CN101915929A - 基于六十进制的gnss观测值压缩与解压缩方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于导航卫星应用与数据处理领域，特别是涉及一种新的GNSS观测值数据压缩与解压缩方法，包括GNSS观测值中概略坐标和天线高信息的压缩与解压缩，基于六十进制的时间数据的压缩与解压缩，基于六十进制的卫星编号的压缩与解压缩，基于六十进制和递推差分算法的GNSS观测值压缩，基于六十进制和递推积分算法的GNSS观测值积分。

Description

基于六十进制的GNSS观测值压缩与解压缩方法

技术领域

本发明属于导航卫星应用与数据处理领域，特别是涉及一种新的GNSS观测值数据压缩与解压缩方法。

背景技术

全球卫星导航系统(GNSS)是星基无线电定位、导航与授时系统，它由已处于运行状态下的美国全球卫星定位系统(GPS)、完善之中的俄罗斯全球卫星导航系统(GLONASS)、建设之中的欧洲伽利略系统(GALILEO)和中国北斗卫星导航系统(COMPASS)等组成。

GPS自1995年宣布完全运行状态(FOC)以来，运营状况良好，当前在轨卫星31颗，主要观测值有载波L1、L2，测距码C/A、P1、P2和多普勒观测值D1、D2。1999年美国宣布了GPS现代化计划，未来GPS系统将提供更多的观测值，包括L1、L2、L5、L1C、L2C、L5I、L5Q、P1、P2、M1、M2、D1、D2、D5等。GLONASS自1996年具备FOC以来，因经济和技术原因，卫星星座长期没有到达预定24颗，当前正式运行卫星有21颗。2001年俄罗斯宣布了GLONASS现代化计划，在2012年以后卫星星座将维持在24颗，提供G1、G2、G3、L1C、L2C、L3C、P1、P2、P3等多种观测值。1998年欧盟决定建立GALILEO系统，当前只有1颗试验卫星正式运行，计划建设由20颗卫星组成的卫星星座和遍布全球的地面控制部分，GALIELO将提供E1、E6、E5a、E5b、E1A、E1B、E6A、E6B、E5a-I、E5b-I等多种类型的观测值。中国正在实施的COMPASS将发射5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，当前有4颗北斗导航试验卫星和2颗北斗导航卫星，COMPASS系统将要提供B1-I；B1-Q；B1-2；B2-I；B2-Q；B3；B1-BOC；B2-BOC；B3-BOC；L5等多种类型的观测值。日本、印度等国也在积极发展卫星导航定位系统，未来天空中正式运行的卫星将超过100颗。

当前地面一点可视GNSS卫星数目为6-15颗，未来地面一点可视GNSS卫星数将达到15至40颗。卫星数量的增加将大大提高定位的速度和精准度，同时将使得观测值的数量大大增加。例如采样率为30秒、截止高度角为10度的一个测站24小时的GPS观测值数据大约在1.4Mb左右。相同设置的观测值文件未来将达到10Mb左右。

国内外有多种形式的GNSS连续运行跟踪站，这些测站连续运行，观测值实时或者事后传输到数据处理中心，并供用户下载。国际GPS服务(IGS)机构是一个永久性GPS服务机构，为全球科研机构及时提供GPS数据和高精度的星历、地球自转速率等，在数据处理中心SOPAC保存着GNSS标准格式的数据。美国大地测量调查所(NGS)管理着美国连续运行参考站(CORS)系统，数据存档在马里兰州的主站和科罗拉多的对应设施中。我国许多省市也建立了CORS系统，预计五年内将CORS站点将达到1000多个。

以上系统接收了大量的观测数据，能够满足不同用户的需求，但数据量也很大，给数据的存储与传输带来了新的问题。

发明内容

针对上述现状与需求，本发明提出一种新的GNSS观测值的压缩方法和相应解压缩方法。

本发明提供的技术方案是基于六十进制的GNSS观测值压缩方法，包括以下步骤：

步骤1.1，读取GNSS标准Rinex格式的观测值文件，所述观测值文件包含头文件和主体文件，主体文件包含各历元的观测值；

步骤1.2，将头文件中的概略坐标和天线高数据转化为整数，再转化为六十进制；

步骤1.3，压缩第1个历元，包括将第1个历元的时间数据和卫星编号转化为六十进制；将首历元的观测值数据先转化为整数并记为X₀，再转化为六十进制，得到第1个历元的观测值压缩数据；

