Лабораторна робота № 9. Мета: Вивчити структуру та навчитися працювати з файлами GPS-спостережень у форматі RINEX.

Тема: Знайомство з структурами GPS-сигналу та файлу у форматі RINEX

Мета: Вивчити структуру та навчитися працювати з файлами GPS-спостережень у форматі RINEX.

Теоретичний матеріал.

Спостереження, а також навігаційне повідомлення та додаткова інформація, отримані із сигналом з супутника GPS, зберігаються в бінарному (залежно від типу приймача) форматі. Хоча бінарні дані приймача можна під час пересилання перевести у незалежний від типу комп’ютера формат ASCII, вони все ще залежатимуть від типу приймача. Крім того, кожний програмний продукт при обробці GPS- спостережень має свій власний формат. Це потребує перетворення певних даних до незалежного від програми

 

 

формату, якщо ці дані обробляються за допомогою програм іншого типу.

На підставі вищесказаного можна зробити висновок, що обміну GPS-даних сприяв би формат, незалежний від типу приймача. Це досягнуто за допомогою формату обміну RINEX (Receiver Independent Exchange Format). Перша версія цього формату була розроблена Астрономічним Інститутом Бернського Університету для простого обміну GPS-даними, які повинні були збиратися під час EUREF 89 – великої Європейської кампанії по збору GPS-даних, яка включала більше ніж 60 GPS-приймачів чотирьох різних виробників. При розробці враховувався наступний факт:

Переважна більшість програмного забезпечення для обробки GPS-даних використовує чіткий набір спостережень:

- фазові вимірювання на одній або двох несучих частотах (які фактично є вимірюванням за частотою биття між несучою частотою отриманого супутникового сигналу і еталонною несучою частотою, яка генерується приймачем).

- виміряні псевдовіддалі, які відповідають різниці часу прийому (вираженому в часовому інтервалі спостерігача) і часу передачі (вираженому в часовому інтервалі супутника) супутникового сигналу.

- час спостереження, який береться з годинника приймача для фазових та/або кодових вимірів.

Отже, таким програмним продуктам не потрібна більшість інформації, яка, звичайно, зберігається приймачем. Їм потрібні фазові та кодові вимірювання, момент часу, до якого відносяться ці вимірювання, та деяка інформація, пов’язана безпосередньо зі станцією, така як назва станції, висота антени тощо.

Формат версії 2.10, згідно офіційного опису складається з таких типів ASCII-файлів:

1. Файл даних спостережень (так звані *.о-файли).

2. Файл навігаційного повідомлення (так звані *.n-файли).

3. Файл метеорологічних даних (так звані *.m-файли).

 

 

4. Файл навігаційного повідомлення ГЛОНАСС.

5. Файл навігаційного повідомлення GEO.

Формат було оптимізовано для мінімального використання пам'яті, незалежно від кількості типів спостережень, які проводить приймач, вказуючи в заголовку типи спостережень, які зберігаються. В комп’ютерних системах, які допускають опрацювання записів змінної довжини, записи спостережень можна ще більше скоротити.

Кожний файл даних спостережень і кожний файл метеорологічних даних в основному містить інформацію по одному пункту і за один сеанс. Друга версія RINEX дозволяє включати дані спостережень з більш ніж однієї точки, які займав приймач при швидких статичних або кінематичних вимірюваннях. Файл навігаційного повідомлення не залежить від пункту.

На сьогодні RINEX є найбільш вдалим форматом. Як наслідок, деякі виробники приймачів розробляють програми для перетворення залежних від їх приймача форматів на RINEX. Координатором цих зусиль виступає Національна геодезична служба (NSG).

Рекомендовано формувати назви файлів за наступною схемою, яку фактично прийнято за стандартну:

ssssdddf.yyt

ssss: 4-символи назви станції;

ddd: день за GPS-календарем початку спостереження; f: номер окремого спостереження в цей день (якщо

приймач вмикався і вимикався);

0: файл містить всі спостереження за цей день; yy: рік;

t: тип файлу;

o: файл спостережень;

n: навігаційний файл;

m: файл метеорологічних даних;

g: навігаційний файл ГЛОНАСС;

h: навігаційний файл окремих геостаціонарних

 

 

супутників.

