GPS测量应用中常用标准数据格式分析与说明

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GPS测量应用中常用标准数据格式分析与说明
付先国 ，刘建敏
(1．合肥市测绘设计研究院，安徽合肥230061； 2．合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥230009)
摘要：对GPS测量应用中不同类型的四种标准数据格式RINEX、SP3、NMEA-O183和RTCM与CMR进行了分析说
明，熟悉这些标准，了解其应用领域，对拓展GPS的应用空间大有裨益。
关键词：GPS；RINEX；SP3；NMEA；RTCM；CMR
l RINEX格式
RINEX(Receiver Independent Exchange Format／与接
收机无关的交换格式)是一种在GPS测量应用中普遍采
用的标准数据格式。该数据记录格式与接收机的制造厂
商和具体型号无关，是由瑞士伯尔尼大学天文学院的
Wemer Gurtner于1989年提出。经过多年不断修订完善，
目前应用最为普遍的是RINEX格式的第2版。在该版中
定义了6种不同类型的数据文件，它们分别是观测值文
件、导航电文文件、气象数据文件、GLONASS导航电文文
件、GEO导航电文文件及卫星和接收机钟文件。对于大
多数GPS测量应用的用户来说，RINEX格式的观测数据、
导航电文和气象数据文件最为常见。
RINEX格式对数据文件的命名有特殊规定，完整
的文件名由用于表示文件归属的8字符长度主文件名
和用于表示文件类型的3位字符长度扩展名两部分组
成，其具体形式如：ssssdddf．yyt
其中：SSSS：4字符长度的测站代号；ddd：文件中第
一个记录数据所对应的年积日；
f：一天内的文件序号，也称为时段号；YY：年份；t：
文件类型。0一观测值文件，N—GPS导航电文文件，
M一气象数据文件，G-GLONASS导航电文文件，H—
GEO导航电文文件，C一钟文件。
RINEX格式的数据文件采用文本形式进行存储，可
以使用任何标准文本编辑器进行查询编辑。RINEX格式
文件的结构是以节、记录、字段和列为单位逐级组织的。
所有类型的RINEX格式文件，都由文件头和数据记录两
节所组成。每一节中含有若干记录，每一记录通常为一
行，由若干字段组成，每行最大字符数为80。字段在行中
所处位置及宽度有严格规定，不能错位。RINEX格式文
件的文件头用于存放与整个文件有关的全局性信息，位
于每个文件的最前部，其最后一个记录为“END OF
HEADER”。观测值文件的文件头存放有文件的创建日
期、单位名、测站名、天线信息、测站近似坐标、观测值数量
及类型、观测历元间隔等信息。RINEX格式文件的记录
数据紧跟在文件头的后面，随文件类型的不同，所存放数
据的内容和具体格式也不相同。在观测值文件中存放的
是观测过程中每一观测历元所观测到的卫星及载波相
位、伪距和多普勒等类型的观测值数据等。
2 SP3格式
SP3精密星历数据格式的全称是标准产品第3号
(Standard Product#3)，它是一种在卫星大地测量中广
泛采用的数据格式，由美国国家大地测量委员会
(NGS)提出，专门用于存储GPS卫星的精密轨道数
据。SP3格式文件是文本文件，其基本内容是卫星位
置和卫星钟记录，另外，还可以包含卫星的运行速度和
钟的变率。若在SP3格式文件第一行中有位置记录标
记“P”，则表示文件中未包含卫星速度信息；若第一行
中有速度记录标记“V”，则表示在文件中对每一历元、
每一卫星均已计算出了卫星的速度和钟的变率。
SP3格式对数据文件的命名与RINEX格式类似，
由用于表示文件归属的8字符长度主文件名和用于表
示文件类型的3位字符长度扩展名两部分组成，其具
体形式如：tttwwwwd．sp3
其中：ttt：精密星历的类型；WWWW：GPS周；d：星
期，0表示星期13，1～6分别表示星期一～星期六。
与RINEX格式文件一样，SP3格式文件也是以
节、记录、字段和列为单位逐级组织的，并且同样分为
文件头和数据记录两节，每一节由若干记录所组成。
所不同的是，SP3格式文件的记录长度被严格限定为
收稿日期：2oo9—04—22
作者简介：付先国(1981一)，男，工程师，主要从事城市基础测绘及VRS的工作。
第1期 付先国等．GPS测量应用中常用标准数据格式分析与说明 63
60列，而不是RINEX格式文件的80列。
SP3格式文件文件头的第1行第2个字符为版本标
识符。第1行由采用格里高利历所标示的首个历元的
轨道数据时间、星历文件中的历元数、进行数据处理时
