基于Matlab软件读取GPS标准格式Rinex文件的新方法

### 基于Matlab软件读取GPS标准格式Rinex文件的新方法 #### 摘要 在GPS定位计算中，对不同GPS仪器型号的观测数据进行标准化处理至关重要。国际上广泛采用Rinex标准文件进行GPS定位数据的处理。本文首先介绍了Rinex标准数据的格式，接着运用Matlab软件对Rinex文件格式进行读取，并提出了一种全矩阵的读取方法。该方法充分利用Matlab分析矩阵的优势，能够灵活地组合观测数据以观察GPS观测的数据质量，为GPS数据处理的研究者提供了一种简易的分析方法，并给工程实践带来了便利。 #### 关键词 - Matlab - Rinex - 全矩阵 #### 1. 引言 在GPS定位解算坐标时，人们通常会使用固定常用的GPS数据处理软件对接收机接收的数据进行近似实时的处理。目前通用的软件在国内主要有南方软件、LIPS软件等，国际上主要使用GAMIT和GIPSY软件。此外，不同类型的接收机数据有各自对应的处理软件，但大多数软件都是对GPS标准格式Rinex文件进行处理，这为GPS数据处理提供了便利。然而，在实际研究应用中，大多数研究者主要采用通用的Visual Basic (VB) 和 Visual C++ (VC++) 对数据进行分析性的研究，最终仍需要针对不同的GPS网选用适当的上述软件进行数据处理。但是，VB和VC++无法快速地从表面上分析出接收机接收的数据质量，而且编程代码很长，需要很多循环结构，同一矩阵内、外部的基本运算以及求逆等操作都需要繁琐的编程代码，导致工程人员不易掌握。 为了解决上述问题，本文采用了一种全球通用的大型矩阵软件——Matlab，以更好地解决这些问题。Matlab是由在数值线性代数领域颇有影响力的Cleve Moler博士首创的。目前，Matlab已经升级到了7.0版本，它具有兼容和独立的编程语言、含有实用工具箱（Toolbox）的工作环境、超强的图形处理能力、强大的数学函数库、准确的帮助文件和较为简单的应用程序接口（API），进而具备非常强大的数值计算、数据分析处理、系统分析、图形显示甚至符号运算的功能。当前已经有相当多的高校学者和工程师使用Matlab软件进行大地测量数据处理。 本文还提出了一种读取Rinex文件的新思路——全矩阵，即将Rinex文件的整个内容读入一个大型的矩阵，利用Matlab分析矩阵的优势，进行提取需要分析的数据。 #### 2. Rinex标准文件的格式说明 为了将不同型号接收机收集的数据进行统一处理，必须建立GPS通用数据交换格式，目前采用的Rinex就是这样一种数据交换格式。它是1989年瑞士伯尔尼天文研究所最先提出的，最终由国际大地测量协会（IAG）加以详细讨论形成的标准，目前已发展到Rinex 2.0版本。 Rinex格式是纯ASCII码文本文件，共包含以下四个文件： 1. **观测数据文件**：`ssssdddf.yyo` 2. **导航文件**：`ssssdddf.yyn` 3. **气象数据文件**：`ssssdddf.yym` 4. **GLONASS数据文件**：`ssssdddf.yyg` 其中： - `ssss` —— 4个字母的测站名 - `ddd` —— 第一组数据的年积日 - `f` —— 当天的观测期序 - `yy` —— 年 在实际定位中，主要用到的是观测数据文件和导航文件，而其他文件的读取和处理与此类似，因此本文重点描述观测数据文件和导航文件的格式。 #### 3. 读取Rinex格式文件 对于GPS数据处理有一定了解的人，都应该熟悉GPS Rinex格式文件中每一项所代表的含义。因此，在读取时可以根据卫星、历元信息来存储数据。用Matlab读取Rinex文件的方式相对简单，即通过程序命令逐个字符进行读取，然后根据文件头的取舍将有效数据重新组合成平面数据矩阵（二维）或立体数据矩阵（三维）。通常情况下，当读取到指定的字符串（如“END OF HEADER”）时，即开始读取有效数据。