Так, наприклад, файл „sulp0340.06o” містить результати вимірювань до супутників, які виконувалися на перманентній станції sulp (станція університету „Львівська політехніка”) в 34 день 2006 року, а файл „sulp0340.06n” буде містити дані про Кеплерові параметри орбіт всіх супутників системи GPS на протязі цього ж для.

Файли формату RINEX можуть бути легко відкриті, і навіть редаговані в будь-якому текстовому редакторі.

Кожний тип файлів складається із заголовку і секції даних. Заголовок містить інформацію про умови отримання даних і розміщується на початку файлу. Заголовок в стовпцях 61-80 містить короткі примітки для кожної лінії заголовку. Ці примітки є обов’язковими. Опис основних записів файлів даних спостережень, навігаційних файлів і файлів метеорологічних даних наведено в табл.21.1-21.6.

Таблиця 21.1

Файл даних спостережень формату RINEX (заголовок)

Мітка запису	Опис	Формат
RINEX VERSIO N / TYPE	- Версія формату (2.10)   - Тип файлу (“O” для даних спостереження)   - Супутникова система:   “G”: GPS; “R”–GLONASS; “S”– геостаціонарна; “T” – NNSS; “M” – змішана	F9.2,11X, A1,19X, A1,19X
PGM / RUN BY / DATE	- Назва програми, за допомогою якої створено файл - Назва організації, якою створено файл	A20, A20, A20

 

	- Дата створення файлу
COMMEN T	Рядок коментарів	A60
MARKER NAME	Назва станції	A60
MARKER NUMBER	Номер станції	A20
OBSERV ER / AGENCY	Ім'я спостерігача та назва організації	A20,A40

продовження табл. 21.1

 

Мітка запису	Опис	Формат
REC # / TYPE / VERS	Номер приймача тип і версія внутрішнього програмного забезпечення приймача	3A20
ANT # / TYPE	Номер антени і тип	2A20
APPROX POSITI ON XYZ	Наближені координати точки спостереження (WGS84)	3F14.4
ANTENN A: DELTA	- Висота антени: відстань від точки до нижньої поверхні антени - Ексцентриситет антени відносно точки на схід і	3F14.4

 

H/E/N	на північ (всі величини в метрах)
WAVELE NGTH FACT L1/2	- коефіцієнти стандартної довжини хвилі для частот L1 і L2: 1 – повний цикл невизначеності; 2 – половина циклу невизначеності;   0 (для L2) – одночастотний інструмент   Запис коефіцієнту стандартної довжини хвилі є обов’язковим і повинен йти перед записом, специфічним для супутника. Список номерів супутників з ідентифікатором супутникової системи (PRN)	2I6,     I6   7(3X,A1, I2)
# / TYPES OF OBSERV	- Кількість типів спостережень збережених в цьому файлі - Типи спостережень   Якщо типів спостереження більше 9: використовуються додаткові рядки В RINEX версії 2.10 визначені наступні типи спостережень: L1, L2 – фазові вимірювання для частот L1 і L2 (повні цикли); C1 – псевдовіддаль з використанням C/A-коду для частоти L1 (м); P1, P2 – псевдовіддалі з використанням P-коду для частот L1 і L2 (м); D1, D2 – допплерівські дані для частот L1 і L2 (Гц); T1, T2 – інтегральні допплерівські дані для частоти 150 МГц (T1) і 400 МГц (T2) (цикли); S1, S2 – потужність	I6,   9(4X,A2)   6X,9(4X, A2)

 

необробленого сигналу (відношення сигнал/шум),

або

величина

SNR

 

родовження табл. 21.1

Мітка запису	Опис	Формат
	які визначаються приймачем для частот L1 і L2 при фазових вимірюваннях Послідовність типів в цьому записі повинна відповідати послідовності спостережень для записів спостережень
INTERV AL	Інтервал спостережень в секундах	F10.3
TIME OF FIRST OBS	- Час першого запису спостереження (рік – чотири цифри, місяць, доба, година, хвилина, секунда) - Система відліку часу: GPS: час GPS GLO: Всесвітній час координований (UTC)	5I6,F13.7,   5X,A3
TIME OF LAST OBS	- Час останнього запису спостереження (рік – чотири цифри, місяць, доба, година, хвилина, секунда) - Система відліку часу: Таке ж значення як і в рядку TIME OF FIRST OBS	5I6,F13.7,   5X,A3