步骤1.4，压缩第2个历元，包括将第2个历元的时间数据与第1个历元的时间数据求差得到历元间隔，并转化为六十进制；第2个历元的卫星编号与首历元的卫星编号相同则略写，有增删变化则将第2个历元的卫星编号转化为六十进制；将第2个历元的观测值数据转化为整数并记为X₁，然后将第2个历元的观测值数据与首历元的观测值数据求一次差，即ΔX₁＝X₁-X₀，并将差分结果转化为六十进制，得到第2个历元的观测值压缩数据；

步骤1.5，压缩第3个历元，包括将第3个历元的时间数据与第2个历元的时间数据求差得到历元间隔，并转化为六十进制；第3个历元的卫星编号与第2个历元的卫星编号相同则略写，有增删变化则将第3个历元的卫星编号转化为六十进制；将第3个历元的观测值数据转化为整数并记为X₂，然后将第3个历元的观测值数据与第1个历元、第2个历元的观测值数据求二次差，即

并将差分结果转化为六十进制，得到第4个历元的观测值压缩数据；

步骤1.6，依次压缩第4个及以后历元，压缩方式包括，将当前压缩的第n个历元的时间数据与前一历元的时间数据求差得到历元间隔，并转化为六十进制；第n个历元的卫星编号与前一历元的卫星编号相同则略写，有增删变化则将第n个历元的卫星编号转化为六十进制；将第n个历元的观测值数据转化为整数并记为X_n-1，然后将当前压缩历元的观测值数据与前三个历元的观测值数据X_n-2、X_n-3、X_n-4求三次差，即并将差分结果转化为六十进制，得到第n个历元的观测值压缩数据；

步骤1.7，将步骤1.2至步骤1.6所得数据存入文本文件；

步骤1.8，调用通用压缩软件将步骤1.7所得文本文件压缩为二进制的格式。

本发明还提供了相应基于六十进制的GNSS观测值解压缩方法，包括以下步骤：

步骤2.1，调用通用压缩软件进行解压，转换为文本格式的文本文件；

步骤2.2，读入步骤2.1所得文本文件中的压缩数据；

步骤2.3，将压缩数据所含头文件中概略坐标和天线高数据转为十进制，再转化为标准单位的实数；

步骤2.4，读入第1个历元的压缩数据并解压缩，包括将第1个历元的时间数据和卫星编号转换为十进制的格式；将第1个历元的观测值压缩数据转换为十进制的实数形式，得到该历元原始的观测值数据X₀；

步骤2.5，读入第2个历元的压缩数据并解压缩，包括将第2个历元的历元间隔和和卫星编号换为十进制格式，并补全时间信息和卫星编号；将第2个历元的观测值压缩数据转换为十进制的实数形式并记为ΔX₁，然后与第1个历元的观测值数据X₀进行一阶积分，得到该历元原始的观测值数据X₁＝X₀+ΔX₁；

步骤2.6，读入第3个历元的压缩数据并解压缩，包括将第3历元的历元间隔和和卫星编号换为十进制格式，并补全时间信息和卫星编号；将第3个历元的观测值压缩数据转换为十进制的实数并记为，然后与第1个历元、第2个历元的观测值数据X₀、X₁进行二阶积分，得到该历元原始的观测值数据

步骤2.7，依次读入第4个及其以后历元的压缩数据并解压缩，解压缩方式包括，将当前解压缩的第n个历元的历元间隔和和卫星编号换为十进制格式，并补全时间信息和卫星编号；将第n个历元的观测值压缩数据转换为十进制的实数并记为

