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RINEX觀測數(shù)據(jù)文件格式及其應(yīng)用

2014-11-27 08:25:38馮勝濤劉志廣宋恵軍
華北地震科學(xué) 2014年1期
關(guān)鍵詞:個字符數(shù)據(jù)文件歷元

馮勝濤,劉志廣,占 偉,朱 爽,宋恵軍

(1.中國地震局第一監(jiān)測中心,天津 300180;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院,合肥 230026)

0 引言

與接收機(jī)無關(guān)的轉(zhuǎn)換格式(the Receiver Independent Exchange Format,RINEX),最初由伯爾尼大學(xué)天文學(xué)院為方便轉(zhuǎn)換由不同生產(chǎn)商制造的接收機(jī)采集的數(shù)據(jù)而開發(fā)。隨著其應(yīng)用的推廣,至今已有三個主要版本發(fā)布,各個版本還有不同的子版本,主要有:RINEX Version 1(版本1)于1989年第五屆國際大地測量關(guān)于衛(wèi)星定位的研討會上提出;RINEX Version 2(版本2)于1990年在關(guān)于使用GPS精密定位的第二次國際研討會上提出。與Version 1相比,Version 2 主要增加可以包含由不同衛(wèi)星系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)。RINEX Version 2有幾個子版本:Version 2.10:對版本2 做了微小改變,主要包括允許使用非整數(shù)秒的采樣率以及把信號強(qiáng)度作為新的觀測量;Version 2.11:主要包含為L2C偽距觀測量定義的2 個字符的觀測碼以及對GEO NAV MESS文件做的一些調(diào)整;Version 2.20:主要用于IGS的LEO 試驗項目中空載接收機(jī)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換而定制的非官方版本。

而RINEX Version 3(版本3)于2007年發(fā)布。為了提升文件包含多種類型數(shù)據(jù)的能力,如使數(shù)據(jù)文件中包含多個導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng),而不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)又有不同觀測類型的情況,對數(shù)據(jù)文件的結(jié)構(gòu)做出了較大調(diào)整。為了滿足多種需要,還將之前版本每行數(shù)據(jù)記錄最多只能有80 個字符長度的限制取消。其數(shù)據(jù)文件中還可以包含非官方的Version 2.20的空載接收機(jī)的數(shù)據(jù)的相關(guān)定義。另外,隨著RINEX 格式的推廣應(yīng)用,還有其他類似RINEX 的轉(zhuǎn)換格式文件類型誕生,如:IONEX,ANTEX 等。

接收機(jī)生產(chǎn)商一般提供各自數(shù)據(jù)文件與不同版本的RINEX 格式文件的轉(zhuǎn)換供用戶選擇。在選用哪種版本的RINEX 格式的問題上,各數(shù)據(jù)提供者有不同看法,提供的數(shù)據(jù)結(jié)果也有差別。本文詳細(xì)介紹上述幾種常用版本的RINEX 文件格式,總結(jié)各版本的優(yōu)勢。結(jié)合我國正在建設(shè)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)-北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng),就GNSS觀測數(shù)據(jù)的存儲格式提出建議。

1 RINEX 主要應(yīng)用版本觀測數(shù)據(jù)文件格式說明

對于一般RINEX 觀測數(shù)據(jù)文件,國際上推薦的命名慣例為:ssssdddf.yyo,其中:ssss為4 個 字符表示的測站名,ddd為第1條數(shù)據(jù)記錄的年積日,f為UTC時間一天里生成文件的序列號(“0”表示文件里包含當(dāng)天所有數(shù)據(jù)),yy為2位整數(shù)表示的年份,而o則表示文件為觀測數(shù)據(jù)文件。RINEX 3對于記錄時長15分鐘的高頻數(shù)據(jù)文件,推薦使用的文件名為:ssssdddhmm.yyo,其中ssss為4字符測站代碼或低軌衛(wèi)星(LEO)接收機(jī)或天線的代碼,ddd為年積日,h 代表一天中第n個小時的字符(a為00時到01時,b為01時到02時,……,x為23時到24時),mm 為該小時內(nèi)的起始分鐘(?。?0,15,30或45),yy為2位數(shù)表示的年份,而o則表示文件為觀測數(shù)據(jù)文件。

