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1、测绘程序设计,第六章 GPS程序设计,6-1 GPS常用数据格式简介一、NMEA-0183数据输出格式 计算机与GPS通讯进行数据传送时，都采用异步串行传送方式。GPS作为数据终端设备与计算机之间利用D型RS232C电缆接口进行数据交换。从数据传输的形式来看，GPS的输出分为两类：十进制ASC码和二进制码。1、十进制ASC码 GPS的统一标准格式NMEA-0183输出就采用ASC码。其格式定义如下：比特率 4800 bit/s 数据位 8 bit 奇偶校验 无 开始位 1bit 停止位 1bit,NMEA-0183每条语句的格式：,NMEA-0183最常用的几种格式是：$*ALM GPS历书数
2、据$*GGA GPS定位数据$*GSV GPS卫星状态,$*ZDA 日期和时间$*BEC 自当前点到航路点的方向和距离$*XTE 偏航距和操纵方向,2、二进制码 二进制码是用两个符号0和1表示的编码。GPS的原始观测量、星历以及其他数据都采用了二进制码。为了满足异步串行传送数据的要求，每一组数据需包含三个部分数据：字头块、数据块和结束符。字头块包括电文的标志和语句名。数据块包括电文中全部数据。结束符包括校验和回车换行符。各种GPS接收机的数据格式在总体结构上相同，但具体采用的符号、内容、字长等略有不同，在编制软件之前，需知道次数据的具体结构。,二、RINEX数据格式 1989年，瑞士伯尔尼大学
3、天文研究所为用于EUREF计划，提出了RINEX(Receiver-Independent Exchange)格式草案，以建立全欧高精度大地测量控制网。1989年3月在美国新墨西哥州举行的第五届国际卫星定位大地测量学术讨论会上，讨论了各种数据交换格式的差异，并达成了成立专门机构和编制GPS通用数据交换格式的协议。经过讨论决定，以RINEX格式草案为蓝本进行修改，形成了RINEX(ver1.0)GPS通用数据交换格式。,1989年8月在英国爱丁堡举行的国际大地测量协会(1AG)上和1990年9月在加拿大渥太华举行的第二届国际GPS精密定位学术讨论会上，都进行了详尽的讨论，形成了RINEX(ver
4、2.0)GPS通用数据交换格式。最后一次定稿是1993年3月在瑞士伯尔尼举行的IGS地球动力学学术讨论会上通过的。以后，又经过了多次修订和补充，例如1994年定义了多普勒和伪距校正，1996年定义了突发事件时间校正，1997年增加了GLONASS数据，和波长因子校正，1998年重新定义了GLONASS导航电文的卫星钟差参数以及RINEX压缩文件的内容等。这样，RINEX格式就成为各厂商、学校、研究单位在编制软件时所采用的标准输入格式。,RINEX格式是纯ASCII码文本文件。共包含4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：
5、ssssdddf.yym(4)GLONASS数据文件：ssssdddf.YYg 其中：ssss4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。,RINEX格式定义了6种不同类型的数据文件，分别用于存放不同类型的数据观测值文件(O)（用于存放GPS观测值）导航电文文件(N)（用于存放GPS卫星导航电文）气象数据文件(M)（用于存放测站处所测定的气象数据）GLONASS导航电文文件(G)（用于存放GLONASS导航电文）GEO导航电文文件(H)（用于存放在增强系统中搭载有类GPS信号发生器的地球同步卫星（GEO）的导航文件）卫星和接收机钟文件(C)（用于存放卫星和接收机时钟信
6、息）,1、观测数据文件,表6.1观测数据文件字头块说明,续表1,续表2,表6.2观测数据文件数据块说明,观测数据文件实例1（博飞）,2 OBSERVATION DATA G(GPS)RINEX VERSION/TYPE 0001 MARKER NAME Motorola REC#/TYPE/VERS 1.1160 0.0000 0.0000 ANTENNA:DELTA H/E/N 1 0 7 G 2 G 4 G 5 G10 G13 G20 G23 WAVELENGTH FACT L1/2 1 0 2 G24 G31 WAVELENGTH FACT L1/2-2207349.4394 43702
7、05.8926 4074058.1719 APPROX POSITION XYZ 2 C1 L1#/TYPES OF OBSERV 10 INTERVAL 2005 4 11 2 32 39.999777 TIME OF FIRST OBS 2005 4 11 3 9 29.999281 TIME OF LAST OBS END OF HEADER 05 4 11 2 32 39.9997769 0 8 2 4 5 13 20 23 24 31 22569054.669 118603475.094 20310108.605 106764543.194 23378805.790 12286252
