CN102156719A - 全球导航系统的观测值文件编解码方法 - Google Patents

全球导航系统的观测值文件编解码方法 Download PDF

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CN102156719A CN 201110074908 CN201110074908A CN102156719A CN 102156719 A CN102156719 A CN 102156719A CN 201110074908 CN201110074908 CN 201110074908 CN 201110074908 A CN201110074908 A CN 201110074908A CN 102156719 A CN102156719 A CN 102156719A
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宋伟伟
易文婷
陈昊
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Abstract

本发明公开一种全球导航系统的观测值文件编解码方法，主要针对高频采样大型基准站网络系统中，数据的传输与存储管理。本发明以多个历元数据作为一个存储单位存储到单个模块中，在每个模块中，将各自对应的原始文件历元采用二次求差法，最终形成压缩后的数据序列来替代在原始文件中相应数据的位置。采用该技术方案，压缩比率在5%以内，对应用在网络RTK系统中的文件压缩来说是一种快速、高效的方法，有利于减轻数据链路传送数据的压力和降低用于传输数据的成本。

Description

全球导航系统的观测值文件编解码方法
技术领域
本发明属于全球导航系统技术领域，特别涉及一种全球导航系统的观测值文件编解码方法。
背景技术
全球导航系统的英文为Global Positioning System，本领域习惯简称为GPS。GPS事后观测数据都通过文件的形式进行传输与保持，文件格式普遍采用标准的RINEX格式，RINEX格式是GPS通用数据交换格式文件，包含观测数据文件、星历文件、气象数据文件等。目前，所有测量型GPS接收机厂商都提供将其专有格式文件转换为RINEX格式文件的工具，而且几乎所有的事后数据分析处理软件都能够直接读取RINEX格式的数据。由于采集观测数据是在野外作业中的问题，对数据文件进行无损编码压缩，是提高有效储存空间的重要途径。
RINEX格式采用ASCII码存在较大的压缩余地，尤其在高频采样(20～50HZ)的大型基准站网络系统中，如果采用RINEX格式一天的观测数据可以达到5G，假设基准站数量成百上千，每天数据量将是103量级(G)，对连续运行系统每日维持如此海量数据的传输与存储管理将是很大的挑战。对数据文件进行无损压缩是减轻数据链路传送数据的压力和节省数据中心存储介质容量，降低用于传输和存储数据成本的最有效的方法。因此目前已有接收机厂商采用的自主设计的压缩格式，例如Trimble公司的T01格式，IGS数据中心采用的Hatanaka RINEX格式(能够压缩25～30％的大小)，南方测绘的STH格式等等。
在编码压缩过程中，如何对历元数据进行有效的压缩，是这项技术的关键。完整度，压缩率和压缩速度，是评价一项压缩技术方案的三个重要指标。存历元间差数法或利用Huffman算法，对RINEX格式GPS观测文件进行压缩，压缩率分别为70％和45％左右，压缩率和压缩速度也有一定的限制，压缩效果一般，不足以满足大项目的海量数据量的处理。更高效无损的GPS观测文件编码格式与压缩方法，有待继续研究。
发明内容
本发明目的在于提供一种更高效的GPS观测值文件编解码方法。
本发明的技术方案包括全球导航系统的观测值文件编码方法，对观测值文件中的历元数据进行压缩处理，压缩时按照历元的时间顺序，将观测值文件中每N个历元的历元数据存储到1个模块中，N值由用户预先设定；在每个模块内部，处理方式如下，
首先，以模块中的第一个历元的历元数据第一行为基础，将模块中其他历元的历元数据第一行与第一个历元的历元数据第一行分别进行对比，相同的内容不再存放，只将不同的内容保留；
