[学习]RTKLib详解：rtksvr.c与streamsvr.c

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本文是 RTKLlib详解 系列文章的一篇，目前该系列文章还在持续总结写作中，以发表的如下，有兴趣的可以翻阅。

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Part A ： rtksvr

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一、整体作用与工作流程分析

rtksvr.c是RTK（实时动态定位）服务器的核心模块，负责处理多源输入数据（如观测值、星历、SSR修正等），执行实时动态差分定位解算，并输出高精度定位结果。其工作流程如下：

1. 数据输入：通过多个流（stream）接收原始观测数据、星历、SSR修正等。
2. 数据解码：调用decoderaw解析原始数据或RTCM格式数据，提取观测值、星历等信息。
3. 状态更新：通过updatesvr更新服务器状态，包括导航数据、天线位置、SSR修正等。
4. 定位解算：利用RTK算法（如双差载波相位处理）计算移动站位置。
5. 结果输出：通过writesol将解算结果写入输出流，并保存至缓冲区或监控端口。

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二、函数详细说明

1. writesolhead：写入解算结果头部

• 功能：生成并写入解算结果的头部信息（如坐标系、时间格式）。
• 参数：
  • stream_t *stream：输出流指针。
  • solopt_t *solopt：解算选项（如输出格式）。
• 流程：调用outsolheads生成头部数据，通过strwrite写入流。

2. saveoutbuf：保存输出缓冲区

• 功能：将解算结果存入环形缓冲区，支持多线程安全。
• 参数：
  • rtksvr_t *svr：RTK服务器结构体。
  • unsigned char *buff：待保存的数据缓冲区。
  • int n：数据长度。
  • int index：缓冲区索引（区分不同输出流）。
• 关键操作：加锁（rtksvrlock）后复制数据至svr->sbuf[index]，更新缓冲区指针nsb。

3. writesol：输出解算结果

• 功能：将定位结果写入输出流，并保存至缓冲区和监控端口。
• 参数：rtksvr_t *svr（服务器状态）、int index（流索引）。
• 流程：
  • 调用outsols生成标准解算结果，outsolexs生成扩展结果。
  • 通过strwrite写入流，并调用saveoutbuf保存数据。
  • 监控端口输出使用简化格式（solopt_default）。

4. updatenav：更新导航数据波长

• 功能：计算卫星信号的波长（$\lambda$），用于载波相位解算。
• 数学原理：波长公式为$\lambda =c/f$，其中$c$为光速，$f$为频率。
• 参数：nav_t *nav（导航数据结构体）。
• 实现：遍历所有卫星和频率，调用satwavelen计算波长并更新nav->lam。

5. updatefcn：更新GLONASS频率信道

• 功能：同步不同数据流中的GLONASS卫星频率信道号（frq）。
• 参数：rtksvr_t *svr。
• 流程：遍历GLONASS卫星，从任意流中获取有效frq，更新其他流的导航数据。

6. updatesvr：更新服务器状态

• 功能：根据解码结果更新导航数据、观测值、SSR修正等。
• 参数：
  • rtksvr_t *svr：服务器状态。
  • ret：数据类型标识（如1=观测值，2=星历）。
  • obs_t *obs：观测数据结构体。
  • nav_t *nav：导航数据结构体。
• 关键逻辑：
  • 观测值：筛选有效数据并排序。
  • 星历：更新GPS/GLONASS星历，确保时效性。
  • SSR修正：检查轨道与钟差IOD一致性，避免数据冲突。

7. decoderaw：解码原始数据

• 功能：解析原始数据或RTCM消息，提取观测值、星历等信息。
• 参数：rtksvr_t *svr、int index（流索引）。
• 返回：解码结果状态（如1=观测值解码成功）。

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三、函数调用关系图（Mermaid）

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四、数学原理与公式

RTK定位基于双差载波相位观测模型，关键公式如下：

1. 双差观测方程：
   $$\nabla \Delta \varphi =\nabla \Delta \rho +\lambda \nabla \Delta N+\nabla \Delta ϵ$$

   • $\nabla \Delta \varphi$：双差载波相位（单位：周）。
   • $\nabla \Delta \rho$：双差几何距离。
   • $\nabla \Delta N$：双差整周模糊度。
   • $\lambda$：信号波长。

2. Kalman滤波状态更新：
   $${\hat{x}}_k={\hat{x}}_{k-1}+K_k(z_k-H_k{\hat{x}}_{k-1})$$

   • $K_k$：卡尔曼增益。
   • $z_k$：观测向量。
   • $H_k$：设计矩阵。

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五、关键数据结构

• rtksvr_t：包含服务器状态、缓冲区、导航数据（nav）、解算结果（rtk）等。
• nav_t：存储星历、电离层参数、SSR修正等。
• solopt_t：定义解算结果的输出格式选项。