 

RCV CLOCK OFFS APPL	Ознака коригування епохи, коду і фази із застосуванням зміщення годинника приймача, отриманого в реальному часі: 1 – так, 0 – ні, по замовчуванню 0	I6
LEAP SECOND S	Кількість додаткових секунд починаючи з 6 січня 1980 року Рекомендовано для змішаних GPS/GLONASS файлів	I6
# OF SATELL ITES	Кількість супутників, спостереження для яких зберігаються в файлі	I6
PRN / # OF OBS	Номер супутника, кількість спостережень кожного типу, який вказано в рядку “# / TYPES OF OBSERV” Якщо типів спостереження більше 9: використовуються додаткові рядки Цей рядок (ці рядки) повторюється для кожного супутника представленого в секції даних	3X,A1, I2, 9I6     6X,9I6
END OF HEADER	Ознака закінчення заголовку	60X

Таблиця 21.2

Файл даних спостережень формату RINEX (підрозділ даних)

 

Запис спостере

Опис

Формат

 

ження
ВІДОМ ОСТІ ПРО ЕПОХУ/ СУПУТ НИКИ АБО ЗНАК ПОДІЇ	- Епоха: рік (2 цифри, з ведучим нулем); місяць, доба, година, хвилина; секунда. - Знак епохи: 0 –подій немає; 1 – збій живлення між попередньою і поточною епохами; >1 – знак події - Кількість супутників на дану епоху   - Перелік PRN (номер супутника з ідентифікатором супутникової системи) на дану епоху - Зсув годинника приймача в секундах (необов’язково) Якщо супутників більше 12: використовуються додаткові рядки Якщо знак епохи 2-5: 2 – початок руху антени; 3 – нова позиція точки спостереження (завершення кінематичної зйомки); 4 – далі йде інформація заголовку; 5 – зовнішня подія (епоха неоднозначна); 6 – стрибок фази	1X,I2.2,   4(1X,I2), F11.7, 2X,I1   I3 12(A1,I2 ),   F12.9   32X, 12(A1,I2 )
СПОСТ ЕРЕЖЕ ННЯ	- Спостереження   - Індикатор втрати блокування (LLI)	m(F14.3, I1,

 

- Рівень сигналу   Цей запис (записи) повторюється для кожного супутника вказаного в записі ВІДОМОСТІ ПРО ЕПОХУ/СУПУТНИКИ АБО ЗНАК ПОДІЇ

I1)

 

 

Таблиця 21.3

Файл навігаційного повідомлення (опис секції заголовку)

Мітка запису	Опис	Формат
RINEX VERSIO N / TYPE	- Версія формату (2.10)   - Тип файлу (“N” для навігаційних даних)	F9.2,11X , A1,19X
PGM / RUN BY / DATE	- Назва програми, за допомогою якої створено файл - Назва організації, якою створено файл   - Дата створення файлу	A20 A20 A20
COMMEN	Рядок коментарів	A60

 

 

T
ION ALPHA	Параметри іоносфери 0 - 3	2X,4D12 .4
ION BETA	Параметри іоносфери 0 - 3	2X,4D12 .4
DELTA- UTC: A0,A1, T,W	Значення поліноміальних коефіцієнтів для введення поправки в UTC: A0,A1 – поліноміальні коефіцієнти; T – початок відліку для UTC; W – номер початкового тижня UTC.	3X, 2D19.12, 2I9
END OF HEADER	Ознака закінчення заголовку	60X

 

 

Таблиця 21.4

Файл навігаційного повідомлення (опис записів даних)

Запис спостере

Опис

Формат

 