然后，对模块中N个历元的历元数据中所含卫星观测数据，进行二次求差，所述二次求差的实现过程包括第一次求差和第二次求差，将模块内第i个历元的卫星观测数据记为Xi，i的取值范围为1至N，第一次求差时产生的差值为X2-X1、X3-X2…XN-XN-1，第二次求差时产生的差值为(X3-X2)-(X2-X1)、(X4-X3)-(X3-X2)…(XN-XN-1)-(XN-1-XN-2)；存储第一个历元的卫星观测数据X1、第一次求差产生的第一个差值X2-X1和第二次求差产生的所有差值(X3-X2)-(X2-X1)、(X4-X3)-(X3-X2)…(XN-XN-1)-(XN-1-XN-2)，取代N个历元的历元数据中所含卫星观测数据X1、X2…XN。
而且，预设的N值为120。
而且，对观测值文件中的文件头所含多余信息进行删改。
相应地，本发明提供一种全球导航系统的观测值文件解码方法，解压某个历元的历元数据时，根据历元的时间，首先找到该历元所在的模块，再进到模块中按查找该历元的卫星观测数据压缩值；设该历元是所在模块中存储的第i个历元，该历元的卫星观测数据压缩值记为Yi，i的取值范围为1至N：
当i＝1时，该历元的卫星观测数据X1＝Y1；
当i＝2时，该历元的卫星观测数据X2＝X1+Y2＝Y1+Y2；
当i＞2时，该历元的卫星观测数据Xi＝Xi-1+Yi+Yi-1…+Y2。
采用本发明提供的技术方案对RINEX格式GPS观测文件进行压缩，其压缩比率在5％以内，而且压缩速度较快，效果比较理想。对于数据量越大的文件，压缩比率越高。对应用在网络RTK系统中的文件压缩来说是一种快速、高效的方法，有利于减轻数据链路传送数据的压力和降低用于传输数据的成本。并且，实现过程运用模块的思维，对所有历元进行分组压缩，有如下好处：
(1)达到了尽量取相关度高的数据进行一次、二次求差的效果，进一步压缩了存储空间和减少了数据的损失；
(2)当只需要某一个历元数据时，只需解码该历元数据所在的模块，这样可以大大提高解压的速度和效率：
(3)模块与模块之间没有相关性，当某一个模块数据丢失时，数据仍有其价值。
附图说明
图1为本发明实施例的编码流程图；
图2为本发明实施例的解码流程图。
具体实施方式
本发明的数据压缩编码是针对RINEX格式的GPS观测数据文件(包括对观测值文件头和数据记录)的处理。实施例中，压缩方法针对以下几个部分进行，具体描述如下：
1对观测值文件的文件头进行处理
观测值文件的文件头用于存放与整个观测值文件有关的全局性信息。RINEX观测数据文件的文件头大小与观测值文件的历元数据相比，几乎可以忽略不计，压缩的主体是历元数据。但为了更高的压缩效率，本发明在提出观测值文件的历元数据压缩方案之外，进一步提出可以对文件头也进行压缩，对文件头所含多余信息进行删改。
具体删改处理方法，可以由本领域技术人员决定。实施例对文件头中的部分项做出修改，如创建本数据文件所采用的程序的名称，创建本数据文件单位的名称，本数据文件包含的数据类型等。删除文件头中信息沉余无实际价值的数据项目，如天线标志的名称，天线标志编号，观测值的历元间隔，数据文件中第一个和最后一个观测记录的时刻，跳秒数，文件中存储有观测值的卫星数量，每一观测值类型涉及PRN及其观测值的数量。
2对历元数据第一行的处理
一个观察值文件一般包含多个历元的历元数据。实施例中，首先按照历元的时间顺序，将观测值文件中每N个历元的历元数据封装到1个模块中，N值由用户预先设定。具体实施时，N值只需大于1，小于观测值文件所含历元数，可以由用户根据情况灵活设定。本发明建议在存储空间上建立以120个历元为1个单位的模块中，这样原文件的历元数据便存放到了一个个组(模块)中。假如某天的观测值文件中，存放有120000个历元数据，则“缩小”的存储到1000个模块中。
历元数据的第一行是“历元/卫星或事件标志”，用于存放该观测历元时刻的时标和在该历元所观测到卫星的数量及其列表或表明时间性质的标志。
实施例具体处理方法为：将模块中第一个历元的历元数据第一行不改变，以此为基础，将模块中其余历元的历元数据第一行与第一个历元的历元数据第一行分别进行对比，相同的地方不再记录存放，只将与第一个历元不同的地方在对应位置表示出来。每个历元数据的第一行与其他行的存储是一个存储单元，本发明按模块存储各历元的历元数据，各历元处理后的历元数据第一行存放在模块内原位置。