從SOPAC(Scripps Orbit and Permanent Array Center)網(wǎng)站(http://sopac.ucsd.edu/)可以下載1990年以后的一些測站觀測數(shù)據(jù)文件。其保留的數(shù)據(jù)文件多使用2.10 或2.11 版本,也有部分Version 2的數(shù)據(jù)。一般情況下實際使用數(shù)據(jù)文件很少會用到Version 2之前的版本,以下就RINEX Version 2、2.10、2.11、2.12、Verison 3及3.01版本的觀測數(shù)據(jù)文件的格式逐行進(jìn)行說明。使用FORTRAN 95/2003標(biāo)準(zhǔn)的程序中讀寫格式定義為例(為敘述簡便以輸出為例,輸入時情況同輸出):

An:表示以n個字符的寬度來輸出字符串,如:A2表示輸出2個字符寬度的字符串,例如“y2”;

Fn.m:表示以n個字符寬輸出浮點數(shù),小數(shù)點后占m個字符寬度,如F12.9表示輸出浮點數(shù)帶小數(shù)點及負(fù)號共有12 位數(shù)字,而小數(shù)點后有9 位數(shù)字,例如-0.123456789;

In[.m]:表示以n個字符寬輸出整數(shù),至少輸出m位數(shù)字(不足以“0”補(bǔ)齊),如I3.3表示以3個字符寬輸出3位表示的數(shù)字,例如012;(方括號表示可選,In則僅表示輸出占n個字符寬的整數(shù)即n位整數(shù),不足也不需以“0”補(bǔ)齊)

nX:表示向右跳過n個字符的寬度,如:2X 表示輸出位置向右移動2個字符;

Tn:表示輸出位置移動到本行第n列,如:T5表示移動到本行第5列開始輸出。

1.1 RINEX Version 2觀測數(shù)據(jù)文件格式

RINEX 的每種文件類型都包含有文件頭部分和數(shù)據(jù)部分。文件頭位于文件的開頭包含整個文件的信息。文件頭每行的第61~80個字符為該行的標(biāo)簽。文件頭部分除了個別行的位置固定外,其他行出現(xiàn)次序可以自由調(diào)整。其中“RINEX VERSION/TYPE”必須位于文件第一行。默認(rèn)情況“WAVELENGTH FACT L1/2”行要出現(xiàn)在給各個衛(wèi)星定義波長因子的記錄之前。而如果“# OF SATELLITES”行在文件頭部分出現(xiàn)的話,其后要緊跟相應(yīng)的“PRN/# OF OBS”對應(yīng)行的記錄?!癊ND OF HEADER”必須位于文件頭的最后。