，然后与前三个历元的观测值数据X_n-2、X_n-3、X_n-4进行三阶积分，得到该历元原始的观测值数据 $X_{n-1}=3X_{n-2}-3X_{n-3}+X_{i-4}+\mathrm{\Δ}\▿X_{n-1};$

步骤2.8，将步骤2.3至步骤2.7所得数据保存为Rinex标准格式的文本文件。

本发明的特点：针对GNSS观测值的规律和存储文件的特点，采用递推差分算法，减少文件存储的内容，采用六十进制，减少记录的长度，从而有效地实现GNSS文件的大小。采用递推积分算法实现文件的解压缩。本发明具有计算方法简单、压缩速度快、压缩效率高、压缩结果无损失等特点。

附图说明

图1本发明实施例的压缩流程图；

图2本发明实施例的解压缩流程图；

图3压缩效果实例测试统计图。

具体实施方式

本发明提出，基于六十进制存储GNSS观测值的历元之间三次差分观测值，这是实现GNSS高效压缩的关键。

六十进制的基数是60，用60个不同符号表示，本发明实施例采用0，1，……，9，a，b，……，y，z，A，B，……，W，X表示0到59。其计数规律是“逢六十进一”或“借一当六十”。表1是六十进制与十进制转换的对照表，表中，10#表示十进制数，60#表示60进制数。

表1

本发明的三阶递推差分算法的计算方法见表2左边部分，具体方式为：(1)首次观测值原样输出；(2)第2个历元的观测值采用一次差，即；(3)第3个历元采用二次差；(3)第4个及其以后的观测值均采用三次差。三阶递推积分算法与之相应，见表2的右边部分。

表2

2、压缩方法的实现过程

实施例GNSS观测值的压缩过程如图1所示。

步骤1.1，读取GNSS标准Rinex格式的观测值文件，所述观测值文件包含头文件和主体文件，主体文件包含各历元的观测值。

实施例准备好GNSS的RINEX格式观测值文件，并读入到内存中。在GNSS标准Rinex格式的观测值文件中，根据标准，头文件包含概略坐标、天线高数据、开始时间(开始记录数据的时刻)、结束时间(数据记录停止时刻)以及其他信息。主体文件中包括卫星编号、历元时间、粗捕获码(C/A)、载波相位观测值(L1、L2)、精测距码(P1、P2)、多普勒频移观测值(D1、D2)等，其中最主要的是观测值，一般都包括多个历元的观测值。本发明的压缩对象主要是头文件中的概略坐标和天线高数据，主体文件中的卫星编号、历元时间，其他都可以直接写入文本文件。

步骤1.2，将头文件中的概略坐标和天线高数据转化为整数，再转化为六十进制。

实施例中，将头文件中的概略坐标和天线高数据转化为整数，再转为六十进制，并写入文件，将头文件中的其他信息直接写入文本文件。

步骤1.3，压缩第1个历元，包括将第1个历元的时间数据和卫星编号转化为六十进制；将首历元的观测值数据先转化为整数并记为X₀，再转化为六十进制，得到第1个历元的观测值压缩数据。

实施例先读取观测值中的第1个历元，压缩方法为：首先处理“历元/卫星或事件标志”，“历元/卫星或事件标志”为每个历元观测数据的第一行，用于存放该观测历元时刻的时标和该历元所观测到卫星的数量及其列表或表明事件性质的标志。“历元/卫星或事件标志”中的年、月、日、时、分、秒的整数部分，均采用1位六十进制的数进行表示，秒的小数先乘10⁶转化为整数，然后转化为六十进制进行存储。对卫星编号的压缩方法是：卫星类型用1位六十进制数进行表示，GPS、GLONASS、GALILEO和COMPASS的类型编码依次为G、R、E和B，如Ga表示10号GPS卫星。将观测值部分与1000相乘转化为整数，然后再转化为六十进制的数。实施时，还可对信号强度也进行压缩，将观测值后面的信号强度转换为六十进制的整数，并放在相应观测值的后面。压缩样例如表3所示：表3是第1个历元的压缩效果样例，左边是GNSS原始数据，右边是压缩结果。