3卫星观测数据的压缩和处理
每个历元的历元数据除第一行以外，都用于存放在该历元所采集到的所有卫星观测数据，所占行数与在该历元中所观测卫星的数量有关。
每个模块内部，对N个历元的历元数据中所含卫星观测数据，进行二次求差，所述二次求差的实现过程包括第一次求差和第二次求差，将模块内第i个历元的卫星观测数据记为Xi，i取值范围为1至N，第一次求差时产生的差值为X2-X1、X3-X2…XN-XN-1，第二次求差时产生的差值为(X3-X2)-(X2-X1)、(X4-X3)-(X3-X2)…(XN-XN-1)-(XN-1-XN-2)；存储第一个历元的卫星观测数据X1、第一次求差产生的第一个差值X2-X1和第二次求差产生的所有差值(X3-X2)-(X2-X1)、(X4-X3)-(X3-X2)…(XN-XN-1)-(XN-1-XN-2)，取代N个历元的历元数据中所含卫星观测数据X1、X2…XN。也就是说，第一个历元的卫星观测数据X1保持不变，第二个历元的卫星观测数据X2替换为压缩值X2-X1，第三个历元的卫星观测数据X3替换为压缩值(X3-X2)-(X2-X1)，第四个历元的卫星观测数据X3替换为压缩值(X4-X3)-(X3-X2)…第N个历元的卫星观测数据XN替换为压缩值(XN-XN-1)-(XN-1-XN-2)。即在i大于2时，第i个历元的卫星观测数据Xi压缩为Yi＝(Xi-Xi-1)-(Xi-1-Xi-2)。
参见表1，以模块中存储10个历元为例。在每个模块中，将各自对应的原始文件每一个历元的位置相对应的卫星观测数据存放于如表1第二列中，将第二列的数据当中的后一个减去前一个的差存放于第三列中，将第三列的数据当中的后一个减去前一个的差存放于第四列中(例如10394.264-10385.201＝9.063)。最终形成压缩后的数据序列来替代在原始文件中相应数据的位置。该表中压缩算法的实现方法：原始数据23752572.711，23762957.912，23773352.176，23783753.241，23794162.618，23804579.884，23815005.351，23825438.362，23835879.758，23846328.947，经过压缩处理后的数据序列是23752572.711，10385.201，9.063，6.801，8.312，7.889，8.201，7.544，8.385，7.793。可以看出经压缩处理后的数据比原始的数据的存储量小了很多。
表1：
  原始历元数据   一次差   二次差
  第一历元   23752572.711
  第二历元   23762957.912   10385.201
  第三历元   23773352.176   10394.264   9.063
  第四历元   23783753.241   10401.065   6.801
  第五历元   23794162.618   10409.377   8.312
  第六历元   23804579.884   10417.266   7.889
  第七历元   23815005.351   10425.467   8.201
  第八历元   23825438.362   10433.011   7.544
  第九历元   23835879.758   10441.396   8.385
  第十历元   23846328.947   10449.189   7.793
参见表2，对比20个观测值文件压缩前和压缩后的大小，可以看出本发明技术方案实现压缩的比率在4％以内，并且对于文件的数据量越大，压缩比率越高。比普通常见的压缩方法(Huffman、改进半字节等算法)的压缩比率(通常在45％～65％)要高，并且压缩速度更快。在高频采样(20～50HZ)的大型基准站网络系统中，假设基准站数量成百上千，每天数据量是5×103G，用Trimble公司的T01格式存储，大小可压缩至2×103G，而用本压缩方法，得到的格式文件的大小约为150G，1T的移动硬盘便可存储1个星期的数据，有效地减轻了数据链路传送数据的压力和节省了数据中心存储介质容量，降低了用于传输和存储数据的成本。
表2：
  文件名   压缩前(KB)   压缩后(KB)   压缩比率
