RINEX觀測數(shù)據(jù)文件格式及其應用

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.中國科學技術(shù)大學地球與空間科學學院，合肥 230026）

0 引言

與接收機無關(guān)的轉(zhuǎn)換格式（the Receiver Independent Exchange Format，RINEX），最初由伯爾尼大學天文學院為方便轉(zhuǎn)換由不同生產(chǎn)商制造的接收機采集的數(shù)據(jù)而開發(fā)。隨著其應用的推廣，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的空載接收機的數(shù)據(jù)的相關(guān)定義。另外，隨著RINEX 格式的推廣應用，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)合我國正在建設的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)－北斗導航衛(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)文件的格式逐行進行說明。使用FORTRAN 95／2003標準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，其后要緊跟相應的“PRN／＃ OF OBS”對應行的記錄?！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對應事件標識）；當前歷元記錄衛(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）指標標識的信號強度（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）應用實施獲取的接收機鐘差改正歷元、碼和相位觀測值1：改正；0：未改正（默認）； （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，S信號強度

帶寬／頻率：1，2，……，8

屬性：跟蹤模式或信道，如C，Y，I，Q 等。

Version 3也包含了信號強度碼。文件頭中增加了時區(qū)標識、標志類型、信號強度單位、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）應用實施獲取的接收機鐘差改正歷元、碼和相位觀測值1：改正；0：未改正（默認）； （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對應特殊事件）；當前歷元記錄衛(wèi)星數(shù)／PRN（衛(wèi)星號）列表（多于12個則需換行）；當天歷元有效衛(wèi)星數(shù)接收機鐘差（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（長度應大于等于80）變量讀入每行的信息，根據(jù)文件頭部分的標識可以獲取相應的文件信息，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)后處理軟件進行精密解算時要求詳細的測站信息文件“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，作者認為應遵循以下兩點建議：第一，在有接收機生產(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信息的特性，為動態(tài)測量數(shù)據(jù)的標準化應用提供條件，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域的應用范圍。我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已于2012年12月27日正式開始向亞太地區(qū)提供連續(xù)無源定位和導航服務。并在同一天發(fā)布了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間信號接口控制文件，為接收機生產(chǎn)商開發(fā)研制接收機提供了必要技術(shù)條件。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的應用要結(jié)合世界其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)，必然要求使用能兼容各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)文件。實際應用中，各接收機生產(chǎn)商應充分考慮所提供數(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)星導航系統(tǒng)的應用范圍，建議重視將接收機所采集數(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用都涉及移動載體接收衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)技術(shù)。隨著其應用的推廣，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，可以有效拓展導航衛(wèi)星系統(tǒng)的應用范圍，也使RINEX 格式文件應用范圍大大拓展。其定義格式演變的經(jīng)驗可以為我們借鑒，應用到我國正在建設的北斗衛(wèi)星導航系統(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、更高精度的應用提供支持。

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