表3

步骤1.4，压缩第2个历元，包括将第2个历元的时间数据与第1个历元的时间数据求差得到历元间隔，并转化为六十进制；第2个历元的卫星编号与首历元的卫星编号相同则略写，有增删变化则将第2个历元的卫星编号转化为六十进制；将第2个历元的观测值数据转化为整数并记为X₁，然后将第2个历元的观测值数据与第1个历元的观测值数据求一次差，即ΔX₁＝X₁-X₀，并将差分结果转化为六十进制，得到第2个历元的观测值压缩数据。

实施例对第2个历元的压缩方法是：将观测时刻与前一个历元的观测时刻求差，即获得历元间隔，然后将该历元间隔转换为六十进制。当卫星编号没有发生变化时，用″&″标识，省略卫星编号的输出。若有新的卫星出现，写全卫星的编号，并用“+”加以标识。若有卫星落下，写全卫星的编号，并用“-”加以标识。将观测值与1000相乘转化为整数，然后与第1个历元相应的观测值求一次差，差分公式见表2中的ΔX₁，最后将差分结果转换为六十进制。信号强度处理方法同第1个历元一样。压缩样例如表4所示：第2个历元的压缩效果样例，左边是GNSS原始数据，右边是压缩结果。

表4

步骤1.5，压缩第3个历元，包括将第3个历元的时间数据与第2个历元的时间数据求差得到历元间隔，并转化为六十进制；第3个历元的卫星编号与第2个历元的卫星编号相同则略写，有增删变化则将第3个历元的卫星编号转化为六十进制；将第3个历元的观测值数据转化为整数并记为X₂，然后将第3个历元的观测值数据与第1个历元、第2个历元的观测值数据求二次差，即

并将差分结果转化为六十进制，得到第4个历元的观测值压缩数据。

实施例对第3个历元的压缩方法是：“历元/卫星或事件标志”的处理方法同第2个历元一样。将观测值数据与1000相乘转化为整数，然后与第1、2个历元相应的观测值求二次差，差分公式见表2中的，最后将差分结果转换为六十进制。信号强度处理方法同第1个历元一样。压缩样例如表5所示：第3个历元的压缩效果样例，左边是GNSS原始数据，右边是压缩结果。

表5

步骤1.6，依次压缩第4个及以后历元，压缩方式包括，将当前压缩的第n个历元的时间数据与前一历元的时间数据求差得到历元间隔，并转化为六十进制；第n个历元的卫星编号与前一历元的卫星编号相同则略写，有增删变化则将第n个历元的卫星编号转化为六十进制；将第n个历元的观测值数据转化为整数并记为X_n-1，然后将当前压缩历元的观测值数据与前三个历元的观测值数据X_n-2、X_n-3、X_n-4求三次差，即

并将差分结果转化为六十进制，得到第n个历元的观测值压缩数据。

实施例对第4个及其以后历元的压缩方法是：“历元/卫星或事件标志”的处理方法同第2个历元一样。将观测值与1000相乘转化为整数，然后与前三个历元相应的观测值求三次差，差分公式即表2中的

最后将差分结果转换为六十进制。信号强度处理方法同第1个历元一样。压缩样例如表6所示：第4个及其以后历元的压缩结果样例。左边是GNSS原始数据，右边是压缩结果。

表6

步骤1.7，将步骤1.2至步骤1.6所得数据存入文本文件；

步骤1.8，调用通用压缩软件将步骤1.7所得文本文件压缩为二进制的格式，最终得到二进制形式的存储文件。

3、解压缩方法的实现过程

实施例解压缩流程如图2所示。

步骤2.1，调用通用压缩软件进行解压，转换为文本格式的文本文件。

步骤2.2，读入步骤2.1所得文本文件中的压缩数据。

步骤2.3，将压缩数据所含头文件中概略坐标和天线高数据转为十进制，再转化为标准单位的实数。

实施例将头文件中的记录时间、标识点概略坐标、天线相位中心的H/E/N方向的改正数等压缩数据先转为十进制数据，然后再转为标准单位的实数，其他信息不发生变化。将历元信息中的时间转换为十进制格式，并补全每个历元的时间信息。

