王 鐸，秘金鐘，徐彥田，谷守周

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266000；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830)

BINEX標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式及其解析

王 鐸1，2，秘金鐘2，徐彥田2，谷守周2

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266000；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830)

針對(duì)目前兼容北斗的GNSS導(dǎo)航信息二進(jìn)制存儲(chǔ)格式不統(tǒng)一的問(wèn)題，提出使用BINEX數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存儲(chǔ)的方法：通過(guò)對(duì)BINEX標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式的介紹，闡述BINEX格式進(jìn)行解碼的流程與方法，最后通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證BINEX格式的可用性和準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：使用BINEX格式兼容北斗導(dǎo)航信息的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)具有準(zhǔn)確、高效的特點(diǎn)。

BINEX；GNSS；數(shù)據(jù)格式；數(shù)據(jù)解析

0 引言

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)和歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)的迅速發(fā)展，以及美國(guó)全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)和俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)的現(xiàn)代化，可以觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)大大增多；因此有效存儲(chǔ)、管理和應(yīng)用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)大數(shù)據(jù)變得更加重要[1]。BINEX是Binary Exchange的簡(jiǎn)稱，是一種國(guó)際通用的存儲(chǔ)GNSS數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式[2]。BINEX由UNVACO公司和一些接收機(jī)生產(chǎn)商協(xié)作設(shè)計(jì)，能夠兼容GPS、GLONASS、廣域差分增強(qiáng)系統(tǒng)(satellite based augmentation system，SBAS)、Galileo、BDS、準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(quasi-zenith satellite system，QZSS)等6個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的觀測(cè)文件和導(dǎo)航星歷文件，同時(shí)還能兼容儲(chǔ)存接收機(jī)的內(nèi)部狀態(tài)文件、氣象數(shù)據(jù)文件等，并且占用空間小[3]。BINEX格式在2000年左右基本定型，并不斷完善至今。據(jù)了解，幾乎所有的接收機(jī)都可以輸出BINEX格式數(shù)據(jù)；但是目前國(guó)內(nèi)BINEX數(shù)據(jù)使用率不高，且對(duì)其基本格式不熟悉：所以本文主要介紹BIENX數(shù)據(jù)的基本格式、常用觀測(cè)文件的記錄格式和BINEX所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)類型，分析BINEX文件的解析算法和流程。

1 BINEX數(shù)據(jù)格式協(xié)議

BINEX數(shù)據(jù)包含各種GNSS信息，這種格式不同于文件形式，需要使用二進(jìn)制表達(dá)各種信息；所以BINEX設(shè)計(jì)了自己的各種數(shù)據(jù)格式，用來(lái)儲(chǔ)存GNSS信息。表1列出了BINEX中常用的數(shù)據(jù)格式。

表1 BINEX中的數(shù)據(jù)格式

注：表中 bit 為1個(gè)碼元或1比特，是英文單詞“binarydigit”的縮寫，表示1位二進(jìn)制數(shù)，通常將8個(gè)碼元構(gòu)成的碼序列稱為“1個(gè)字節(jié)”。

2 BINEX數(shù)據(jù)格式介紹

BINEX目前的格式設(shè)計(jì)能夠使所有信息包含在同樣的一般格式中，并通過(guò)特征碼進(jìn)行不同數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)和區(qū)分，以使解析時(shí)能夠區(qū)分不同數(shù)據(jù)記錄的BINEX文件或BINEX數(shù)據(jù)流。

BINEX的格式設(shè)計(jì)理念包括：

1)可以存儲(chǔ)RINEX、SINEX、SP3、INOEX等文件中的信息；

2)每個(gè)文件都有一條或多條BINEX記錄；

3)不同記錄有各自的子結(jié)構(gòu)；

4)每個(gè)記錄里的數(shù)據(jù)有相同的儲(chǔ)存順序；

5)每個(gè)記錄有自己的循環(huán)冗余檢驗(yàn)(cyclic redundancy check，CRC)碼。

根據(jù)所使用的CRC檢驗(yàn)方式的不同(常規(guī)型、增強(qiáng)型)，每種方式各有2種不同的一般結(jié)構(gòu)，其中結(jié)構(gòu)一包括頭字節(jié)(同步字節(jié))、文件類型、信息長(zhǎng)度、[信息長(zhǎng)度]、信息內(nèi)容和CRC碼6部分，結(jié)構(gòu)二在結(jié)構(gòu)一的基礎(chǔ)上增加了總字節(jié)數(shù)和終端字節(jié)2部分。2種結(jié)構(gòu)中都包含2個(gè)信息長(zhǎng)度部分，各自的第2個(gè)信息長(zhǎng)度部分為增強(qiáng)型CRC檢驗(yàn)時(shí)的可選部分，常規(guī)型不包含CRC檢驗(yàn)。