  AJAC3160.09O   146394   2098   1.433％
  AJAC3170.09O   149806   2130   1.422％
  AJAC3180.09O   151400   2158   1.425％
  ALGO3160.09O   91620   3626   3.958％
  ALGO3170.09O   99889   3958   3.962％
  ALGO3180.09O   98061   3889   3.966％
  ALIC3160.09O   144638   2054   1.420％
  ALIC3170.09O   155570   2214   1.423％
  ALIC3180.09O   153062   2173   1.420％
  ARLI3160.09O   138026   3147   2.280％
  ARLI3170.09O   143850   3255   2.263％
  ARLI3180.09O   143701   3258   2.267％
  AUCK3170.09O   103129   2348   2.277％
  AUCK3180.09O   101539   2329   2.294％
  BDLE3160.09O   136655   1985   1.453％
  BOGI3160.09O   1069969   2934   2.742％
  BOGI3180.09O   120557   3612   2.996％
  BRST3160.09O   146238   2017   1.379％
  BRST3170.09O   149150   2034   1.364％
  BRST3180.09O   152742   2101   1.376％
实施例的解压缩过程，是数据压缩的一个反过程，主要是对卫星观测数据的解压缩处理。由于压缩处理采用二次求差，解压缩时则只需利用数据相加的原理对压缩后的数据进行处理，在压缩与解压缩的过程中没有改变原文件的信息。实施例在解压某个历元的历元数据时，根据历元的时间，首先找到该历元所在的模块，再进到模块中按查找该历元的卫星观测数据压缩值；设该历元是所在模块中存储的第i个历元，该历元的卫星观测数据压缩值记为Yi，i的取值范围为1至N，N即是编码时设定的每个模块存储历元个数；
当i＝1时，该历元的卫星观测数据X1＝Y1；
当i＝2时，该历元的卫星观测数据X2＝X1+Y2＝Y1+Y2；
当i＞2时，该历元的卫星观测数据Xi＝Xi-1+Yi+Yi-1…+Y2。
当i＞2时，一次差值Xi-Xi-1可以通过第2历元到第i历元的卫星观测数据压缩值累计得到，Xi-Xi-1＝Yi+Yi-1…+Y2，第i历元的卫星观测数据Xi就等于相应一次差值Xi-Xi-1加上一历元的卫星观测数据Xi-1。即模块中第3个历元的卫星观测数据X3＝X2+Y3+Y2＝(Y1+Y2)+(Y3+Y2)，模块中第4个历元的卫星观测数据X4＝X3+Y4+Y3+Y2＝(Y1+Y2)+(Y3+Y2)+(Y4+Y3+Y2)，依此类推…最后一个历元的卫星观测数据压缩值为YN，其卫星观测数据XN-1+YN+YN-1…+Y2。
对文件头的解压缩过程是简单直接的，只需按照编码过程中储存文件头信息的存储顺序和字节数，读取相应的信息，放入到自己定义的文件头结构体中。在解码生成O文件的时候，将文件头结构体中的信息先写入O文件中。
每个模块内的历元间数据相关性高，模块内部存储的首历元的第一行数据是完整的、非首历元的第一行数据实际是与上一历元的第一行数据的“差异信息”。所以解码单个历元信息的第一行数据的时候，只需将每个模块中第一个历元的第一行数据直接完整的读出来；解码第二个历元的第一行数据时，将它与第一个历元的第一行数据的“相同信息”和“差异信息”合并可得到最终的第二个历元的第一行数据，“相同信息”直接用第一个历元的第一行数据，“差异信息”在第二个历元存储信息中读取；以此类推，可以依次得到这个模块内的所有历元的第一行数据；每个模块是一个单独的解码单元，将所有的模块都解码出来可以得到原文件中所有历元的第一行数据。例如，一个模块的首历元的第一行数据是“07 08 14 00 000.0000000 0 10G05G09G12G14G18G21G22G24G26G29”，它会完整的存储到B文件中，第二个历元的第一行数据是“07 08 14 00 00 15.0000000 0 10G05G09G12G14G18G21G22G24G26G28”，他存储到B文件的信息实际只有“差异信息”，即黑体字标出的“15.0000000”和“G28”，相同信息用第一行历元的所有存储信息。由于相关性高，所以大多数的前后两历元数据“差异信息”很少。
