GPS测量中的数据格式——RINEX格式说明

Posted 2022-11-08 大作家佚名

1. RINEX格式简介

GPS 数据处理时, 所采用的观测数据来自进行野外观测的 GPS 接收机。接收机在野外进行观测时, 通常将所采集的数据记录在接收机的内部存储器或可移动的存储介质中。在完成观测后, 需要将数据传输到计算机中, 以便进行处理分析,这一过程通常是利用 GPS 接收机厂商所提供的数据传输软件来进行的, 传输到计算机中的数据一般采用 GPS 接收机厂商所定义的专有格式以二进制文件的形式进行存储。一般说来, 不同 GPS 接收厂商所定义的专有格式各不相同, 有时甚至同一厂商不同型号仪器的专有格式也不相同。专有格式具有存储效率高、各类信息齐全的特点,但在某些情况下, 如在一个项目中采用了不同接收机进行观测时, 却不方便进行数据处理分析, 因为, 数据处理分析软件能够识别的格式是有限的。

RINEX (Receiver INdependent EXchange format, 与接收机无关的交换格式) 是一种在 GPS 测量应用中普遍采用的标准数据格式, 该格式采用文本文件形式存储数据, 数据记录格 式与接收机的制造厂商和具体型号无关。

RINEX 格式由瑞士伯尔尼大学天文学院 (Astronomical Institute, University of Berne) 的 Werner Gurtner 于 1989 年提出, 当时提出该数据格式的目的是为了能够综合处理在 EUREF 89(欧洲一项大规模的 GPS 联测项目) 中所采集的 GPS 数据, 该项目采用了来自 4 个不同厂商共 60 多台 GPS 接收机。

现在, RINEX 格式已经成为了 GPS 测量应用中的标准数据格式, 几乎所有测量型 GPS 接收机厂商都提供将其专有格式文件转换为 RINEX 格式文件的工具, 而且, 几乎所有的数据分析处理软件都能够直接读取 RINEX 格式的数据。这意味着在实际观测作业中可以采用不同厂商、不同型号的接收机进行混合编队, 而数据处理则可采用某一特定软件进行。

经过多年不断地修订完善, 目前应用最为普遍的是 RINEX 格式的第 2 个版本, 该版本 能够用于包括静态和动态 GPS 测量在内的不同观测模式数据。

2. 文件类型及命名规则

2.1. 文件类型

在 RINEX 格式的第 2 版中定义了 6 种不同类型的数据文件, 分别用于存放不同类型的数据, 它们分别是: 用于存放 GPS 观测值的观测数据文件, 用于存放 GPS 卫星导航电文的导航电文文件, 用于存放在测站处所测定的气象数据的气象数据文件, 用于存放 GLONASS 卫星导航电文的 GLONASS 导航电文文件,用于存放在增强系统中搭载有类 GPS 信号发生器的地球同步卫星 (GEO) 的导航电文的 GEO 导航电文文件和用于存放卫星和接收机时钟信息的卫星和接收机钟文件。对于大多数 GPS 测量应用的用户来说, RINEX 格式的观测数据、导航电文和气象数据文件最为常见, 前两类数据在进行数据处理分析时通常是必需的, 而其他类型的数据则是可选的, 特别是 GLONASS 导航电文文件和 GEO 导航电文文件平时并不多见。

2.2. 命名规则

RINEX 格式对数据文件的命名有着特殊规定, 以便用户仅通过文件名就能很容易地区分数据文件的归属、类型和所记录数据的时间。根据规定, RINEX 格式的数据文件采用 $8.3$ 的命名方式, 完整的文件名由用于表示文件归属的 8 字符长度的主文件名和用于表示文件类型的 3 位字符长度的扩展名两部分组成, 其具体形式如:

• ssssdddf, yyt

其中:
ssss：4 字符长度的测站代号。
ddd：文件中第一个记录所对应的年积日。
f: 一天内的文件序号, 有时也称为时段号。取值从 $0\sim 9,\mathrm{A}\sim Z$, 当为 0 时, 表示文件包含了当天所有的数据。注意, 文件序号的编列是以整个项目在一天内的同步观测时段为基础,而不是以某台接收机在一天内的观测时段为基础。例 如, 在某一天, 某个项目共采用 4 台接收机进行观测 : 第 1 个时段, 所有 4 台接收机均参与观测, 在该时段中, 这 4 台接收机所对应的数据文件序号就为 1 ; 第 2 个时段, 只有 3 台接收机参与观测,在该时段中, 这 3 台接收机所对应的 数据文件序号就为 2 ; 第 3 个时段, 又是所有 4 台接收机参与观测, 在该时段 中,包括那台在第 2 时段中末进行观测的接收机在内的 4 台接收机所对应的 数据文件序号均为 3 。
$\mathrm{yy}：$ 年份。
$\mathrm{t}$ : 文件类型, 为下列字母中的一个：
O一观测值文件;
$\mathrm{N}-\mathrm{GPS}$ 导航电文文件;
$\mathrm{M}$ 一气象数据文件;
G-GLONASS 导航电文文件;
$\mathrm{H}$ 一地球同步卫星 GPS 有效载荷导航电文文件;
C-钟文件。
例如: 文件名为 WHN $11410.040$ 的 RINEX 格式数据文件, 为点 WHN1 在 2004 年 5 月 20 日 (年积日为 141 ) 整天的观测数据文件; 而文件名为 WHN11410. 04N 的 RINEX 格式数 据文件, 则相应为在该点上进行观测的接收机所记录的导航电文文件。