表2 結(jié)構(gòu)一

表3 結(jié)構(gòu)二

2.1 頭字節(jié)(Syncronization/Endian Bytes)

頭字節(jié)，又稱同步字節(jié)，是BINEX數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)，用來(lái)指明某段數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存順序(高位優(yōu)先或低位優(yōu)先)、CRC檢校類型(常規(guī)型或增強(qiáng)型)和可讀方向(正向可讀或雙向可讀)?？勺x方向決定了解析BINEX數(shù)據(jù)時(shí)讀取的順序，正向可讀對(duì)應(yīng)正向讀取解析，方向編碼對(duì)應(yīng)倒序讀取解析。當(dāng)頭字節(jié)確定某段數(shù)據(jù)采用雙向可讀時(shí)，必須有終端字節(jié)進(jìn)行約束，即采用結(jié)構(gòu)二的形式。例如，當(dāng)解析一段正向可讀的BINEX數(shù)據(jù)時(shí)，遇到了與雙向可讀時(shí)相同的頭字節(jié)，采用反向倒序的讀取解析方式時(shí)，無(wú)法找到對(duì)應(yīng)的終端字節(jié)，就會(huì)出現(xiàn)CRC檢驗(yàn)錯(cuò)誤，則表明此時(shí)的數(shù)據(jù)有問(wèn)題，即可保證BINEX數(shù)據(jù)的完好性。目前一共定義了8種頭字節(jié)，其中4種對(duì)應(yīng)有終端字節(jié)，如表4所示。

表4 頭字節(jié)與終端字節(jié)匹配表

2.2 文件類型(Record ID Bytes)

頭字節(jié)字段后緊跟的是文件類型字段，用來(lái)指明BINEX數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的文件類型，使用ubnxi類型數(shù)據(jù)，占用1～4個(gè)字節(jié)。目前單字節(jié)ID(0～127)表示公開的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，如RINEX、IONEX、SP3、SINEX等數(shù)據(jù)格式；其他單字節(jié)ID和多字節(jié)ID目前一小部分由一些公司作為內(nèi)部數(shù)據(jù)格式使用，大部分作為保留。一般常用的文件類型ID如表5所示。

表5 文件類型ID

2.3 信息長(zhǎng)度(Record Message Length Bytes)

緊隨文件類型部分后的就是信息長(zhǎng)度部分，用來(lái)表達(dá)后面所記錄的信息的長(zhǎng)度(字節(jié)數(shù))，使用ubnxi類型數(shù)據(jù)，占用1～4個(gè)字節(jié)。這種形式最大可以記錄5億個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)量，但平時(shí)常用的數(shù)據(jù)一般只需要2個(gè)字節(jié)來(lái)表達(dá)信息長(zhǎng)度。

2.4 信息(Record Message)

信息長(zhǎng)度后就是BINEX儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)信息，編碼方式按照BINEX設(shè)計(jì)的格式編碼，占用信息長(zhǎng)度所表示的字節(jié)數(shù)。BINEX設(shè)計(jì)了嚴(yán)格、多樣的編碼格式，表6為目前常用的觀測(cè)值文件(0x7f-05)格式說(shuō)明。

表6 觀測(cè)值文件(0x7f-05)格式說(shuō)明

表6(續(xù))

2.5 CRC(Record Checksum/CRC)

CRC又稱循環(huán)冗余檢驗(yàn)，是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中最常用的一種差錯(cuò)校驗(yàn)碼。一段BINEX數(shù)據(jù)的最后為CRC檢校碼(指第一種結(jié)構(gòu))，BINEX數(shù)據(jù)參與CRC檢校的部分為文件類型、信息長(zhǎng)度和信息3部分，其CRC檢校類型分為常規(guī)型和增強(qiáng)型，CRC檢驗(yàn)有不同的檢驗(yàn)方法，表7為不同CRC檢校方法的使用情況。

