ION——GNSS软件接收机元数据标准

翻译：http://blog.csdn.net/jimmyisme/article/details/78863789

        GNSS软件无线电是GNSS接收机研究和设计中一个迅速发展的领域。在过去几年间，这个领域里取得了巨大的发展。大学和其它研究机构已经开发和展示了先进的能力，尤其是在有挑战的环境下对多星座GNSS和GNSS+多传感器导航处理。最近商用的多传感器数据采集设备，开发平台和开源软件项目都在快速创新步伐中催生。事实上，从现在到未来十年，软件无线电可能成为一个重要的商用GNSS接收机结构，部署多个全球或区域性的导航卫星星座及其不同的信 结构，以及并行低功耗处理器和廉价传感器的快速发展。

        非实时软件接收机操作场景涉及样本的存储和后处理。这些采样的数据文件可以被用于GNSS接收机实验室测试和评估中的射频回放系统。后处理和/或回放要求几个通用的前端参数例如射频和中频中心频率，采样频率，文件形式，以及GNSS专用信息例如天线定位和类型。我们定义这些信息是GNSS软件接收机的元数据。元数据的手动转换是今天常用的方法，这是起码一个繁琐而容易出错的过程，没有建立自动进行元数据交换的方法。

        在ION GNSS+ 2013年会中，一组参会者讨论了GNSS 软件接收机元数据交换的官方标准的需求。这个小组确定从事这项活动目前具有以下好处：

   ■  它确定并将国际GNSS软件接收机 区合为一体成为一个工作组。为了获得广泛的认可和使用，这种合作至关重要。

   ■  标准化将有助于避免技术细分问题，同时通过标准实践和合规工具促进创新步伐。

   ■  正式标准如果得到广泛采用，将有助于确保未来GNSS软件接收机的兼容性和互操作性。 具体而言，前端不明的“即插即用”式软件接收机开始被设想。 这些将有可能彻底改变未来的定位，导航和定时（PNT）系统。

        在过去的二十年中，大部分显著的GNSS软件接收机领域的出版物和贡献者大部分都是ION成员，并经常出席与会。因此，我们决定通过ION赞助来实现这个标准。 在2014年1月在圣地亚哥举行的理事会会议上，ION批准了建立正式标准的过程。 ION GNSS 软件接收机元数据工作组（WG）于2014年4月成立。成员涵盖美国，欧洲，亚洲和大洋洲的学术界，工业界（包括GNSS SDR产品供应商以及传统的GNSS设备制造商），非盈利研究结构和政府机构。

GNSS元数据标准化的理由

        图2 显示的是与图1采用元数据标准的相同系统。如图所示，每个DCS与软件接收机一同产生一个兼容的元数据文件。元数据文件由兼容软件接收机处理器读入以正确方式解码，并无缝文件处理。

        采用元数据标准有利于数据采集系统的开发者，因为他们的系统将变得适用于更广泛的用户群体。类似，SDR处理器的效果在能够无缝地支持来自多源的多文件格式时被扩展。因此，元数据标准化促进了GNSS SDR系统的互操作，并极大的简化了组间文件的交换。

        元数据标准化还有利于后处理GNSS SDR以外的其他用途。例如，考虑使用元数据规范来合成用于RF回放系统的兼容的SDR文件。 此外，兼容的SDR文件库包含各种真实世界中的场景，这可以在兼容的RF回放模拟器中互换使用，以便对GNSS接收机进行重复性和一致性的测试。

SDR数据采集拓扑

        ION执行委员会规定，这个标准化活动不应对任何实体造成不公平。具体来说，该标准不要求任何现有系统进行数据格式更改以达到合规。这个“不伤害”的规定意味着该标准被设计为支持所有当前和未来的SDR文件格式。它也意味着工作组必须“一次性正确”，因为对标准的重大修改是不可取的，并且这不利于广泛采用的目标。因此，我们考虑了可能的GNSSSDR数据收集拓扑的整个空间。

        元数据标准让用户能够指定二进制文件的广泛属性。其中一些属性与数据收集方案本身有关，例如时间、地点以及方案的类型。数据集的其它属性与特定RF数据相关通过中频采样被捕获。其它细节如中频数字化配置和数据打包。这些在下面简要地总结。参数中的一部分是自由形式的文本，整型、浮点型变量以及枚举。主要类型如图4所示。

        元数据“会话”类型保存细节包括：时间、位置、度量活动以及场景类型。“文件”类型包括：相应二进制数据文件的路径、时间戳信息以及包括“通道”的引用(如下所述)。“系统”类型包括：数据记录设备细节，例如设备姓名，参考时钟频率和天线细节/规格。元数据标准允许规定各种RF频带，每个“频带”类型包括频带中心频率、中频频率、带宽和群延迟偏差的细节。

        二进制数据的实际格式在“通道”类型，它允许指定二进制数据打包模式的层次结构，称之为“数据块”，“大数据块”以及“数据团”。这些类型指定了打包中频数据和可选的附加数据，例如：传感器测量或信息配置，并进一步排列指定相对于标准世界大小（字节，短整型，整型，长整型等）。这些数据块中的原始中频样本的排列由“流”类型。这个类型指定相关RF频带，采样率，量化，样本类型（实数/复数），样本的编码/对齐。这些类共同包含足够的信息可以清晰解释打包的二进制数据。