本发明可以由本领域技术人员采用计算机软件技术实现，在软件流程中采用函数调用会非常方便。为便于实施参考起见，以下结合附图和实施例的流程详细说明本发明技术方案。
一.参见图1，编码流程如下：
调用g_codeToRinex函数读控制文件，来运行解码程序，这个g_codeToRinex函数分如下步骤来进行编码操作：
(1)调用g_readProjectInf函数读控制文件里面的信息，里面包含要进行编码处理的所有观测值文件的名称、目录。
(2)用for循环遍历要处理的观测值文件：调用g_getObsRinexName函数读取第xlFile(初始值为0)个文件的文件名，并将文件名赋予变量fileName。当g_getObsRinexName返回值为false时，表明控制文件里面的所有文件名都已做处理，直接进行第(6)步；当g_getObsRinexName返回值为true时，调用ObsRinex::read函数读fileName文件，文件里面的信息(包括观测值文件的文件头和各历元的历元数据等)全部读到了ObsRinex类定义的一个对象obsRinex中。
(3)调用ObsCode::f_wStartFile函数将(2)中所得obsRinex中的文件头进行编码并存储到新生成的一个文件中(B文件)。
用for循环对(2)中所得obsRinex中的单个历元数据进行编码并存储到(3)中的B文件中，具体的实现函数是ObsCode::f_wEnCode，该for循环的循环次数是fileName文件中所含历元的个数(记录在obsRinex的成员变量m_dataNum中，即变量obsRinex.m_dataNum)。最开始j＝0，j＜obsRinex.m_dataNum时，对第j个历元进行编码，直到j＝obsRinex.m_dataNum时，说明obsRinex中的所有历元的历元数据处理完毕，停止循环。
ObsCode::f_wEnCode函数中的成员变量m_wCount会判断正在编码的当前历元处于组(模块)中的哪个位置，有三种可能：首历元、中间历元、尾历元。三种情况对应着三种不同的存储方式，并有不同的存储标记。第一种情况要存储该历元完整的信息；第二种情况存储此历元的压缩值信息；第三种情况存储压缩值信息的同时会更改m_wCount的值，使下个历元在存储时，作为新组的第一个历元(首历元)开始存储。
具体过程为，初始化m_wCount＝0，m_maxGroup＝0，读取第j个历元，并判断该历元处于在第m_maxGroup个模块中位置，设一个组存120个历元，；
m_wCount＝0，则该历元为首历元，按原数据保存，j++；
m_wCount取值在1～118时，该历元处于中间位置(即中间历元)，对于卫星观测数据需求差后保存，j++；
m_wCount＝119时，该历元处于最后一个数据位置(即尾历元)，不仅对于卫星观测数据求差后保存，还要m_maxGroup++，下一个历元的历元数据将存入到下一模块中，j++。
具体求差方式参见前述卫星观测数据的压缩和处理部分；在对各历元处理时，除模块内第一个历元的历元数据第一行以外，模块内其他历元的历元数据第一行都与之比较，相同的内容不再存放，只将不同的内容保留，流程不予赘述。
(4)使xlFile值加1，并返回到(2)步骤中，对下一个观测值文件进行处理。
(5)返回true，结束编码程序。
二.参见图2，解码流程如下：
调用g_codeToRinex函数读控制文件，来运行解码程序，这个g_codeToRinex函数分如下步骤来进行解码操作：
(1)调用g_readProjectInf函数读控制文件里面的信息，里面包含要进行解码处理的所有观测值文件的名称、目录。