8、2.546 23582558.535 123982685.275 23668801.630 124439153.657 23453667.564 123263631.026 21794977.651 114544384.085 21935584.211 115281103.859 05 4 11 2 32 49.9999235 0 8 2 4 5 13 20 23 24 31,观测数据文件实例2（华测）,2 OBSERVATION DATA GPS RINEX VERSION/TYPE HuaceNav PGM/RUN BY/DATE B8 MARKER NAME OBSERVER/AGENC
9、Y Allstar REC#/TYPE/VERS ANT#/TYPE-2231648.7851 4358075.8915 4073809.8284 APPROX POSITION XYZ 1.2090 0.0000 0.0000 ANTENNA:DELTA H/E/N 1 0 WAVELENGTH FACT L1/2 2 C1 L1#/TYPES OF OBSERV 2008 1 7 7 43 29.000000 GPS TIME OF FIRST OBS END OF HEADER 08 1 7 7 43 30.0000000 0 7G 2G 4G10G13G12G 5G17 2331068
10、6.608 958592.406 24164457.010 0.000 24612276.058 0.000 25212818.974 0.000 26214837.901 0.000 26415537.915 0.000 26745869.766 0.000 08 1 7 7 43 34.9999967 0 7G 2G 4G10G13G12G 5G17 20321583.689 960362.808 21177600.347-35439.406 21621498.533-124588.479,观测数据文件实例1（中海达）,2 OBSERVATION DATA GPS RINEX VERSIO
11、N/TYPEIntegrate Solution PGM/RUN BY/DATE D3_ MARKER NAME OBSERVER/AGENCY Allstar REC#/TYPE/VERS ANT#/TYPE-2231573.2037 4359608.2656 4072218.8744 APPROX POSITION XYZ 1.5950 0.0000 0.0000 ANTENNA:DELTA H/E/N 1 0 WAVELENGTH FACT L1/2 2 C1 L1#/TYPES OF OBSERV 2008 1 7 3 0 4.000000 GPS TIME OF FIRST OBS
12、END OF HEADER 08 1 7 3 0 4.9999964 0 4G28G11G17G 8 20647868.167 946222.164 20531074.824 36132.584 22023509.403 915772.337 22392885.316 75948.159 08 1 7 3 0 9.9999968 0 5G28G11G17G 8G20 20646612.483 935516.949 20532592.404 39996.506 22021571.028 901475.073 22395756.117 86928.635 22680658.430 912385.2
13、57,2、导航数据文件 卫星星历是取自卫星的广播导航电文，它是地面位置计算的基础数据。在导航电文中，包含有卫星的轨道根数，卫星钟参数等。为了使地面位置计算工作速度更快，卫星发送广播导航电文每秒一次，而广播导航电文每小时更新一次。所以每一次观测只需要记录一组广播导航文。表6.3和6.4分别为导航文件字头块说明和导航文件数据块说明。,表6.3 导航文件字头块说明,续表1,表6.4 导航文件数据记录块说明,续表1,星历文件格式实例（博飞）,2 NAVIGATION DATA RINEX VERSION/TYPE END OF HEADER 2 05 4 11 4 0 0.0-2.6194378733
14、6e-05 3.41060513165e-13 0.00000000000e+00 8.90000000000e+01 9.75625000000e+01 4.74555481426e-09-4.42758347760e-01 1.00800000000e+05-2.01165676117e-07 1.41881292197e+00-3.72529029846e-09 9.55203472630e-01 3.05625000000e+02 1.80370761514e+00-8.53606984729e-09 3.92873507616e-10 0.00000000000e+00 1.3180
15、0000000e+03 0.00000000000e+00 0.00000000000e+00 0.00000000000e+00 1.01979821920e-07 8.90000000000e+01 0.00000000000e+00 4 05 4 11 4 0 0.0 2.88866925985e-04-2.29647412198e-11 0.00000000000e+00 1.31000000000e+02 1.04468750000e+02 4.81770067657e-09 1.94549717125e+00 1.00800000000e+05-2.42143869400e-08