步骤2.4，读入第1个历元的压缩数据并解压缩，包括将第1个历元的时间数据和卫星编号转换为十进制的格式；将第1个历元的观测值压缩数据转换为十进制的实数形式，得到该历元原始的观测值数据X₀。

实施例读入第1个历元，将时间数据和卫星编号转换为十进制的格式。将观测值压缩数据转换为十进制格式，然后再与0.001相乘，变为实数形式。因为实施例压缩时处理过信号强度，相应解压时将信号强度部分转化为十进制格式。

步骤2.5，读入第2个历元的压缩数据并解压缩，包括将第2个历元的历元间隔和和卫星编号换为十进制格式，并补全时间信息和卫星编号；将第2个历元的观测值压缩数据转换为十进制的实数形式并记为ΔX₁，然后与第1个历元的观测值数据X₀进行一阶积分，得到该历元原始的观测值数据X₁＝X₀+ΔX₁。

实施例读入第2个历元，将记录的历元间隔转换为十进制形式，并与前一个历元相加，得到当前历元的观测时刻。若有“&”标识符，卫星编号与前一个历元相同。若有“+”、“-”和“*”，读取卫星编号，并转换为十进制格式。这样就补全了时间信息和卫星编号，完成了“历元/卫星或事件标志”的解压缩。然后将观测值压缩数据转换为十进制数，然后再与0.001相乘，变为实数形式，最后进行一阶积分，积分公式见表2的X₁＝X₀+ΔX₁，从而得到该历元的原始观测值。信号强度处理方式同第一个历元。

步骤2.6，读入第3个历元的压缩数据并解压缩，包括将第3历元的历元间隔和和卫星编号换为十进制格式，并补全时间信息和卫星编号；将第3个历元的观测值压缩数据转换为十进制的实数并记为

，然后与第1个历元、第2个历元的观测值数据X₀、X₁进行二阶积分，得到该历元原始的观测值数据

实施例读入第3个历元，“历元/卫星或事件标志”的解压缩方式同前一个历元。将观测值压缩数据转换为十进制的实数，然后再进行二阶积分，积分公式见表2的

从而得到该历元的原始观测值。信号强度处理方式同第1个历元。

步骤2.7，依次读入第4个及其以后历元的压缩数据并解压缩，解压缩方式包括，将当前解压缩的第n个历元的历元间隔和和卫星编号换为十进制格式，并补全时间信息和卫星编号；将第n个历元的观测值压缩数据转换为十进制的实数并记为，然后与前三个历元的观测值数据X_n-2、X_n-3、X_n-4进行三阶积分，得到该历元原始的观测值数据 $X_{n-1}=3X_{n-2}-3X_{n-3}+X_{i-4}+\mathrm{\Δ}\▿X_{n-1}.$

实施例读入第四个及其以后的历元，“历元/卫星或事件标志”的解压缩方式同前一个历元。将观测值压缩数据转换为十进制的实数，然后再进行三阶积分，积分公式见表2的

从而得到该历元的原始观测值。信号强度处理方式同第一个历元。

步骤2.8，将步骤2.3至步骤2.7所得数据保存为Rinex标准格式的文本文件。

图3给出了一个实际压缩的效果统计图，其中Wuhn标识在武汉大学采集的静态观测数据，数据采样率为30秒；Feij标识在飞机上采集的动态观测数据，数据采样率为0.1秒；Shot标识在特高压输电线路下采集的一段时间观测数据，数据采样率为1秒。比较文件大小(单位MB)可见，采用本发明所提供技术方案，从源文件到压缩文件的压缩比率可以达到80％左右。

Claims (2)

1.一种基于六十进制的GNSS观测值压缩方法，其特种在于，包括以下步骤：

步骤1.1，读取GNSS标准Rinex格式的观测值文件，所述观测值文件包含头文件和主体文件，主体文件包含各历元的观测值；

步骤1.2，将头文件中的概略坐标和天线高数据转化为整数，再转化为六十进制；

步骤1.3，压缩第1个历元，包括将第1个历元的时间数据和卫星编号转化为六十进制；将首历元的观测值数据先转化为整数并记为X₀，再转化为六十进制，得到第1个历元的观测值压缩数据；