所采用数据类型的描述符、轨道类型描述符和轨道发布
机构描述符所组成。第2行所包含的内容有轨道数据
首个历元的GPS周、GPS周以内的秒数、以秒为单位的
历元间隔、约化儒略日的整数部分及小数部分。第3～7
行为卫星的PRN号。在列出了所有的PRN号后，剩下
的位置用零值填充。第8～l2行为卫星轨道精度指数，
若为0，表示精度未知。由精度指数n计算实际精度
的方法为：盯=2“mm。例如，如果精度指数为5，则实际
精度为2 nlll。第13～l8行用来对SP3格式的文件进
行一些扩充，在文件中添加一些附加信息。第19～22
行可为任意内容的注释。第23行为历元的日期和时
问。第24行为卫星的位置(或速度)和钟差(或钟漂)。
由于SP3格式精密轨道数据是以离散的位置形式给
出的，历元间隔一般为15 min，更新率为6 h，在每天UTC
3：00、UTC 9：00、UTC 15：00、UTC 21：00各发布一次。因此
需要采用内插的方法来得到所需历元时刻的卫星位置。
其中比较经典的方法是拉格朗日多项式内插。
3 NMEA—Ol83格式
NMEA(National Marine Electronics Association，美国
国家海事电子协会)成立于20世纪5O年代，是一家专
门从事海洋电子设备工业方面教育及研究的民间机构，
总部在美国北卡罗来纳州。NMEA系列标准是其制定
的关于海洋电子设备之间通信接口和协议的标准。
1983年制定的NMEA一0183标准，支持GPS、测深仪等
多种设备的接口和通信协议定义，同时还允许一些特定
设备制造商对其设备通信自行定义协议。NMEA一0183
的串口通信协议是：8个数据位，1个起始位，1个停止
位，无奇偶校验位，默认波特率为4 800 bps。
NMEA～0183协议是GPS接收机应当遵守的标准
协议，也是目前GPS接收机上使用最广泛的协议，大
多数常见的GPS接收机、GPS数据处理软件、导航软
件都遵守或者至少兼容这个协议。GPS接收机根据
NMEA-0183协议的标准规范，将位置、速度等信息通
过串口传送到PC机、PDA等设备。所有遵循NMEA一
0183协议的GPS语句可采用ASCII码格式，以“$”开
头，后面是语句头。语句头分两部分：前两个字母表示
“系统ID”，表示该语句是属于何种系统或设备；后3
个字母表示“语句ID”，表示该语句是关于哪个方面的
数据。语句头后面是数据体，包含不同的数据字段。
NMEA一0183标准应用于GPS方面时，数据串以
“$GP”开头，主要有GGA、GLL、ZDA、GSV、GST、GSA、
ALM等格式，这些格式的作用见表1。
GPS常用格式说明 表1
格式 说明
输出GPS的定位信息
输出大地坐标信息
输出UTC时间信息
输出可见的卫星信息
输出定位标准差信息
输出卫星的DOP值信息
输出卫星星历信息
以$GPGGA标准语句为例，对NMEA一0183标准
语句的字段定义进行解释，见表2。
NMEA一0183标准语句说明 表2
$GPGGA，，，，，，，，，，M，
M ，，
定位时的UTC时间，hhmmss(时分秒)格式
所选基准下的纬度，ddmm．mmnlm(度分)格式
纬度N(北半球)或s(南半球)
所选基准下的经度，dddmm．mlTlri．1m(度分)格式
经度E(东经)或w(西经)
GPS状态：0=未定位，1= 非差分定位，2=差分定位，4=RTK
固定解，5=RTK浮动解
用于定位计算的卫星数
HDOP水平精度因子
海拔高度
大地水准面差距
差分GPS数据龄期[秒]
差分站ID号(一个在0000～1023之间的整数)
4 RTCM与CMR差分电文格式
国际海运事业无线电技术委员会(RTCM)于1983
年1 1月为全球推广应用差分GPS业务设立了SC一104
专门委员会，制定各种数据格式标准。最早于1985年
发表了RTCM V1．0版本的建议文件。1990年公布了
V2．0版本，该版本中只有伪距差分的信息，没有载波
相位的信息，主要为导航服务。1993年推出了V2．1
版本，增加了与载波相位差分技术相关的电文，即电文
l8～21。为了应用GLONASS，1998年公布了V2．2版
本，增加了支持GLONASS差分导航电文。2001年公
布了V2．3版本，定义了电文23和24。随着网络差分
GPS的出现，RTCM V3．0版本也出版了，增加了用于
传输网络差分改正数的电文。
RTCM差分协议共定义了64种电文，每种电文帧
长为(N+2)个字，其中电文头两个字称为通用电文。
电文信息包含在N个字中，N随电文类型不同而不同，
同类电文可能由于卫星的个数不同也不相同。在已定