16、1.43883286372e+00 4.28408384323e-08 2.29295265354e-10 0.00000000000e+00 1.31800000000e+03 0.00000000000e+00 0.00000000000e+00 0.00000000000e+00 0.00000000000e+00 5 05 4 11 3 59 44.0 9.07476060092e-05 2.72848410532e-12 0.00000000000e+00 1.00784000000e+05-1.67638063431e-07-7.53332565885e-01-4.28408384
17、323e-08 9.36583357690e-01 2.49843750000e+02 9.35275033479e-01-8.46785272005e-09-4.52161691492e-10 0.00000000000e+00 1.31800000000e+03 0.00000000000e+00 0.00000000000e+00 0.00000000000e+00 0.00000000000e+00,星历文件格式实例（华测）,2 NAVIGATION DATA RINEX VERSION/TYPEHuaceNav PGM/RUN BY/DATE GPS RECEIVER NAVIGAT
18、ION DATA COMMENT END OF HEADER 02 8 1 7 8 0 0.0 1.64345372468D-04 2.95585778076D-12 0.00000000000D+00 9.44368466429D-01 2.07468750000D+02 2.43787116102D+00-8.00997650482D-09-4.53233164695D-10 0.00000000000D+00 1.46100000000D+03 0.00000000000D+00 0.00000000000D+00 0.00000000000D+00 0.00000000000D+00
19、0.00000000000D+00 0.00000000000D+00 0.00000000000D+00 0.00000000000D+00 0.00000000000D+0002 8 1 7 8 0 0.0 1.64345372468D-04 2.95585778076D-12 0.00000000000D+00 9.44368466429D-01 2.07468750000D+02 2.43787116102D+00-8.00997650482D-09-4.53233164695D-10 0.00000000000D+00 1.46100000000D+03 0.00000000000D
20、+00 0.00000000000D+00 0.00000000000D+00 0.00000000000D+00 0.00000000000D+00 0.00000000000D+00 0.00000000000D+00 0.00000000000D+00 0.00000000000D+0005 8 1 7 10 0 0.0 6.35245349258D-04 1.77351466846D-11 0.00000000000D+00 9.41881804129D-01 1.58031250000D+02 1.22009325049D+00-7.74675125471D-09 4.3501812
21、0251D-10 0.00000000000D+00 1.46100000000D+03 0.00000000000D+00 0.00000000000D+00 0.00000000000D+00 0.00000000000D+00 0.00000000000D+00 0.00000000000D+00 0.00000000000D+00 0.00000000000D+00 0.00000000000D+00,3气象数据文件 一个完整的RINEX文件包含有气象数据文件，但在绝大多数工作中都不需要这一文件，因为在数据处理时，只需要简单输入气象参数即可。,表6.5 气象数据文件字头块,表6.6 气
22、象数据文件数据块,三、几种常见接收机的数据格式 原始观测量包括位置、伪距、相位和星历等，大多数采用二进制格式，有的也提供ASCII码。各个厂家的接收机，其数据格式是不同的。下面给出几种常用的接收机和OEM芯片的原始数据格式。,1、Trimble Trimble公司生产了4000ST、SST、SE、SSE、SI、SSI、4600LS等系列的GPS接收机，他的原始数据记录在*.dat文件中，其数据格式如下表：,2、Motorola Motorola VP-core是一种8通道GPS芯片，可用于开发为测地型单频接收机，在我国已广泛使用。其位置数据输出格式、观测数据格式、星历数据输出格式见表：,实例：
