基于Matlab讀取標(biāo)準(zhǔn)RINEX格式的GPS星歷數(shù)據(jù)

張 妮，王標(biāo)標(biāo)

（1.西安工業(yè)大學(xué) 北方信息工程學(xué)院，陜西 西安 710025；2.中國人民解放軍96275部隊 河南 洛陽 471003）

全球定位系統(tǒng)GPS （Global Positioning System）以其具有多維，全天候的連續(xù)、實時導(dǎo)航、定位、定時功能，可為各類用戶實時地提供精研的三維坐標(biāo)、速度和時間等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于民用和軍用領(lǐng)域。為了能統(tǒng)一使用來自不同接收機(jī)的數(shù)據(jù)，目前普遍采用一種與接收機(jī)無關(guān)的接收機(jī)自主交換格式 RINEX（The Receiver Independent Exchange Format）。目前，RINEX數(shù)據(jù)的讀取方法很多，例如利用Visual Basic和Visual C++來實現(xiàn)，但這些方法都存在不能快速地從表面上分析出接收機(jī)接收的數(shù)據(jù)質(zhì)量，編程代碼煩瑣，循環(huán)結(jié)構(gòu)過多，而且不同的GPS網(wǎng)仍需選用不同的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，兼容性很差[1]等缺點。本文提出了一種基于Matlab讀取RINEX文件的方法。

1 星歷數(shù)據(jù)文件格式

1.1 本機(jī)格式

本機(jī)格式是指接收機(jī)存儲數(shù)據(jù)的格式，存儲方式為二進(jìn)制存儲，存儲的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：觀測值、廣播星歷、電離層信息、氣象元素等，并具有如下特點：1）不同廠家的接收機(jī)具有不同的本機(jī)格式；2）與接收機(jī)配套的數(shù)據(jù)處理軟件（隨機(jī)軟件/商用軟件）一般可以直接讀取自身本機(jī)格式的數(shù)據(jù)，而不能讀取其他廠家的本機(jī)格式的數(shù)據(jù)；3）不利于多種型號的接收機(jī)聯(lián)合作業(yè)。

1.2 RINEX格式

RINEX格式為純ASCII碼文本文件，是與接收機(jī)無關(guān)的數(shù)據(jù)交換格式[3]。存儲內(nèi)容包括：觀測值、星歷（導(dǎo)航信息）、氣象數(shù)據(jù)、鐘數(shù)據(jù)等。它具有如下特點：1）通用性強(qiáng)；2）利于多種型號的接收機(jī)聯(lián)合作業(yè)；3）大多數(shù)軟件能夠處理。

RINEX格式文件類型有：1）觀測數(shù)據(jù)文件：GPS觀測值；2）導(dǎo)航電文文件：GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文；3）氣象數(shù)據(jù)文件：在測站處所測定的氣象數(shù)據(jù)；4）GLONASS導(dǎo)航電文文件：GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航電文；5）GEO導(dǎo)航電文文件：增強(qiáng)系統(tǒng)中搭載有類GPS信號發(fā)生器的地球同步衛(wèi)星（GEO）的導(dǎo)航電文；6）衛(wèi)星和接收機(jī)鐘文件：衛(wèi)星和接收機(jī)時鐘信息的。

RINEX格式文件有規(guī)定的命名方法，簡稱8+3文件名，即ssssdddf.yyt[2]。具體命名方法如圖1所示。

圖1RINEX格式文件命名規(guī)則Fig.1 Named Rule of RINEX format file

RINEX格式文件結(jié)構(gòu)是以節(jié)、記錄、字段和列為單位逐級組織的。所有類型的RINEX文件均分為2節(jié)：文件頭和數(shù)據(jù)記錄。每個記錄占一行，不超過80列寬。RINEX格式的頭文件用于存放整個文件有關(guān)的全局性信息，位于每個文件的最前部，其最后一個記錄為“END OF HEADER”。文件頭中每個記錄的第61～80列為標(biāo)簽，用于說明相應(yīng)行上第1～60列中所表示的內(nèi)容。RINEX格式文件的記錄數(shù)據(jù)緊跟在文件頭的后面，隨文件類型的不同，所存放數(shù)據(jù)的內(nèi)容和具體格式也不相同[4]。

由于在實際定位中，主要使用觀測數(shù)據(jù)文件和導(dǎo)航文件，其他文件的讀取和處理與這兩類文件類似。因此，這里著重以導(dǎo)航文件為例說明RINEX格式文件的讀取方法。

1.3 導(dǎo)航文件的數(shù)據(jù)格式

衛(wèi)星星歷是取自衛(wèi)星的廣播導(dǎo)航電文，導(dǎo)航文件像其他文件一樣由頭文件和星歷數(shù)據(jù)組成，是地面位置計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于觀測數(shù)據(jù)內(nèi)容比較復(fù)雜，而且具有相似的數(shù)據(jù)塊。在數(shù)據(jù)文件中數(shù)據(jù)之間的間隔是以空格或回車換行字符隔開的，所以在數(shù)據(jù)讀取過程中根據(jù)這些特殊字符進(jìn)行控制。導(dǎo)航文件的頭文件主要包括RINEX版本號、觀測類型、文件綱要名稱、文件機(jī)構(gòu)名稱、文件建立日期、載波和天線的介紹內(nèi)容、電離層參數(shù)時間改正參數(shù)和秒跳。星歷數(shù)據(jù)主要包括衛(wèi)星號、星歷時間和位置參數(shù)。