2.3. 文件结构及特点

RINEX 格式的数据文件采用文本形式进行存储, 可以使用任何标准文本编辑器进行查RINEX 格式文件的结构是以节、记录、字段和列为单位逐级组织的。所有类型的 RINEX 格式文件都由文件头和数据记录两节所组成。每一节中含有若干记录,每一记录通常为一行, 由若干字段所组成, 每行最大字符数为 80 , 当一个记录的内容超过 80 个字符时, 可以续行, 字段在行中所处的位置及宽度 (即起始列和列宽)有严格规定, 不能错位。

RINEX 格式文件的文件头用于存放与整个文件有关的全局性信息,位于每个文件的最前部, 其最后一个记录为“END OF HEADER”。在文件头中, 每一记录的第 $61\sim 80$ 列为该行 记䐂的标签, 用于说明相应行上第 $1\sim 60$ 列中所表示的内容。观测值文件的文件头存放有 文件的创建日期、单位名、测站名、天线信息、测站近似坐标、观测值数量及类型、观测历元间 隔等信息。导航电文的文件头存放有文件创建日期、单位名及其他一些相关信息。另外，还 有可能会包含电离层模型的参数以及说明 GPS 时与 UTC 间关系的参数和跳秒等。气象数据文件的文件头则存放有文件创建日期、观测值类型、传感器信息和气象传感器的近似位置及其他一些相关信息。

RINEX 格式文件的记录数据紧跟在文件头的后面, 随文件类型的不同, 所存放记录数 据的内容和具体格式也不相同。在观测值文件中存放的是观测过程中在每一观测历元所观测到的卫星及载波相位、伪距和多普勒等类型的观测值数据等, 所包含的实际观测值类型与 接收机所记录的类型及格式转换时的参数设置有关。在导航电文文件中存放的是所观测到卫星的钟差改正模型的参数及卫星的轨道数据等, 由于广播星历每 $2\mathrm{h}$ 更新一次, 因此, 在导 航电文文件中, 可能会出现某颗卫星具有多个不同参考时刻的钟差模型改正参数和轨道数据的情况。在气象数据文件中存放的是观测过程中每隔一段时间在测站天线附近所测定的干温、相对湿度和气压等数据。

图 1 至图 3 中分别为给出了 RINEX 格式的观测值文件、GPS 导航电文文件和气 象数据文件的结构说明。
RINEX观测值文件结构：

RINEX导航电文文件结构：

RINEX气象数据文件结构：

在每一个观测值文件或气象数据文件中, 通常仅包含一个测站在一个观测时段中所获 得的数据。不过, 在快速静态或动态测量应用中, 流动接收机通过依次设站所采集的多个测 站的数据可以被包含在一个数据文件中。

在观测值文件中, 所记录的载波相位数据单位为周, 伪距数据的单位为 ${\mathrm{m}}_{\circ }$ 观测值所对 应的时标 (即观测时刻) 是依据接收机钟的读数所生成, 属于接收机钟时间框架, 而不是标准的GPS时，因而在该时标中有接收机的钟差。

除了根据文件名外,用户还可以通过文件头中相应的字段来区分观测数据、导航电文和气象数据文件。

3.GPS 导航电文文件

3.1 文件头格式

表 10-4 为 RINEX 格式 GPS 导航电文文件文件头节格式说明。

3.2 数据记录格式

在 RINEX 格式 GPS 导航电文文件的数据记录节中, 为按卫星和参考时刻存放的各颗卫星的时钟和轨道数据。每颗卫星一个参考时刻的数据占 8 行, 第 1 行为卫星的 PRN 号和该卫星时钟的参考时刻及其改正模型参数, 第 2 8 行为该卫星的广播轨道数据。由于导航电文通常每 $2\mathrm{h}$ 更新一次, 因此, 某些卫星可能会有多个不同参考时刻的数据。表 10-5 为 RINEX 格式 GPS 导航电文文件数据记录节格式说明。

3.3 RINEX GPS导航电文实例