23、Motorola,-d9A:0100 47 50 53 30 30 30 31 2D-30 38 30 31 30 37 48 47 GPS0001-080107HG139A:0110 54 30 31 2E 33 32 30 46-52 45 51 31 30 FF FF FF T01.320FREQ10.139A:0120 FF FF FF FF FF FF FF FF-FF FF FF FF FF FF FF FF.139A:0130 FF FF FF FF FF FF FF FF-FF FF FF FF FF FF FF FF.139A:0140 FF FF FF FF FF FF F
24、F FF-FF FF FF FF FF FF FF FF.139A:0150 FF FF FF FF FF FF FF FF-FF FF FF FF FF FF FF FF.139A:0160 FF FF FF FF FF FF FF FF-FF FF FF FF FF FF FF FF.139A:0170 FF FF FF FF FF FF FF FF-FF FF FF FF FF FF FF FF.-d139A:0B00 40 40 45 61 01 07 07 D8-05 37 15 3B 9A C3 E7 08 Ea.7.;.139A:0B10 92 4A 4C 19 20 BF 73
25、 00-00 04 4A 00 00 06 9E 00.JL.s.J.139A:0B20 03 00 00 00 28 00 07 04-02 08 C4 A0 04 08 FF A0.(.139A:0B30 05 00 D2 00 11 08 FF A0-14 08 7E A0 17 00 C1 00.139A:0B40 18 00 ED 00 01 00 C3 00-20 67 0D 0A 40 40 45 61.g.Ea139A:0B50 01 07 07 D8 06 19 00 3B-95 93 11 08 92 49 80 19.;.I.139A:0B60 20 BF 90 00 0
26、0 04 30 00-00 06 88 00 05 00 00 00.0.139A:0B70 1C 00 06 06 02 08 89 A0-04 08 FF A0 0C 08 74 A0.t.,-d139A:0D00 40 40 45 67 01 A4 D1 3B-8D 1E D7 02 08 01 A4 D1 Eg.;.139A:0D10 37 1B 01 10 7F FF C7 4A-0B 9E BF FD 64 04 08 01 7.J.d.139A:0D20 A4 D1 37 80 ED 69 94 52-17 1A 13 52 44 FA D4 05.7.i.R.RD.139A:0
27、D30 C0 00 00 00 00 00 00 00-ED 0C 06 C0 00 D4 9E 00.139A:0D40 00 11 08 01 A4 D1 37 74-11 C9 C0 09 FF E4 0F 89.7t.139A:0D50 FC FB AE 14 08 01 A4 D1-36 F7 6B 9C B0 EE 5D DF.6.k.139A:0D60 13 99 CE 07 7A 17 C0 00-00 00 00 00 00 00 7C CF.z.|.139A:0D70 AC 0C 01 86 C9 00 00 18-C0 00 00 00 00 00 00 00.-d139
28、A:0380 7A 9F 1A 5E 7F FF FA 60-08 8C B3 00 41 26 73 8F z.A&s.139A:0390 BC 19 52 0E 01 D1 73 FF-A8 A1 52 E5 FD 82 0D 0A.R.s.R.139A:03A0 40 40 42 66 11 6D 51 00-11 5C DE A7 67 B6 BC E9 Bf.mQ.g.139A:03B0 73 82 F8 EB 59 1A 5E 00-FF F8 05 E4 38 59 00 9A s.Y.8Y.139A:03C0 35 5F DD DC B4 24 00 74-01 9D 25 8
29、E 0B 3F A1 0D 5_.$.t.%.?.139A:03D0 8B 6B 1A 5E 7D 00 4C 35-4B 29 8D FF D8 27 14 39.k.L5K).9139A:03E0 BF 22 B2 87 AA FB 7E FF-A8 78 59 03 F7 1C 0D 0A.xY.139A:03F0 40 40 42 66 14 6D 50 00-19 5C DE A7 67 B6 BC E9 Bf.mP.g.,6-3 卫星位置计算程序设计,为了计算卫星在WGS84大地坐标系中的位置，首先需要计算卫星在其轨道平面内的位置。此时定义：原点与地心M相重合，x轴指向升交点，y轴