2 讀取RINEX格式文件

RINEX格式文件讀取時可以根據(jù)衛(wèi)星、歷元信息來存儲數(shù)據(jù)。用Matlab讀取RINEX文件的方式即就是用Matlab由程序命令按字符串進(jìn)行讀取。一般情況下，當(dāng)讀取指定的字符串（如“END OF HEADER”）時，開始讀取有效數(shù)據(jù)，即星歷數(shù)據(jù)。根據(jù)RINEX格式文件結(jié)構(gòu)特點，導(dǎo)航文件中有效數(shù)據(jù)為字符串“END OF HEADER”以后的數(shù)據(jù)。

2.1 導(dǎo)航文件的讀取及部分代碼

導(dǎo)航文件讀取時，以“END OF HEADER”作為特殊字符串，標(biāo)識導(dǎo)航文件中頭文件與星歷數(shù)據(jù)的分界點，通過簡單的循環(huán)結(jié)構(gòu)，并利用Matlab強(qiáng)大的矩陣優(yōu)勢，將星歷數(shù)據(jù)存放于結(jié)構(gòu)體數(shù)組（其中共有38個字段名，分別存放星歷數(shù)據(jù)中的衛(wèi)星號、星歷的時間和位置參數(shù)），以方便獲取衛(wèi)星參數(shù)，求取衛(wèi)星坐標(biāo)。具體代碼實現(xiàn)如下：

1）存放星歷數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)體數(shù)組創(chuàng)建 結(jié)構(gòu)體數(shù)組的創(chuàng)建采用了struct函數(shù)[5]，具體代碼示例如下：

所創(chuàng)建結(jié)構(gòu)體的字段名，如‘prn’，‘year’，．．，類型均為NaN，共38個，在讀取RINEX的觀測文件和導(dǎo)航文件時，可將數(shù)據(jù)根據(jù)衛(wèi)星的屬性存儲至相應(yīng)的字段名。

2）打開文件，獲取星歷數(shù)據(jù)開始位置[6]利用findstr及循環(huán)語句逐行查找字符串“END OF HEADER”，獲取星歷數(shù)據(jù)開始位置。具體代碼示例如下：

3）獲取星歷數(shù)據(jù)，并存放至結(jié)構(gòu)體數(shù)組 首先通過簡單的循環(huán)語句獲取數(shù)據(jù)行數(shù)，計算出衛(wèi)星個數(shù)，再按照衛(wèi)星編號將數(shù)據(jù)存放至所定義的結(jié)構(gòu)體數(shù)組中，部分具體代碼如下：

2.2 星歷數(shù)據(jù)的讀取

星歷數(shù)據(jù)的讀取采用結(jié)構(gòu)體數(shù)組顯示的相關(guān)命令讀取，若要獲取某個衛(wèi)星的相關(guān)參數(shù)可輸入如示例命令：＞＞navdata（1）。獲取結(jié)果如圖2所示，為1號衛(wèi)星參數(shù)讀取結(jié)果。

圖21號衛(wèi)星參數(shù)讀取結(jié)果Fig．2 Reading result of parameter of satliete NO．1

也可利用Matlab元包數(shù)組，將數(shù)據(jù)存放并顯示出來，具體實現(xiàn)代碼如下：

讀取結(jié)果如圖3所示。

采用Matlab軟件讀RINEX導(dǎo)航文件，可以將文件所有的數(shù)據(jù)用矩陣保存，數(shù)據(jù)的顯示精度不僅不會影響計算精度，而且可以隨時修改，并可根據(jù)衛(wèi)星坐標(biāo)的計算公式和步驟，利用Matlab矩陣的計算優(yōu)勢，很方便地計算不同時刻衛(wèi)星的坐標(biāo)，此外，還可方便查看衛(wèi)星導(dǎo)航表層信息，判斷導(dǎo)航數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

圖3讀取星歷數(shù)據(jù)結(jié)果Fig．3 Reading result of ephemeris data

3 結(jié) 論

利用Matlab以矩陣為單位進(jìn)行計算的優(yōu)勢對RINEX文件進(jìn)行讀取，較其他語言簡單易行，結(jié)果精確，程序可移植性好，便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理，同時還可利用Matlab的仿真功能，實現(xiàn)衛(wèi)星動態(tài)變化的實時模擬。

[1]陳東銀，劉立龍，陳雷．GPS導(dǎo)航定位技術(shù)中面向?qū)ο笞x取 RINEX 格式數(shù)據(jù)[J]．測繪與空間地理信，2009（6）:41－43．CHEN Dong-yin，LIU Li-long，CHEN Lei．An object-oriented method of reading RINEX formatdat in GPS navigation technology[J]．Geomatics and Spatial Information Technology，2009（6）:41－43．

[2]Gurtner W．RINEX:The receiver independent exchange format：Version 2．10[M]Canada:Astronomical Institute University of Berne，2002．

[3]孟廣祥，郭標(biāo)明．GPS接收機(jī)（OEM）二進(jìn)制文件向RINEX文件的轉(zhuǎn)換[J]．測繪工程，2009（10）:18－21．MENG Guang-xiang，GUO Biao-ming．The transformation from GPS receiver（OEM） binary data to RINEX file[J]．Engineering of Surveyying and Mapping， 2009（10）:18－21．

[4]陳桂珍，戴建軍．GPS－OEM原始數(shù)據(jù)向RINEX格式轉(zhuǎn)換的方法[J]．測繪技術(shù)裝備，2006（4）:26－27．CHENG Gui-zhen，DAI Jian-jun．The transformation from GPS－OEM orignal data to RINEX Format[J]．Surveying technical equipment， 2006（4）:26－27．

[5]張志涌．精通 Matlab 6．5[M]．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004．

[6]Chapman Stephen J．Matlab Programming for engineers[M]．北京:科學(xué)出版社，2003．