数设置

为突出GDDS软件操作简便、功能齐全等特色，加深学生对GDDS的认识，结合主界面中各类GUI控件，对软件主要操作步骤和功能做了如下介绍。

（1）选择文件类型。本软件支持下载的文件包含IGS站观测数据、广播星历、超快速/快速/最终精密星历、卫星钟差、周解、地球自转参数、卫星姿态改正、电离层延迟、对流层延迟和差分码偏差等，学生根据实验需求灵活选择。

（2）选择起止时间。选择文件对应的起始、终止时间，学生只需设置常见的年月日，软件后台会自动将其转换为年积日、GPS周和周内天数。

（3）选择IGS站。选择下载OBS观测文件时，需添加相应的IGS站。IGS站的添加提供3种方式：①通过列表框查找添加IGS站，并支持模糊搜索功能；②通过地图模式选择添加IGS站（见图3），此模式可直观地了解IGS站的地理环境，加深学生对全球IGS站空间分布的认识，便于研究全球区域的卫星导航定位差异；③直接输入完整的IGS站名，适合有明确下载目标的学生使用。

（4）选择下载源。软件支持的数据下载源包括美国NASA运维的中央数据库CDDIS，我国武汉大学运营的数据中心WHU，法国地理和森林信息研究所管理的数据中心IGN，欧空局维护的数据中心ESA以及韩国天文和空间科学研究所主管的数据中心KASI。因网络限制和服务器性能差异等因素，国内学生推荐选择武汉大学数据中心WHU，数据传输快且稳定。

（5）选择保存路径。学生根据个人需求选择合适的文件存储地址，若该地址下已包含此次下载的文件，软件会自动跳过该文件的下载。在下载海量GNSS数据时，该功能可避免冗余数据的下载，提高工作效率。

（6）开始下载。基于上述步骤自定义完成下载信息，便可一键式下载海量GNSS数据，下载进程可通过主界面进度条查看，下载完成的软件界面见图4。

3 教学效果

以笔者授课班级（学生63人）为实验对象，将GDDS软件应用于实验教学。上机实验时，要求学生在指定下载源上（本文选用WHU数据中心）用传统手动方式和GDDS软件分别下载最终精密星历、广播星历、BJFS站观测数据和30 s卫星钟差4种类型的GNSS数据，并记录各数据下载所花的时间。课程实验结束后，发放调查问卷表，对软件应用效果进行综合评价。

表1所示为学生采用两种下载方式的耗时统计表。由表1可知，基于GDDS软件的数据下载相较传统下载方式在效率方面有显著提升，针对不同的文件大小，下载效率提升程度也不同。对于单个文件大小不足1MB（最终精密星历和广播星历）的下载，GDDS软件的下载效率相较传统方式可提升30倍以上；对于单个文件大小超过1MB（IGS站观测数据和卫星钟差）的下载，下载效率可提升20倍以上。除此之外，所有类型的数据都集中在一个软件界面下，极大简化了不同下载路径下文件查找和下载的操作过程。

表1 两种下载方式耗时统计表

图5所示为软件应用认可度统计图。由图5可知，在下载流程方面，98.41%的学生认为该软件解决了传统手动下载模式复杂繁琐的问题，将大批量数据下载工作转变为“一键式”操作，极大地简化了数据下载流程；在实验兴趣方面，92.06%的学生认为该软件使各类数据易于获取，激发了参与课程实验的主动性和积极性；在数据认知方面，85.71%的学生认为基于GDDS软件可方便下载不同类型的数据，增加了对各数据内容的了解；在实验教学质量方面，93.64%的学生认为该软件能为数据下载节省大量时间，在上机实习时可以把更多的精力聚焦于后续实验数据的解算与分析，有利于实验教学质量的提高。

4 结 语

为贯彻“以教学需求为根本，同步建设配套软硬件”的实验教学要求，基于Python语言编写了一款GNSS数据下载软件，并用于辅助卫星导航定位实验教学，该软件具有支持下载的数据类型齐全、高效快捷、容错率高等特点。学生利用该软件，简化了数据下载流程，可以减少不必要的时间耗费，激发了学生的实习积极性和主动性，使其更好地聚焦于实验数据的处理与分析，为保障实验教学质量提供了较为有力的技术支撑。