规范性参考软件

        规范性参考实施分委员会的主要责任是减少通过工作组协商达成一致制定的概念设计，并根据行业最佳实践开发一个兼容软件库实施。工作组很幸运地接受了自愿参与这项任务的GNSS SDR供应商。

        工作组决定在公开发布的参考软件库上开发该标准。这项工作的目标是促进标准的早期和广泛采用，使供应商和研究人员能够轻松的将标准库集成到现有软件中，从而实现标准兼容。这项工作的范围有两方面，一是开发元数据解释，二是用这个元数据解释开发二进制数据转换器。

        第一个贡献是一个能从恰当原型数据结构产生的标准兼容元数据文件的库，这个库能够将这些文件内容读回数据结构。第二个贡献是以能够基于相关元数据描述的存储并转换为二进制中频拿数据。结合起来，希望这两个库提供充足的功能在SDR中采纳元数据标准，或作为针对被验证的标准实施的基准。

        该软件是C++写的，并采用CMake管理。它能被分为两个库：“apilib”实现元数据的解释，而“Converterlib”实现二进制数据转换，并伴随着一系列的终端，包括数据转换应用和简单测试应用。该软件位于GitHub帐 上，链接如下：https://github.com/IonMetadataWorkingGroup/GNSS-Metadata-Standard.

        元数据解释器库包括：读取器功能，能够存储元数据文件并填充相应元数据对象，然后通过选择成员函数来查询。类似，可以通过一系列成员函数被实例化并配置元数据对象，随后可以指示写入对应的元数据文件。

        如图6描述，第二个功能是通过将数据转换器嵌入“前端”来实现的。该前端提供了一种装载二进制数据文件的短部分并将其转换为用户指定的数据的方法在处理不同的流以不同的速率进行采样时，处理诸如样本对齐之类的细节时，输入（int8，int16，float，double等）。

        该软件套件包括一系列示例二进制数据集和相关的元数据文件以及一个简单的MATLAB / Octave脚本，以便根据参考数据集测试构建。 迄今为止，存储库中已经包含了五种不同的文件格式，其中包括各种各样的前端配置和数据打包变化。

        一部分工作组的成员自愿规范草案对SDR数据文件进行“盲测”。这涉及交换SDR数据文件和相关的元数据规范，并在各方之间核实、验证文件可以在没有附加信息的情况下被完全解码。 工作组成员参加。 参与此项活动的工作组成员将由合规验证分委员会组成。

SDR 数据存储库

        与大多数标准和编程项目一样，通过很好的例子可以很好地理解它们。 因此，已经创建了页面：http://sdr.ion.org/api-sample-data.html，并包含多个二进制示例文件以及元数据文件。 所有的文件集都经过测试，符合标准，可以被规范的参考软件读取。 二进制文件通常包含超过60秒的持续时间的样本，并且通过至少一个软件接收机实现已经获得定位。

         更多的例子将被增加，不仅强调新的数据记录系统，而且还描述不同的SDR应用如天线阵列，反射测量或离子闪烁分析。此外，仅在地球某些特点位置（例如准天顶卫星系统[QZSS]）看到的来自GNSS的数据的方式也正被考虑。

         鼓励组织联系工作组，如果他们拥有目前在存储库中不充分代表的格式的文件或代表迄今尚未考虑的用例。 页上给出对应的联络点。工作组将对创建的文数据文件进行保存（若不可用时），校验并整理上传。

James T. Curran received a B.E. inElectrical & Electronic Engineering in 2006 and a Ph.D. inTelecommunications in 2010 from the Department of Electrical Engineering,University College Cork, Ireland. He worked as a senior research engineer withthe PLAN Group in the University ofCalgary, Canada, from 2011 to 2013 and as a grant-holder at the Joint Research Center (JRC) of the European Commission (EC), Italy from2013. Curran is currently a radio-navigation engineer at the European Space Agency (ESA) in theNetherlands. His main research interests are signal processing, informationtheory, cryptography, and software defined radio for GNSS.

Markel Arizabaleta has a M.Sc. fromthe University of the Basque Country (UPV-EHU) in TelecommunicationEngineering. He studied the last year in Tampere University of Technology (TUT)where he worked on joint 5G mobile communication and positioning systems andjoined the Universit?t der Bundeswehr München in 2017 where he is involved insignal processing for satellite navigation systems.

ThomasPany is with the Universit?t der Bundeswehr München at the faculty of aerospaceengineering where he teaches satellite navigation. His research includes allaspects of navigation ranging from deep space navigation over new algorithmsand assembly code optimization. Currently he focuses on GNSS signal processingfor Galileo second generation, GNSS receiver design and GNSS/INS/LiDAR/camerafusion. To support these activities, Pany is developing a modular GNSS test bedfor advanced navigation research. Previously he worked for IFEN GmbH and IGASPIN GmbH and is the architect of the ipexSR and SX3 softwarereceiver. Pany has around 200 publications including patents and onemonography.

SanjeevGunawardena is a Research Assistant Professor ofElectrical Engineering with the Autonomy & Navigation Technology (ANT)Center at the Air Force Institute of Technology (AFIT). His researchinterests include RF design, digital systems design, high performancecomputing, software defined radio, and all aspects of GNSS receivers andassociated signal processing.