表1 RINEX Version 2 觀測數(shù)據(jù)文件格式說明

文件頭標(biāo)簽(文件頭每行61~80個字符) 對該行內(nèi)容的定義(文件頭每行1~60個字符) 讀寫格式定義(fmt=)))INTERVAL(可選) 以秒為單位的采樣間隔 (I6,54X)TIME OF FIRST OBS 第一組觀測數(shù)據(jù)記錄時間 (5I6,F(xiàn)12.6,18X)TIME OF LAST OBS(可選) 最后一組觀測數(shù)據(jù)記錄時間 (516,F(xiàn)12.6,18X)# OF SATELLITES 文件中記錄觀測數(shù)據(jù)的衛(wèi)星數(shù) (16,54X)PRN/# OF OBS PRN(衛(wèi)星號)/在“#/TYPES OF OBSERV”記錄中標(biāo)注的每種觀測類型的觀測數(shù)#/TYPES OF OBSERV 文件中的觀測類型的數(shù)目/觀測類型 (I6,9(4X,A2(3X,A1,12,916)END OF HEADER 文件頭的最后部分,文件頭結(jié)束標(biāo)識 (60X)Version 2數(shù)據(jù)記錄部分格式說明歷元開始的記錄歷元:2位數(shù)表示的年,月,日,時,分;小數(shù)點后保留7位浮點數(shù)表示的秒;歷元標(biāo)識(0:正常,1:前一歷元和這個歷元間發(fā)生電力故障,>1對應(yīng)事件標(biāo)識);當(dāng)前歷元記錄衛(wèi)星數(shù)/PRN(衛(wèi)星號)列表(多于12個則需換行);接收機(jī)鐘差(可選)(5(1XI2),F(xiàn)11.7,2I3,12(A1,I2),F(xiàn)12.9)觀測數(shù)據(jù)分行列出記錄到的每顆衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)(每行觀測數(shù)據(jù)類型按照頭文件給出觀測類型的次序)若觀測類型數(shù)超過5個(80字符)則換行記錄這組觀測數(shù)據(jù)失鎖指示映射到(1~9)指標(biāo)標(biāo)識的信號強(qiáng)度(m(F14.3,211))m 為 頭 文 件 里“# /TYPES OF OBSERV”行定義觀測類型數(shù)目

圖1 RINEX Version 2數(shù)據(jù)示例(示例數(shù)據(jù)下載自SOPAC網(wǎng)站截取其中部分:http://sopac.ucsd.edu/)

1.2 RINEX Version 2.10與2.11觀測數(shù)據(jù)文件格式

Version 2.10與version 2相比有一些改變,讀寫RINEX version 2 的 程 序 用 于 處 理2.10 的RINEX 文件時格式定義不做相應(yīng)改變可能發(fā)生錯誤。現(xiàn)將2.10版格式對照version 2的不同列入表2。

表2 RINEX觀測數(shù)據(jù)文件Version 2.10 較Version 2改變部分格式說明

Version 2.11主要是為了方便的在文件中包含伽利略系統(tǒng)數(shù)據(jù)和一些新的GPS 觀測量,相對2.10在觀測數(shù)據(jù)文件格式上幾乎沒有什么改變。

1.3 RINEX version 2.12

Version 2.12較前期版本的改變主要有:相位周偏移,GPS 和GLONASS G1,G2 及北斗系統(tǒng)新的觀測碼,北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的系統(tǒng)碼,伽利略系統(tǒng)導(dǎo)航信息文件,數(shù)據(jù)記錄順序等因素?,F(xiàn)將2.12版格式對照version 2的不同列入表3。

圖2 RINEX version 2.10觀測數(shù)據(jù)文件的示例(示例數(shù)據(jù)下載自SOPAC網(wǎng)站截取其中部分:http://sopac.ucsd.edu/)

表3 RINEX觀測數(shù)據(jù)文件Version 2.12 較Version 2改變部分格式說明

文件頭標(biāo)簽(文件頭每行61~80個字符) 對該行內(nèi)容的定義(文件頭每行1~60個字符) 讀寫格式定義(fmt=)RCV CLOCK OFFS APPL(可選)應(yīng)用實施獲取的接收機(jī)鐘差改正歷元、碼和相位觀測值1:改正;0:未改正(默認(rèn)); (16)LEAP SECONDS(可選) 自1980年1月6日以來的跳秒數(shù) (16)SYS/PHASE SHIFT相位偏移改正衛(wèi)星系統(tǒng)碼(G/R/E/S/C)載波相位觀測碼使用的改正值(周)衛(wèi)星列表(A1,1X,A1,2X,F(xiàn)8.5,2X,12.2,10(1X,A3))若需接行使用“(18X,10(1X,A3))”Version 2.12數(shù)據(jù)記錄部分格式說明歷元開始的記錄 同Version 2,格式不同(1X,12.2,4(1X12),F(xiàn)11.7,2X,11,13,12(A1,12),F(xiàn)12.9)接 行 用“(32X,12(A1,12))”

