1、对 RINEX 格式 GPS 观测文件的压缩算法研究及软件实现第 28 卷第 1 期2008 年 1 月海洋测绘HYDR0GRA 咖 CSURVEYGANDCHART 口 NGVo1.28,No.1Jan,2008对 RINEX 格式 GPS 观测文件的压缩算法研究及软件实现秦士琨,郝金明,王柬,陈雷(解放军信息工程大学测绘学院,河南郑州 450052)摘要:针对 RINEX 格式的 GPS 观测数据文件,利用观测数据的相关性设计一种新的压缩算法,并进行了对算法的软件编制以及试验.实现了对观测文件的快速,无损压缩.试验证明,这种压缩算法对 RINEX 格式的 GPS 观测数据文件的压缩比率在
2、75%左右,优于常用的 Huffman,改进半字节等算法.关键词:数据压缩;一种新的压缩算法;RINEX中图分类号:P228.4 文献标识码:B 文章编号:1671-3O44(2008)01.0036.031RINEX 文件的格式结构及特点RINEX 格式文件是 GPS 通用数据交换格式文件,包含观测数据文件,导航电文文件,气象数据文件等.在网络 RTK 系统中,对接收到的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降低用于传输数据成本的有效方法.这样可以大大的节约硬件和通信资源,提高系统的整体性能和工作效率.该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阅编辑.
3、数据记录格式与接收机的制造厂商和具体型号无关.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,都是由文件头和数据记录两节所组成.每一节中含有若干记录,每一个记录通常为一行,由若干字段组成,每行最大字符数为 80.当一个记录的内容超过 80 个字符时,可以续行,字段在行中所处位置及宽度(即起始列和列宽) 有严格规定,不能错位.RINEX 格式的文件头用于存放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“ENDOFHEADER“.在文件头中,每一个记录的第 6180 列为该行记录的标签,用于说明相应行上第 160 列中所表示的
4、内容.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,所包含的实际观测值类型与接收机所记录的类型及格式转换时的参数设置有关.2 数据压缩数据压缩包括对观测值文件头和数据记录的处理.2.1 对观测值文件头的处理观测值文件头用于存放与整个观测值文件有关的全局性信息.压缩方法:将观测值文件的文件头增加压缩文件名,压缩程序版本和压缩文件形
5、成的时间.以 JB063151.ooo 文件为例 .如图 1,2 所示.l2OBSERVATIONDTGfGPs1RINEXvRsION/mEzHTDRINO3 一 JN 一 0120:44P._/R 聃 BY/D3COEHENT4Ja06HRxERN 小5 吐 RRERNuBER6oBsz 眦 R/GzNCT7418HcEzxII3CDo01 加 2nC/T“z/vRse855盯/T“z,一 2064541.637B4839128.8823S94466246PPROXPITIONxYzlOO.OOO0O0O00O0O00 删:DELTAz/N儿 11ivELzNG 伯 FcTLX/212L1
6、L2C1piP2D1D2/mEsoFOBSERV3300O00nRVLiLEPSECTS5200011i00S300O0OO0GPSTInOFrIRsTOBSl62000111O235S30,OOOOOOGPSTIHEOFLTOBs7lmOrDER图 1 原始文件头1.0COPcTRINExrORtTCRINEXvRs/TTpEzfcRxd.z.016 一 EyO71s:21cRINzXPR/DTE3zOBs肼 jTIONDTG(GPSIR 邮 XvRsION/mE4i-3HTORIN03 一 JN 一 01z0:44paH/R 聃 BY/DTEsCOHEm6JBO6HKERN 啦7ERlRN
7、U B R8oBsElR/jGrNcT,1eHCEzxn3cDOO1DO2REC/TrpE/vRs0 日 sSNT/mEll_z0654163848391z8.8 日 z3$944646246PROXpOBITIONzz0.00000O0O0O0000jNTDIN:DELtE/Nl311IVEL 娜 THFcTL1/z1L1L2clPlp2DiD2/TYlESOF.丑 sEIls3000o0nnERVLl6LEPsElz0O011lO0S3O000000GPSTI 盯 O,rIRsToBs182000111O235S30.000O0OGPStImEOFLT0Bs,DO,肛D 肌图 2 压缩处理
8、后的文件头通过对两图的对比,可以看出对文件头进行压缩处理前后所产生的变化.2.2 对数据记录的处理收稿日期:200707.05;修回日期:200709.07作者简介:秦士琨(1982 一),男,山东济宁人,硕士研究生,主要从事网络 RTK 相关技术的研究.第 1 期秦士琨,等对 RINEX 格式 GPS 观测文件的压缩算法研究及软件实现2.2.1 对历元数据第一行的处理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问性质的标志.具体处理过程:将第一个历元的第一行除钟差改正数之外的数据不改变(将第一位之前的空格用标记),将处
9、理后的钟差改正数在下一行的起始位置存放.以此为基础,将其余历元的第一行与第一个历元的第一行进行对比,相同的地方不再记录存放,只将第一行与第一个历元不同的地方在对应位置表示出来.并且将有字符的位置变成空格的地方用标记.以 JB063151.000 文件的前六个历元的第一行为例,说明对历元数据第一行的处理.如图 3,4 所示.1zO01110O530.000o00008GI?G21G26GO9G15023G29GO50OOOOOOOOO3OO111DO6O.OOOOOODD8617G21G059615G23 船 9C.0S0DO0000031S6O01110O630000000008GI?G21G