在观测文件和导航文件中，有效数据为字符串“END OF HEADER”之后的数据。 ##### 3.1 Matlab读取文件的函数及命令 对于Matlab读取各类文件，有许多相关函数和命令，这些命令简单明了且易于学习，同时包含了相关的帮助文件。 - **fopen**：用于开启所要读取的文件。 - 范例：`fid = fopen('ssssdddf.yyn', 'r');` 此示例中表示打开文件 `ssssdddf.yyn` 用于读取。 - **fgetl** 或 **fgets**：用于从文件中读取一行或多行。 - 范例：`line = fgetl(fid);` 此示例中表示从文件句柄 `fid` 中读取一行数据。 - **feof**：检查是否到达文件末尾。 - 范例：`isEOF = feof(fid);` 此示例中表示检查文件句柄 `fid` 是否到达文件末尾。 - **fclose**：关闭文件。 - 范例：`fclose(fid);` 此示例中表示关闭文件句柄 `fid`。 使用这些基本函数，我们可以构建一个读取Rinex文件的有效框架。接下来，我们将详细介绍如何利用Matlab的这些功能读取Rinex文件中的观测数据和导航数据，并将其存储为便于分析的矩阵形式。 #### 4. 全矩阵读取方法的应用 本文提出的一种全矩阵读取方法，旨在将Rinex文件的整个内容读入一个大型矩阵中，利用Matlab强大的矩阵处理能力，进行数据的分析与处理。这种方法的优点在于： - **灵活性**：可以通过调整矩阵的不同部分，灵活地选择需要分析的数据集。 - **高效性**：Matlab在处理大型数据集方面表现出色，能够显著提高数据处理的速度。 - **易用性**：相较于传统的编程语言，Matlab的语法更为简洁，更易于理解和编写。 下面将详细介绍如何使用全矩阵方法读取Rinex文件，并给出具体的实现步骤。 ##### 4.1 读取观测数据文件 观测数据文件通常包含观测时间、卫星编号、观测值等信息。我们可以按以下步骤进行读取： 1. **打开文件**：使用 `fopen` 函数打开观测数据文件。 2. **读取文件头**：利用 `fgetl` 或 `fgets` 读取文件头，直到遇到 "END OF HEADER" 字符串为止。 3. **读取观测数据**：继续使用 `fgetl` 或 `fgets` 读取观测数据，每次读取一行，解析出时间、卫星编号、观测值等信息，并将其存储到相应的矩阵中。 4. **关闭文件**：使用 `fclose` 关闭文件。 ##### 4.2 读取导航数据文件 导航数据文件包含了卫星位置信息等关键数据。读取导航数据文件的方法与观测数据文件类似： 1. **打开文件**：使用 `fopen` 函数打开导航数据文件。 2. **读取文件头**：同样使用 `fgetl` 或 `fgets` 读取文件头，直到遇到 "END OF HEADER" 字符串为止。 3. **读取导航数据**：继续使用 `fgetl` 或 `fgets` 读取导航数据，每次读取一行，解析出卫星编号、位置信息等，并将其存储到相应的矩阵中。 4. **关闭文件**：使用 `fclose` 关闭文件。 #### 5. 结论 本文介绍了一种基于Matlab软件读取GPS标准格式Rinex文件的新方法。通过提出全矩阵读取方法，利用Matlab强大的矩阵处理能力，能够更加灵活和高效地处理GPS观测数据。该方法不仅简化了数据处理流程，还提高了数据处理的准确性。此外，该方法还可以应用于多种GPS数据处理场景，为GPS数据处理的研究和实践提供了有价值的参考。 #### 参考文献 [1] Rinex文件格式规范，Rinex 2.11版. [2] Rinex文件格式规范，Rinex 3.02版. [3] Matlab官方文档，https://www.mathworks.com/help/matlab/. [4] 李志华. MATLAB编程技术及应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2008.