1.4 RINEX version 3及3.01

Version 3及后續(xù)版本相對version 2版本有了較大改變。如version 2 數(shù)據(jù)記錄部分,年份只用2位數(shù)字表示,僅在文件頭里TIME OF FIRST OBS用4位數(shù)字記錄年份。而version 3用4位數(shù)字表示年份。觀測碼的改變:version 1和2為2個字符,version 3 為3 個 字 符(增 加 了 信 號 生 成 屬 性 碼)。觀測碼的3個字符依次為:

數(shù)據(jù)類型:有C 代表偽距觀測,L 載波相位觀測,D 多普勒效應(yīng),S信號強(qiáng)度

帶寬/頻率:1,2,……,8

屬性:跟蹤模式或信道,如C,Y,I,Q 等。

Version 3也包含了信號強(qiáng)度碼。文件頭中增加了時區(qū)標(biāo)識、標(biāo)志類型、信號強(qiáng)度單位、縮放因子、半波長觀測量、半周模糊度、相位中心信息等。具體內(nèi)容及格式見表4。

表4 RINEX觀測數(shù)據(jù)文件Version 3較Version 2改變部分格式說明

文件頭標(biāo)簽(文件頭每行61~80個字符) 對該行內(nèi)容的定義(文件頭每行1~60個字符) 讀寫格式定義(fmt=)ANTENNA:ERODIR XYZ(可選)載體上天線零方向三方向矢量(3F14.4)CENTER OF MASS:XYZ(可選) 載體重心(xyz方向,m) (3F14.4)SIGNAL STRENGTH UNIT(可選) 信號強(qiáng)度觀測量的單位 (A20,40X)(A1,2X,I3,13(1X,A3))接行用“(6X,13(1X,A2))”INTERVAL(可選) 以秒為單位的采樣間隔 (F10.3)TIME OF FIRST OBS 第一組觀測數(shù)據(jù)記錄時間 (516,F(xiàn)13.7,5X,A3,9X)TIME OF LAST OBS(可選) 最后一組觀測數(shù)據(jù)記錄時間 (516,F(xiàn)13.7,5X,A3,9X)SYS/#/OBS TYPES 衛(wèi)星系統(tǒng)碼/指定衛(wèi)星系統(tǒng)中不同觀測類型數(shù)目/觀測類型SYS/DCBS APPLIED(可選)衛(wèi)星系統(tǒng)碼(G/R/E/S)應(yīng)用不同碼偏移改正的工程名改正源(A1,1X,A17,1X,A40)RCV CLOCK OFFS APPL(可選)應(yīng)用實施獲取的接收機(jī)鐘差改正歷元、碼和相位觀測值1:改正;0:未改正(默認(rèn)); (16)SYS/SCALE FACTOR(可選)SYS/PCVS APPLIED(可選)衛(wèi)星系統(tǒng)碼存儲觀測量使用前劃分因子(1,10,100,1000)涉及觀測量類型數(shù)目(0或空格表示所有觀測類型)觀測類型列表衛(wèi)星系統(tǒng)碼應(yīng)用相位中心變化改正的工程名改正源(A1,1X,14,2X,12,12(1X,A3))觀測量類型多于12需接行使用“(10X,12(1X,A3))”(A1,1X,A17,1X,A40)LEAP SECONDS(可選) 跳秒數(shù) (I6)# OF SATELLITES(可選) 文件中記錄觀測數(shù)據(jù)的衛(wèi)星數(shù) (16,54X)PRN/# OF OBS(可選) PRN(衛(wèi)星號)/在“#/TYPES OF OBSERV”記錄中標(biāo)注的每種觀測類型的觀測數(shù)(3X,A1,12.2,916)如需接行則用“(6X,916)”Version 3數(shù)據(jù)記錄部分格式說明歷元開始的記錄數(shù)據(jù)記錄標(biāo)識:>歷元:4位數(shù)表示的年,2位數(shù)的月,日,時,分;小數(shù)點后保留7位浮點數(shù)表示的秒;歷元標(biāo)識(0:正常,1:前一歷元和這個歷元間發(fā)生電力故障,>1對應(yīng)特殊事件);當(dāng)前歷元記錄衛(wèi)星數(shù)/PRN(衛(wèi)星號)列表(多于12個則需換行);當(dāng)天歷元有效衛(wèi)星數(shù)接收機(jī)鐘差(秒,可選)(A1,1X,14,4(1X,12.2),F(xiàn)11.7,2X,11,13,6X,F(xiàn)15.12)觀測數(shù)據(jù)衛(wèi)星號觀測數(shù)據(jù),失鎖指示,信號強(qiáng)度可選內(nèi)容歷元表示為:2~5時可選事件記錄特殊事件衛(wèi)星數(shù)6時,周跳記錄(A1,12.2,m (F14.3,211))m 為頭文件里“SYS/#/OBV TYPES”行里定義觀測類型數(shù)目