ження
PRN / EPOCH / SV CLK	- Номер супутника, епоха (рік – дві цифри, місяць, доба, година, хвилина, секунда) - Зсув супутникового годинника (с), дрейф, швидкість зміни дрейфа (с-1)	I2,5І3,F5 .1     3D19.12
BROAD CAST ORBIT	- Час від моменту останнього оновлення ефемеридних даних - Синусний член для r поправки (м)   - Швидкість зміни середнього руху (рад/с)   - Середня аномалія (рад)	3X,4D19 .12
- Косинусний член для u поправки (рад)   - Ексцентриситет   - Синусний член для u поправки (рад)   - Квадратний корінь від величини великої півосі (м1/2)	3X,4D19 .12
- Момент часу, на який дається ефемерида з початком відліку від початку даного GPS-тижня - Косинусний член для i поправки (рад)   - Довгота вузла (рад)   - Синусний член для i поправки (рад)	3X,4D19 .12
- Нахил площини орбіти (рад)	3X,4D19

 

	- Косинусний член для r поправки (м) - Аргумент перигея (рад)   - Швидкість руху довготи вузла (рад/с)	.12
- Швидкість зміни нахилу орбіти (рад/с)   - Коди для каналу частоти L2   - GPS тиждень   - Покажчик стану вимірювання Р-коду на частоті L2	3X,4D19 .12
- Точність орбіти супутника (м)   - Стан супутника   - Групова затримка обумовлена іоносферою (с)   - Час після останнього оновлення коефіцієнтів полінома для супутникових годинників	3X,4D19 .12
- Момент часу передачі повідомлення   - Три запасні позиції під дані	3X,4D19 .12

Таблиця 21.5

Файл метеорологічних даних (опис секції заголовку)

Мітка запису	Опис	Формат
RINEX VERSIO N / TYPE	- Версія формату (2.10)   - Тип файлу (“M” для метеорологічних даних)	F9.2,11X, A1,19X

 

PGM / RUN BY / DATE	- Назва програми, за допомогою якої створено файл - Назва організації, якою створено файл   - Дата створення файлу	A20 A20 A20
COMME NT	Рядок коментарів	A60
MARKE R NAME	Назва станції	A60
MARKE R NUMBE R	Номер станції	A20
# / TYPES OF OBSERV	- Кількість типів спостережень збережених в цьому файлі - Типи спостережень: PR – тиск (мБар); TD – температура сухого повітря (ºC); HR – відносна вологість (%); ZW – волога зенітна затримка (мм) (для даних WVR); ZD – суха складова зенітної затримки (мм); ZT – загальна зенітна затримка (мм)	I6,   9(4X,A2)
SENSOR MOD/TY PE/ACC	Опис метеорологічних сенсорів: модель (виробник); тип; точність (в тих же одиницях, що і відповідне спостереження); тип спостереження Запис повторюється для кожного типу	A20, A20,6X F7.1,4X,

 

	спостереження, вказаного в записі # / TYPES OF OBSERV	A2,1X
SENSOR POS XYZ/H	Наближене місцеположення метеорологічного сенсора: геоцентричні координати X, Y, Z; еліпсоїдальна висота H	3F14.4,   1F14.4,   1X,A2,1 X
END OF HEADER	Ознака закінчення заголовку	60X

 

Таблиця 21.6

Файл метеорологічних даних (опис записів даних)

Мітка запису	Опис	Формат
EPOCH / MET	- Епоха (рік – дві цифри, місяць, доба, година, хвилина, секунда) - Метеорологічні дані, в тій же послідовності, що подано у заголовку	1X,I2.2   5(1X,I2) mF7.1

 

На рис. 21.1 наведено фрагмент ефемеридного повідомлення (навігаційного файла) у форматі RINEX (файл aoml0090.03n) для супутника з номером 24.

 

2.10 N: GPS NAV DATA RINEX VERSION / TYPE teqc 2000Jul20 20030110 00:26:51UTCPGM / RUN BY / DATE HP-UX 10.20|PA-RISC|cc A.10.32.03|=+|=| COMMENT

END OF HEADER

24 03 1 9 2 0 0.0 8.421111851931D-05 2.728484105319D-12 0.000000000000D+00

0.000000000000D+00 7.375000000000D+00 4.177316859157D-09-2.449493464378D+00

5.085021257401D-07 9.584356332198D-03 8.132308721542D-06 5.153609949112D+03

3.528000000000D+05 1.154839992523D-07-2.600483938423D+00 1.378357410431D-07

9.774506383996D-01 2.310625000000D+02-1.506301978449D+00-7.717821478243D-09

 

