基于Matlab讀取標準RINEX格式的GPS星歷數據

張 妮，王標標

（1.西安工業大學 北方信息工程學院，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GPS （Global Positioning System）以其具有多維，全天候的連續、實時導航、定位、定時功能，可為各類用戶實時地提供精研的三維坐標、速度和時間等優點而廣泛應用于民用和軍用領域。為了能統一使用來自不同接收機的數據，目前普遍采用一種與接收機無關的接收機自主交換格式 RINEX（The Receiver Independent Exchange Format）。目前，RINEX數據的讀取方法很多，例如利用Visual Basic和Visual C++來實現，但這些方法都存在不能快速地從表面上分析出接收機接收的數據質量，編程代碼煩瑣，循環結構過多，而且不同的GPS網仍需選用不同的軟件進行數據處理，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 星歷數據文件格式

1.1 本機格式

本機格式是指接收機存儲數據的格式，存儲方式為二進制存儲，存儲的數據內容包括：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）不同廠家的接收機具有不同的本機格式；2）與接收機配套的數據處理軟件（隨機軟件/商用軟件）一般可以直接讀取自身本機格式的數據，而不能讀取其他廠家的本機格式的數據；3）不利于多種型號的接收機聯合作業。

1.2 RINEX格式

RINEX格式為純ASCII碼文本文件，是與接收機無關的數據交換格式[3]。存儲內容包括：觀測值、星歷（導航信息）、氣象數據、鐘數據等。它具有如下特點：1）通用性強；2）利于多種型號的接收機聯合作業；3）大多數軟件能夠處理。

RINEX格式文件類型有：1）觀測數據文件：GPS觀測值；2）導航電文文件：GPS衛星導航電文；3）氣象數據文件：在測站處所測定的氣象數據；4）GLONASS導航電文文件：GLONASS衛星導航電文；5）GEO導航電文文件：增強系統中搭載有類GPS信號發生器的地球同步衛星（GEO）的導航電文；6）衛星和接收機鐘文件：衛星和接收機時鐘信息的。

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

圖1RINEX格式文件命名規則Fig.1 Named Rule of RINEX format file

RINEX格式文件結構是以節、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：文件頭和數據記錄。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列為標簽，用于說明相應行上第1～60列中所表示的內容。RINEX格式文件的記錄數據緊跟在文件頭的后面，隨文件類型的不同，所存放數據的內容和具體格式也不相同[4]。

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

1.3 導航文件的數據格式

衛星星歷是取自衛星的廣播導航電文，導航文件像其他文件一樣由頭文件和星歷數據組成，是地面位置計算的基礎數據。由于觀測數據內容比較復雜，而且具有相似的數據塊。在數據文件中數據之間的間隔是以空格或回車換行字符隔開的，所以在數據讀取過程中根據這些特殊字符進行控制。導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、文件機構名稱、文件建立日期、載波和天線的介紹內容、電離層參數時間改正參數和秒跳。星歷數據主要包括衛星號、星歷時間和位置參數。

2 讀取RINEX格式文件

RINEX格式文件讀取時可以根據衛星、歷元信息來存儲數據。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行讀取。一般情況下，當讀取指定的字符串（如“END OF HEADER”）時，開始讀取有效數據，即星歷數據。根據RINEX格式文件結構特點，導航文件中有效數據為字符串“END OF HEADER”以后的數據。

2.1 導航文件的讀取及部分代碼

導航文件讀取時，以“END OF HEADER”作為特殊字符串，標識導航文件中頭文件與星歷數據的分界點，通過簡單的循環結構，并利用Matlab強大的矩陣優勢，將星歷數據存放于結構體數組（其中共有38個字段名，分別存放星歷數據中的衛星號、星歷的時間和位置參數），以方便獲取衛星參數，求取衛星坐標。具體代碼實現如下：

1）存放星歷數據的結構體數組創建 結構體數組的創建采用了struct函數[5]，具體代碼示例如下：

所創建結構體的字段名，如‘prn’，‘year’，．．，類型均為NaN，共38個，在讀取RINEX的觀測文件和導航文件時，可將數據根據衛星的屬性存儲至相應的字段名。

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

3）獲取星歷數據，并存放至結構體數組 首先通過簡單的循環語句獲取數據行數，計算出衛星個數，再按照衛星編號將數據存放至所定義的結構體數組中，部分具體代碼如下：

2.2 星歷數據的讀取

星歷數據的讀取采用結構體數組顯示的相關命令讀取，若要獲取某個衛星的相關參數可輸入如示例命令：＞＞navdata（1）。獲取結果如圖2所示，為1號衛星參數讀取結果。

圖21號衛星參數讀取結果Fig．2 Reading result of parameter of satliete NO．1

也可利用Matlab元包數組，將數據存放并顯示出來，具體實現代碼如下：

讀取結果如圖3所示。

采用Matlab軟件讀RINEX導航文件，可以將文件所有的數據用矩陣保存，數據的顯示精度不僅不會影響計算精度，而且可以隨時修改，并可根據衛星坐標的計算公式和步驟，利用Matlab矩陣的計算優勢，很方便地計算不同時刻衛星的坐標，此外，還可方便查看衛星導航表層信息，判斷導航數據的質量。

圖3讀取星歷數據結果Fig．3 Reading result of ephemeris data

3 結 論

利用Matlab以矩陣為單位進行計算的優勢對RINEX文件進行讀取，較其他語言簡單易行，結果精確，程序可移植性好，便于后續數據處理，同時還可利用Matlab的仿真功能，實現衛星動態變化的實時模擬。

[1]陳東銀，劉立龍，陳雷．GPS導航定位技術中面向對象讀取 RINEX 格式數據[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，郭標明．GPS接收機（OEM）二進制文件向RINEX文件的轉換[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原始數據向RINEX格式轉換的方法[J]．測繪技術裝備，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:北京航空航天大學出版社，2004．

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