圖3 RINEX Version 3.00觀測數(shù)據(jù)文件[4]

而版本3.01 比3 文件頭部分格式改動較小。Version3.01 多 了“SYS/PHASE SHIFTS”行 記錄,用于記錄相位偏移改正。存儲信息包括:衛(wèi)星系統(tǒng)碼,載波相位觀測碼,使用的改正(周),涉及的衛(wèi)星數(shù)目,衛(wèi)星列表。該行格為:“(A1,1X,A3,1X,F(xiàn)8.5,2X,12.2,10(1X,A3))”。如果記錄的衛(wèi)星數(shù)多于10顆,需接行則用:“(18X,10(1X,A3))”??蛇x的“LEAP SECONDS”行記錄格式改為“(4I6)”。

2 不同版本RINEX 版本比較及應(yīng)用建議

從RINEX Version 2開始,文件可以包含快速靜態(tài)測量和動態(tài)測量時不止一個測站的觀測數(shù)據(jù)并允許在觀測數(shù)據(jù)部分插入文件頭。對于Version 2系列版本的觀測數(shù)據(jù)文件建議循環(huán)使用字符串(長度應(yīng)大于等于80)變量讀入每行的信息,根據(jù)文件頭部分的標(biāo)識可以獲取相應(yīng)的文件信息,如:RINEX 版本號,測站名稱,天線高,觀測起止時間,觀測數(shù)據(jù)類型的數(shù)目等。在使用GAMIT 數(shù)據(jù)后處理軟件進(jìn)行精密解算時要求詳細(xì)的測站信息文件“station.info”。這時使用程序解讀RINEX 觀測文件中的相關(guān)信息可以自動生成該文件。

對于RINEX Version 3及以后版本,可以根據(jù)各衛(wèi)星系統(tǒng)定義的最大觀測類型數(shù)量加上任意可能的偽觀測量。另外,RINEX 文件里目前定義為空格的部分都需要注意,版本更改可能引入新內(nèi)容。

RINEX 不同版本觀測數(shù)據(jù)文件中包含的信息量不同。一般而言,越是后續(xù)版本其內(nèi)容越豐富。通過不同的格式定義可以解碼并獲取其中的信息。如果涉及不同版本之間的轉(zhuǎn)換,作者認(rèn)為應(yīng)遵循以下兩點建議:第一,在有接收機(jī)生產(chǎn)商提供的原始數(shù)據(jù)的情況下,建議使用生產(chǎn)商提供的轉(zhuǎn)換軟件重新生成所需版本;第二,如果不得不轉(zhuǎn)換不同版本,則應(yīng)充分考慮轉(zhuǎn)換后信息丟失或不足的情況。根據(jù)本文格式說明可以讀取并重新生成其他版本的觀測數(shù)據(jù)文件,但轉(zhuǎn)換后文件頭中未定義項會發(fā)生丟失而轉(zhuǎn)換前未定義項則轉(zhuǎn)換后無法定義需要提示手動添加。因此,并不建議直接在RINEX 不同版本之間使用程序轉(zhuǎn)換。