$G眦 $G眦 $AG啪 $GV晒 $GT瞄 $AG晒 $aM
城市勘测 2010年2月
义的电文中用于RTK的是Type3，Type22和Type18～
21这6种电文。Type3和Type22发送的基准站坐标
的信息。Typel8—21提供的是观测量信息，其中
Typel8／19提供的是未加改正的原始观测值；Type20／
21提供的是差分改正数。
CMR(Compact Measurement Record)是Trimble公
司于1996年开始设计的一套用于RTK的差分格式标
准，主要是针对RTCM格式的码发送率必须高于
4 800 b／s这一不足之处而制订的，CMR的码发送率只
有RTCM的一半，即2 400 b／s。CMR的主要电文有3
种，即电文0、电文1和电文2。电文0是原始观测值
电文，主要内容是u 、L2载波相位观测值和伪距观测
值。电文1发送的是参考站的坐标信息，包含天线相
位中心在WGS一84坐标系中的坐标、天线高、地面点
和天线相位之间的偏差以及坐标的精度等。电文2发
送的是电文长度信息、参考站的简称、参考站点的特征
信息以及参考站的详细名称等。
CMR的码发送率只有RTCM的一半，而它的数据
信息和RTCM中用于RTK的数据信息是相同的，相位
和伪距观测值同样都是一秒更新一次，这主要是因为
CMR协议中对测量数据进行了压缩处理。图1表示两
个相距不远的测站同时对相同的卫星进行观测。很容
易理解在相距不远的两站对同一卫星进行同步观测，将
会得到近似的伪距观测量，CMR就是利用这一规律对
测量数据进行压缩。在CMR协议中基准站发送的全都
不是原始观测值，选择其中的一种伪距，并发送其不足1
光毫秒的部分，1光毫秒相当于299 792．458 m。由于相
距在差分GPS能作用的范围内的两站对相同卫星进行
同步观测，得到的伪距相差不会超过1光毫秒，因此根
据流动站得到的伪距就可以确定基准站发送过来的伪
距。其他观测值发送的是和这种伪距之差。差值的范
围相对原始观测值来说要小得多。这样就达到了对原
始观测值进行压缩的目的。观测时间也是发送实际时
间值除以240 s的余数，流动站接收后参照自己的时间
便可确定准确的GPS时。
发送
图1 CMR协议的数据压缩方法
5 结语
在进行GPS数据后处理时，针对不同品牌的接收
机联合作业，要使用到RINEX格式数据；如果是高精
度后处理，还要用到SP3格式的精密星历；在进行实时
差分定位测量中，所采用的差分数据格式一般为CMR
或RTCM；而大多数常见的GPS接收机、GPS数据处理
软件、导航软件都遵守或者至少兼容NMEA一0183协
议。本文对GPS测量应用中常用到的上述4种类型
的标准数据格式进行了分析与说明，熟悉这些标准，了
解其应用领域，对拓展GPS的应用空间大有裨益。
参考文献
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pu∥suⅣey／emr／cmr．doc，2002—6—8
[6] National Marine Electronics Association：http：／／www．nmea．org
The Analysis and Explaining of Familiar Standard Data
Format In GPS Surveying
Fu XianGuo ，Liu JianMin
(1．Hefei Surveying and Mapping Institute，Hefei 23006 1，China；
2．Hefei Industrial University School of Resource and Environmental Science，Hefei 230009，China)
Abstract：The paper analyses and explains the different four standard data formats：RINEX、SP3、NMEA-0183、RTCM and
CMR．If we are familiar with the standards，realize the application，It is useful for extending the application of GPS．
Key words：GPS；RINEX；SP3；NMEA；RTCM；CMR】
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2014-9-30 06:49 上传

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