 

 

-2.750114553310D-10 1.000000000000D+00 1.200000000000D+03 0.000000000000D+00 2.000000000000D+00 0.000000000000D+00-1.396983861923D-09 2.560000000000D+02

3.456180000000D+05

 

Рис.21.1 Фрагмент навігаційного файлу aoml0090.03n

 

Параметри, які описують рух супутника з номером 24, вказано на момент часу 02 год. 00 хв. 00 с 09.01.2003р. Значення параметрів орбіти супутника, приведені в цьому фрагменті, розшифровуються у відповідності з описом, наведеним у таблицях 21.3, 21.4.

Фрагмент файлу спостережень на станції aoml на 009-й GPS-день 2003 року на момент часу 02 год. 00 хв. 00 с в форматі RINEX приведений на рис. 21.2.

У даному фрагменті наведено інформацію про геоцентричні координати пункту, типи вимірювань на станції (фазові на частотах L1 та L2, кодові С1 та Р2).

Фрагмент містить результати супутникових спостережень 8-ми супутників системи GPS (номери 05, 06, 26, 10, 29, 17,

04, 23) на момент часу 02 год. 0 хв. 0 с 09 січня 2003 року. Розмірності: для L – повні цикли, для величин C та P – метри.

 

2.10 OBSERVATION DATA G (GPS) RINEX VERSION / TYPE teqc 2000Jul20 GRD/NGS/NOAA 20030110 00:26:44UTCPGM / RUN BY / DATE HP-UX 10.20|PA-RISC|cc A.10.32.03|=+|=| COMMENT

BIT 2 OF LLI FLAGS DATA COLLECTED UNDER A/S CONDITION COMMENT AOML MARKER NAME

49914S001 MARKER NUMBER

GRD/NGS/NOAA GRD/NGS/NOAA OBSERVER / AGENCY T146 ROGUE SNR-8000 3.2.32.11 REC # / TYPE / VERS

380 AOAD/M_T ANT # / TYPE 982296.8090 -5664607.2090 2752614.4750 APPROX POSITION XYZ

0.0000 0.0000 0.0000 ANTENNA: DELTA H/E/N

1 1 WAVELENGTH FACT L1/2

5 C1 L1 L2 P1 P2 # / TYPES OF OBSERV

30.0000 INTERVAL

SNR is mapped to RINEX snr flag value [1,4-9] COMMENT SNR: >316 >100 >31.6 >10 >3.2 >0 bad=0 COMMENT

L1 & L2: 9 8 7 6 5 4 1 COMMENT

2003 1 9 0 0 0.0000000 GPS TIME OF FIRST OBS

END OF HEADER

03 1 9 2 0 0.0000000 0 8G 5G 6G26G10G29G17G 4G23

23655084.1754 140593.08949 109553.82644 23655084.1904

22621254.0344 -15165024.33849 -11816891.02944 22621253.7834

21655624.8854 -18363364.21549 -14309101.25344 21655625.6434

20862202.8534 -22317294.31249 -17390054.76745 20862202.6814

21214264.9994 -20515542.66849 -15986113.76944 21214264.6084

25632666.5934 -431983.67046

24317556.4004 -2567573.98149 -2000655.06144 24317558.3704

22061094.0294 -15819731.48249 -12327040.85944 22061094.0594

 

 

Рис. 21.2 Фрагмент файла спостережень aoml0090.03o

 

 

Завдання 1. Отримати навігаційний файл та файл спостережень з однієї з перманентних станцій, вказаних викладачем.

Завдання 2. Описати, вимірювання яких типів проводяться на заданій станції, інтервал запису даних, час початку спостережень та номери супутників, які спостерігалися станом на 04h 00m 00s київського часу.

Завдання 3. З навігаційного файла виписати Кеплерові параметри орбіти супутника PRN26 станом на 04h 00m 00s та 16h 00m 00sкиївського часу.

Завдання 4. Зробити висновки про зміну Кеплерових параметрів орбіти супутника за заданий проміжок часу.