(2)用for循环遍历要处理的观测值文件：调用g_getObsRinexName函数读取第xlFile(初始值为0)个文件的文件名，并赋予fileName。当g_getObsRinexName返回值为false时，表明控制文件里面的所有文件名都已做处理，直接进行(7)；当g_getObsRinexName返回值为true时，调用ObsCode::read函数读fileName文件。若ObsCode::read返回值为真，读取文件里面的信息(例如要解码的组数，即模块数)；若ObsCode::read返回值为假，结束本次循环，xlFile值加1，重新进行(2)操作。
(3)用ObsCode.f_rHead函数解码fileName文件的文件头信息，并赋予给ObsRinex类定义的对象obsRinex的结构体m_ohead中。
(4)做一个for循环(j初始值为0)：用ObsCode::f_getObs函数进行历元的解码。ObsCode::f_getObs函数在实现的过程中，会根据三种不同历元种类的解码标记，分三种情况进行解码：当该历元处于一个组的首历元位置时，直接将卫星观测数据压缩值作为该历元的卫星观测数据放到(3)中所述obsRinex的m_odr[j]里面，j++；当该历元处于一个组的中间历元位置时，先解出一次差值并与上一历元m_odr[j-1]的相应卫星观测数据做加法，得到的结果再赋到m_odr[j]中保存，j++；当该历元处于一个组的尾历元位置时，解出一次差值并加到上一历元m_odr[i-1]的相应卫星观测数据，到的结果再赋到m_odr[j]中保存，同时做出标记，记下组数m_curGroup，然后m_curGroup++，j++；当组数达到最大的模块数m_maxGroup时，跳出本次循环，进行(6)步骤；当组数小于最大的模块数m_maxGroup时，重新进行(4)操作，从下一个模块的首历元开始解码。
(5)调用ObsRinex::f_writeDataForString函数，该函数将obsRinex的所有信息(文件头信息和历元数据信息)写入到新生成的文件中(O文件)。
(6)使xlFile值加1，并返回到(2)步骤中。
(7)返回true，结束编码程序。

Claims (4)

1.一种全球导航系统的观测值文件编码方法，其特征在于：对观测值文件中的历元数据进行压缩处理，压缩时按照历元的时间顺序，将观测值文件中每N个历元的历元数据存储到1个模块中，N值由用户预先设定；在每个模块内部，处理方式如下，
首先，以模块中的第一个历元的历元数据第一行为基础，将模块中其他历元的历元数据第一行与第一个历元的历元数据第一行分别进行对比，相同的内容不再存放，只将不同的内容保留；
然后，对模块中N个历元的历元数据中所含卫星观测数据，进行二次求差，所述二次求差的实现过程包括第一次求差和第二次求差，将模块内第i个历元的卫星观测数据记为Xi，i的取值范围为1至N，第一次求差时产生的差值为X2-X1、X3-X2…XN-XN-1, 第二次求差时产生的差值为（X3-X2）-（X2-X1）、（X4-X3）-（X3-X2）…（XN-XN-1）-（XN-1-XN-2）；存储第一个历元的卫星观测数据X1、第一次求差产生的第一个差值X2-X1和第二次求差产生的所有差值（X3-X2）-（X2-X1）、（X4-X3）-（X3-X2）…（XN-XN-1）-（XN-1-XN-2），取代N个历元的历元数据中所含卫星观测数据X1、X2…XN。
2.根据权利要求1所述全球导航系统的观测值文件编码方法，其特征在于：预设的N值为120。
3.根据权利要求1或2所述全球导航系统的观测值文件编码方法，其特征在于：对观测值文件中的文件头所含多余信息进行删改。
4.一种全球导航系统的观测值文件解码方法，其特征在于：解压某个历元的历元数据时，根据历元的时间，首先找到该历元所在的模块，再进到模块中按查找该历元的卫星观测数据压缩值；设该历元是所在模块中存储的第i个历元，该历元的卫星观测数据压缩值记为Yi，i的取值范围为1至N：
当i=1时，该历元的卫星观测数据X1=Y1，
当i=2时，该历元的卫星观测数据X2=X1+Y2=Y1+Y2，
当i>2时，该历元的卫星观测数据Xi=Xi-1+Yi+Yi-1…+Y2。
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