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Part A：streamsvr.c

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一、整体作用与工作流程分析

streamsvr.c是 RTKLIB 流服务器模块的核心部分，主要用于 多源数据流的格式转换与分发，支持将输入流（如接收机原始数据）转换为指定格式（如 RTCM 消息）并输出。其核心功能包括：

1. 数据流转换：支持从原始数据（raw_t）或 RTCM 数据（rtcm_t）转换为目标格式。
2. 消息生成：按配置生成观测数据（OBS）、导航数据（NAV）及站信息（STA）的 RTCM 消息。
3. 周期性输出：根据时间间隔（tint）控制消息的发送频率，支持循环发送导航数据。

工作流程：

1. 初始化转换器：调用 strconvnew 创建流转换器，解析消息类型与时间间隔。
2. 数据解码与转换：根据输入流类型（itype）调用 raw2rtcm 或 rtcm2rtcm 将数据复制到目标结构。
3. 消息生成与发送：通过 write_obs 和 write_nav 生成 RTCM 消息，调用 strwrite 写入输出流。
4. 循环导航数据：write_nav_cycle 使用 nextsat 选择下一颗卫星的星历，周期性发送。

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二、函数详细说明

1. strconvnew：创建流转换器

• 功能：初始化流转换器，解析消息类型与时间间隔，分配内存并配置 RTCM/原始数据结构。
• 参数：
  • int itype：输入流类型（如 STR_RAW 或 STR_RTCM）。
  • int otype：输出流类型（如 STRFMT_RTCM3）。
  • const char *msgs：消息类型与间隔（如 "1019(30),1020(30)"）。
  • int staid：站 ID。
  • int stasel：站信息选择（0=远程，1=本地）。
• 关键逻辑：
  • 解析 msgs 字符串，提取消息类型（如 1019）和间隔（如 30 秒）。
  • 初始化 rtcm_t 和 raw_t 结构，配置选项（如 -EPHALL 强制包含所有星历）。

2. raw2rtcm：原始数据转 RTCM

• 功能：将接收机原始数据（raw_t）复制到 RTCM 结构（rtcm_t）。
• 参数：
  • rtcm_t *out：目标 RTCM 结构。
  • const raw_t *raw：源原始数据。
  • int ret：数据类型标识（1=观测值，2=星历，9=UTC/电离层参数）。
• 数据映射：
  • 观测值：out->obs.data[i] = raw->obs.data[i]。
  • 星历：根据卫星系统（GPS/GLONASS）复制到 nav.eph 或 nav.geph。

3. write_obs：生成观测数据消息

• 功能：按配置生成观测数据 RTCM 消息并写入输出流。
• 参数：
  • gtime_t time：当前时间。
  • stream_t *str：输出流指针。
  • strconv_t *conv：流转换器。
• 逻辑：
  • 检查消息类型是否为观测数据（is_obsmsg）且满足时间间隔（is_tint）。
  • 调用 gen_rtcm2 或 gen_rtcm3 生成消息，通过 strwrite 发送。

4. nextsat：选择下一颗卫星

• 功能：循环选择下一颗卫星的星历，用于周期性导航数据输出。
• 参数：
  • nav_t *nav：导航数据结构。
  • int sat：当前卫星编号。
  • int msg：消息类型（如 1019=GPS 星历）。
• 逻辑：
  • 根据消息类型确定卫星系统（如 1019 对应 GPS），遍历 PRN 号寻找有效星历。
  • 返回下一颗有效卫星编号，若无则重置为起始 PRN。

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三、函数调用关系图（Mermaid）

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四、数学原理与关键公式

1. 时间间隔检查：
   $$\text{is\_tint}(t)=\{\begin{array}{ll}1& \text{if }\text{mod}(t_{\text{GPST}}+\Delta ,T)\le 2\Delta \\ 0& \text{otherwise}\end{array}$$

   • 其中 $t_{\text{GPST}}$ 为 GPS 时间，$T$ 为间隔，$\Delta$ 为容差（DTTOL）。

2. 星历循环逻辑：

   • 对卫星 PRN 号进行模运算，确保周期性遍历所有有效星历：
     $$p_{\text{next}}=\{\begin{array}{ll}{p}_1& \text{if }p\ge p_2\\ p+1& \text{otherwise}\end{array}$$
     • $p_1$ 和 $p_2$ 为 PRN 范围（如 GPS: 1-32）。

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五、关键数据结构

• strconv_t：流转换器配置，包含消息列表、时间间隔、RTCM/原始数据实例。
• rtcm_t：存储 RTCM 消息的观测值、星历、站信息及生成缓冲区。
• nav_t：导航数据，包括星历（eph）、GLONASS 星历（geph）、电离层参数等。

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