步骤1.4，压缩第2个历元，包括将第2个历元的时间数据与第1个历元的时间数据求差得到历元间隔，并转化为六十进制；第2个历元的卫星编号与首历元的卫星编号相同则略写，有增删变化则将第2个历元的卫星编号转化为六十进制；将第2个历元的观测值数据转化为整数并记为X₁，然后将第2个历元的观测值数据与首历元的观测值数据求一次差，即ΔX₁＝X₁-X₀，并将差分结果转化为六十进制，得到第2个历元的观测值压缩数据；

步骤1.5，压缩第3个历元，包括将第3个历元的时间数据与第2个历元的时间数据求差得到历元间隔，并转化为六十进制；第3个历元的卫星编号与第2个历元的卫星编号相同则略写，有增删变化则将第3个历元的卫星编号转化为六十进制；将第3个历元的观测值数据转化为整数并记为X₂，然后将第3个历元的观测值数据与第1个历元、第2个历元的观测值数据求二次差，即并将差分结果转化为六十进制，得到第4个历元的观测值压缩数据；

步骤1.6，依次压缩第4个及以后历元，压缩方式包括，将当前压缩的第n个历元的时间数据与前一历元的时间数据求差得到历元间隔，并转化为六十进制；第n个历元的卫星编号与前一历元的卫星编号相同则略写，有增删变化则将第n个历元的卫星编号转化为六十进制；将第n个历元的观测值数据转化为整数并记为X_n-1，然后将当前压缩历元的观测值数据与前三个历元的观测值数据X_n-2、X_n-3、X_n-4求三次差，即

并将差分结果转化为六十进制，得到第n个历元的观测值压缩数据；

步骤1.7，将步骤1.2至步骤1.6所得数据存入文本文件；

步骤1.8，调用通用压缩软件将步骤1.7所得文本文件压缩为二进制的格式。

2.一种基于六十进制的GNSS观测值解压缩方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤2.1，调用通用压缩软件进行解压，转换为文本格式的文本文件；

步骤2.2，读入步骤2.1所得文本文件中的压缩数据；

步骤2.3，将压缩数据所含头文件中概略坐标和天线高数据转为十进制，再转化为标准单位的实数；

步骤2.4，读入第1个历元的压缩数据并解压缩，包括将第1个历元的时间数据和卫星编号转换为十进制的格式；将第1个历元的观测值压缩数据转换为十进制的实数形式，得到该历元原始的观测值数据X₀；

步骤2.5，读入第2个历元的压缩数据并解压缩，包括将第2个历元的历元间隔和和卫星编号换为十进制格式，并补全时间信息和卫星编号；将第2个历元的观测值压缩数据转换为十进制的实数形式并记为ΔX₁，然后与第1个历元的观测值数据X₀进行一阶积分，得到该历元原始的观测值数据X₁＝X₀+ΔX₁；

步骤2.6，读入第3个历元的压缩数据并解压缩，包括将第3历元的历元间隔和和卫星编号换为十进制格式，并补全时间信息和卫星编号；将第3个历元的观测值压缩数据转换为十进制的实数并记为

，然后与第1个历元、第2个历元的观测值数据X₀、X₁进行二阶积分，得到该历元原始的观测值数据

步骤2.7，依次读入第4个及其以后历元的压缩数据并解压缩，解压缩方式包括，将当前解压缩的第n个历元的历元间隔和和卫星编号换为十进制格式，并补全时间信息和卫星编号；将第n个历元的观测值压缩数据转换为十进制的实数并记为

，然后与前三个历元的观测值数据X_n-2、X_n-3、X_n-4进行三阶积分，得到该历元原始的观测值数据 $X_{n-1}=3X_{n-2}-3X_{n-3}+X_{i-4}+\▿\mathrm{\Δ}{X}_{n-1};$

步骤2.8，将步骤2.3至步骤2.7所得数据保存为Rinex标准格式的文本文件。

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