RINEX Version 3及以后版本在格式定義上具有明顯優(yōu)勢,主要表現(xiàn)在其新添加的內(nèi)容上。例如:包含了可以生成基于一個或多個頻道組合的碼觀測量和相位觀測量;按照不同衛(wèi)星系統(tǒng)列出的觀測量;標(biāo)石類型信息;提供單獨的半波長觀測量觀測碼,記錄半波長相位觀測量等。這些因素都能有效的拓展觀測信息,使相同條件下觀測類型數(shù)目和觀測值數(shù)量大大增加。相對只記錄單一衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)的文件,它可以為后續(xù)處理提供更好的衛(wèi)星圖形因子(例如:GPS+GLONASS觀測相對單一GPS觀測在緯度高于55°時可降低PDOP 值約30%,在中緯度地區(qū)也能降低PDOP 值15%左右[6]),更精確的整周模糊度解,更好的消除電離層和對流層的影響。從而大大拓展應(yīng)用衛(wèi)星定位的覆蓋區(qū)域,有效提高衛(wèi)星定位系統(tǒng)的精度和可靠性。另外,其兼容載體上的接收機(jī)信息的特性,為動態(tài)測量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用提供條件,可以極大的拓展移動載體上高精度定位解算的發(fā)展空間,為其更廣泛的應(yīng)用創(chuàng)造條件??梢姡琑INEX Version 3及后續(xù)版本作為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的一種轉(zhuǎn)換文件格式反過來可以有效拓展該領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已于2012年12月27日正式開始向亞太地區(qū)提供連續(xù)無源定位和導(dǎo)航服務(wù)。并在同一天發(fā)布了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號接口控制文件,為接收機(jī)生產(chǎn)商開發(fā)研制接收機(jī)提供了必要技術(shù)條件。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用要結(jié)合世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),必然要求使用能兼容各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)文件。實際應(yīng)用中,各接收機(jī)生產(chǎn)商應(yīng)充分考慮所提供數(shù)據(jù)格式與各不同版本的RINEX 格式文件的轉(zhuǎn)換。但是,由于RINEX 3及其后續(xù)版本擁有之前版本格式所不具備的優(yōu)越特性及其能有效拓展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用范圍,建議重視將接收機(jī)所采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RINEX 3及其后續(xù)版本的數(shù)據(jù)格式。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)在交通運輸,海洋漁業(yè),水文監(jiān)測,氣象測報等方面的應(yīng)用都涉及移動載體接收衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)技術(shù)。隨著其應(yīng)用的推廣,未來必然會對高精度和高可靠性提出更高要求。例如在需要重點監(jiān)控物品的運輸過程,船舶位置監(jiān)控,緊急救援,漁船出入港管理等方面,自動化和精細(xì)化程度的提高必然要求高精度的動態(tài)定位測量。這也正是RINEX Version 3 及其后續(xù)版本可以充分發(fā)揮優(yōu)勢的方面。因此,建議參考使用RINEX Version 3 及其后續(xù)版本的文件格式存儲北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

RINEX 格式數(shù)據(jù)編碼更加靈活,尤其RINEX Version 3及其后續(xù)的3.01版本可廣泛兼容GPS、GLONASS、GALILEO、BDS 和SBAS 等不同衛(wèi)星系統(tǒng)的數(shù)據(jù),文件內(nèi)容也更加豐富。移動載體上的數(shù)據(jù)記錄信息的增加,可以有效拓展導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用范圍,也使RINEX 格式文件應(yīng)用范圍大大拓展。其定義格式演變的經(jīng)驗可以為我們借鑒,應(yīng)用到我國正在建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中。使用更好的數(shù)據(jù)文件格式,可以為其更靈活、更可靠、更高精度的應(yīng)用提供支持。

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