10、26Go9G156z3G29CO5000000003070O01110O70.O00000008G17G21G26GOgGISG23G29Gos0000000030,100011100730.000000008GI?Gz1G26GQ9G156z3G29GOS00000000z9111z0011100 日 000000000 日 G17G21Gz6GO9G1SG23Gz9GoS000000002913图 3 原始文件前六个历元的第一行12O01110 口 s3O00000000BG17G216z6GO9GlSG230z96OS04s663178,-3210iI71233131,1s 一 2161
11、78182图 4 处理后的前六个历元的第一行2.2.2“观测值“ 的压缩以及接收机钟差改正数的处理“观测值“ 部分指的是一个历元数据除第一行以外的数据,用于存放在该历元所采集到的所有观测值,所占行数与在该历元中所观测卫星的数量有关.对该部分压缩处理的实现原理:将原始文件每一个历元的位置相对应的卫星数据存放于如图第一列中,将第一列的数据后一个减去前一个的差存放于第二列中,依次类推,将第二列的数据后一个减去前一个的差存放于第三列中,将第三列的数据后一个减去前一个的差存放于第四列中.最终形成压缩后的数据序列是 ABCDEF来替代在原始文件中相应数据的位置.以 JB063151.000 文件为例 ,来
12、说明压缩算法的实现方法.原始数据(经处理后的数据)一 27401334795,一27369342032,一 27336710933,一 27303442569,一27269536850,一 27234995626经过压缩处理后的数据是一 27401334795,31992673,638366,一1071,90,一 1850.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.对文件的观测值部分处理的过程:将原始文件中观测值部分的第一行的数据进行左移 3 次,将原始数据变大并用 3将处理过的数据进行标示.由于每一类观测值的数据精度是固定的,将信号强度值与处理后第二类观测值的尾数合并标记在一组
13、数的后面,并将处理后仍然有尾数的数据的尾数以整数的形式标记在一组数据的末尾.以处理后的第一个历元的数据为基础,利用该节介绍的数据压缩原理对压缩处理后的数据按照原数据的位置重新进行存放,即可得到简化后的数据.对接收机钟差改正数的处理方法是,先将改正数左移 9 位变成整数,然后通过此压缩方法再进行处理的.3 软件实现前面具体说明了对观测文件各部分进行压缩的方法和原理,利用 VC+6.0 为平台来完成软件实现.具体实现的程序流程如图 5 所示.图 5 程序流程图海洋测绘第 28 卷4 结果分析算法是无损压缩.通过对 JB063151.000 和 JB063301.000 两个文件压缩前后的对比结果(
14、见表 1),可以看出该程序实现压缩的比率在 75%左右,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%一 65%)要高,并且压缩速度更快.表 1 结果分析文件名压缩前压缩后压缩比率解压缩后JB063301.0002.78M(2846.72K)712K75%2.66M(2723.84K)JB063151.0002.71M(2775.04K)692K75.1%2.73M(2795.52K)文件的解压缩原理:在文件的解压缩过程中,主要利用的是数据压缩的一个反过程,即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
15、中没有改变原文件的任何信息,所以认为此压缩算法是无损压缩算法.之所以出现解压缩后文件的大小与原始文件的大小不一致的情况,是由于在原始文件中的钟差改正数存在有负零的情况,在执行压缩程序和解压缩程序以后,由于程序中的算法是加减运算,所以在解压缩后的文件中就不存在负零的情况.原文件中存在负零,而解压缩后的文件没有了负零,就造成了解压缩后文件大小与原文件大小不一致的情况,但是对文件的使用没有任何影响,所以可以认定此压缩5 结论采用这种压缩算法对 RINEX 格式 GPS 观测文件进行无损压缩,其压缩比率在 75%左右,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 R
16、TK 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成本.参考文献:I徐广君,王海.嵌入式 GPS 车载系统定位数据压缩算法的实现J.信息技术,2006,(4):4346.2郑宇,何大可 ,张文芳,等.一种有效的 GPS 数据压缩方案J.中国铁道科学,2005,26(3):134138.3徐晓华,熊剑 ,罗佳.利用 Huffman 算法对 RINEX格式 GPS 观测文件进行压缩J. 测绘信息与工程,2002,27(5):2122.4杨宏业,张跃 .GPS 定位数据压缩算法的设计与实现J. 自动化与仪器仪表,2002,(12):2932.5李征航
17、,黄劲松 .GPS 测量与数据处理M.武汉:武汉大学出版社,2005.6孙鑫,余安萍 .VC+深入详解 M.北京:电子工业出版社,2006.SoftwareImplementationandCompressionAlgorithmResearchon(SObservationFileinRDFormatQShikun,HAOJinming,WANGJian,CHENLei(InstituteofSurveyingandMapping,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou,Henan,450052)Abstract:AimingatGPSobser
18、vationfileinRINEXformat,thispaperpresentsanewdatacompressionalgorithmbyusingtheinterrelationshipoftheobservationdata,programsthealgorithmicsoftwareandexperimentsit.Inthisalgorithm,rapidandlosslesscompressionontheobservationfileisrealized.Atthesalnetime,theexperimentprovesthatthiskindofcompressionalgorithmCanmakethecompressionratioachieveabout75%,whichissuperiortosomecommonalgorithmssuchasHuffmanandimprovedhalf-byte.Keywords:datacompression:anewcompressionalgorithm;RINEX