30、在轨道平面内垂直于x轴，我们称其为轨道平面直角坐标系，在卫星坐标计算中，它是一种过渡性的坐标系。下面我们讨论观测瞬间GPS卫星在地面坐标系中坐标的计算方法：,1计算卫星运行的平均角速度n,a为卫星轨道的长半轴，GM为地球引力常数(含大气层)，其值为398600.51014m3/s2它们都有确定值。利用导航电文中给出的摄动改正数n,则可算出卫星运行的实际平均角速度:,n=n0+n,2计算归化时间tk tkt-t0e 3计算观测瞬间的卫星平近点角从Mk MkM0+ntk 4.计算偏近点角Ek,Ek=Mk+esinEk(Ek,Mk 以弧度计),Ek=Mk+esinEk(Ek,Mk 以弧度计),迭代法
31、,Ek=Mk+esinEk(Ek,Mk 以弧度计),微分迭代法：,取近似值：,计算相应的偏近点角改正数：,重复上面的运算，直到dM可以忽略为止。,5计算真近点角Vk,6计算升交距角kk=Vk+为卫星电文给出的近地点角距。,7摄动改正项的计算,8计算经过摄动改正的升交距角k、卫星的矢径rk和轨道倾角ik,k=k+rk=a(1-cosEk)+rik=i0+i+itk,9计算卫星在轨道平面直角坐标系的坐标 xk=rk cosk yk=rk sink,10观测时刻升交点经度的计算,=7.2921156710-5rad/s,、toe 可从卫星电文中获取。,11计算卫星在地心固定坐标系中的直角坐标,12卫
32、星在协议地球坐标系中坐标的计算,程序如下：,作业：1、解释下面文件的含义AGMT MARKER NAME49806M001 MARKER NUMBER-Unknown-OBSERVER/AGENCYLP03033 ASHTECH Z-XII3 CC00 REC#/TYPE/VERSCR519991758 ASH701945B_M SCIT ANT#/TYPE-2339956.2676-4707748.8249 3601666.0953 APPROX POSITION XYZ 0.0083 0.0000 0.0000 ANTENNA:DELTA H/E/N 1 1 WAVELENGTH FACT
33、 L1/2 5 L1 L2 C1 P1 P2#/TYPES OF OBSERV 30.0000 INTERVALteqc windowed:start 2004 Jan 1 00:00:00.000 COMMENTteqc windowed:delta=86400.000 sec COMMENT 2004 1 1 0 0 30.0000000 GPS TIME OF FIRST OBS END OF HEADER 04 1 1 0 0 30.0000000 0 9 G30G21G 9G10G24G 6G17G 5G 4-22832532.55349-17773008.27247 2067816
34、6.7154 20678166.9534 20678172.2434-2633618.18949-2027405.63344 25168998.1474 25168997.4164 25169006.4334 2931227.78349 2305021.09545 25445781.6284 25445782.0324 25445791.3734-21851983.16149-17008970.61147 21132819.4444 21132818.6144 21132825.7834-19099050.07649-14582810.07747 21538389.5494 21538389.
35、1234 21538396.2864-12911278.33449-10049517.44846 22966513.1814 22966512.9144 22966520.2334-24709423.42349-18986983.58848 20574571.0024 20574570.4014 20574577.0854-24716575.63949-19040189.10348 20499063.1244 20499062.6644 20499068.8604-4518450.27549-3278399.71145 24693797.5014 24693798.6394 24693806.
36、3584,2.10 N:GPS NAV DATA RINEX VERSION/TYPEteqc 2002Mar14 ACS Operations 20040101 01:06:55UTCPGM/RUN BY/DATEHP-UX 10.20|PA-RISC|cc A.10.32.03|=+|=|COMMENT END OF HEADER 4 03 12 31 23 59 44.0-3.471504896879D-05-7.048583938740D-12 0.000000000000D+00 3.455840000000D+05-4.470348358154D-08-2.730536492548D+00 1.508742570877D-07-9.000374901741D-11 0.000000000000D+00 1.251000000000D+03 0.000000000000D+00 2.000000000000D+00 0.000000000000D+00-6.053596735001D-09 7.500000000000D+01 3.455400000000D+05 4.000000000000D+00,