表7 不同CRC檢校方法的使用情況

3 BINEX數(shù)據(jù)格式解析

BINEX數(shù)據(jù)文件或數(shù)據(jù)流解析時(shí)，可正向讀取數(shù)據(jù)，充分利用結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用相同的解析算法：首先按照順序讀取，尋找頭字節(jié)，頭字節(jié)確定為8個(gè)頭字節(jié)之一后，本段BINEX數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)順序、CRC檢驗(yàn)類型和可讀順序便確定完成；然后需要判斷所使用的處理器在存儲(chǔ)順序上與本段數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)順序是否相同，根據(jù)是否相同采用不同的解析方法；緊隨頭字節(jié)部分的就是文件類型和信息長(zhǎng)度部分，可以確定所讀取數(shù)據(jù)的類型和存儲(chǔ)的信息長(zhǎng)度，2者都使用了ubnxi類型數(shù)據(jù)格式；根據(jù)信息長(zhǎng)度部分確定的字節(jié)數(shù)、文件類型字節(jié)數(shù)和信息長(zhǎng)度字節(jié)數(shù)判斷使用的CRC檢驗(yàn)方法并進(jìn)行CRC檢驗(yàn)；檢驗(yàn)通過(guò)后進(jìn)行信息的讀取，信息根據(jù)設(shè)定好的格式進(jìn)行解析，檢驗(yàn)不通過(guò)則返回重新進(jìn)行頭字節(jié)的確定；對(duì)于只能正向讀取的數(shù)據(jù)(結(jié)構(gòu)一)正確解析完信息后就完成了解析工作；對(duì)于可以雙向讀取的數(shù)據(jù)(結(jié)構(gòu)二)，進(jìn)行解析前應(yīng)確定是否有相應(yīng)的終端字節(jié)與頭字節(jié)對(duì)應(yīng)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。BINEX數(shù)據(jù)解析流程如圖1所示。

4 實(shí)例驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)BINEX解碼工作，使用在2015-10-31 Trimble NetR9接收機(jī)采集的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼驗(yàn)證。圖2為接收機(jī)直接存儲(chǔ)的RINEX 3.02版本觀測(cè)數(shù)據(jù)，圖3為接收機(jī)存儲(chǔ)下的BINEX文件格式的觀測(cè)數(shù)據(jù)，圖4為將BINEX文件解碼后自定義輸出的觀測(cè)數(shù)據(jù)。從圖2和圖4中可以看出，同一歷元下共觀測(cè)到了13顆導(dǎo)航衛(wèi)星，其中GPS衛(wèi)星7顆、BDS衛(wèi)星6顆，將相應(yīng)衛(wèi)星的偽距觀測(cè)值和載波觀測(cè)值進(jìn)行比較，BINEX解碼出的所有衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)與接收機(jī)直接存儲(chǔ)的觀測(cè)數(shù)據(jù)一致，驗(yàn)證了BINEX數(shù)據(jù)格式的準(zhǔn)確性和可用性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了BINEX標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式及其特點(diǎn)，以及常用的觀測(cè)文件的格式設(shè)計(jì)、BINEX數(shù)據(jù)的解析方法和流程。通過(guò)使用C++語(yǔ)言進(jìn)行編程解碼，驗(yàn)證了BINEX格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可用性，BINEX作為標(biāo)準(zhǔn)的GNSS數(shù)據(jù)格式，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上緊湊并且靈活，充分利用了存儲(chǔ)空間，能夠適應(yīng)不同類型的數(shù)據(jù)。在當(dāng)今衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)迅速發(fā)展的時(shí)代，BINEX格式在導(dǎo)航信息存儲(chǔ)和管理方面將會(huì)有更大的應(yīng)用空間。

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BINEX standard data format and its analysis

WANGDuo1，BEIJinzhong2，XUYantian2，GUShouzhou2

(1.Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266000，China； 2.Chinese Academy of Surveying and Mapping，Beijing 100830，China)

Aiming at the problem that the binary storage format of GNSS navigation information compatible with Beidou is not uniform，the paper proposed the method of using BINEX data format to store the data：This paper introduces the overall structure and characteristics of BINEX standard data format was introduced，and the methods and procedures of decoding with BINEX format were analyzed. Finally，experiment was carried out to verify the availability and accuracy of the BINEX format. Results showed that BINEX could ensure the security of information integrity，greatly reduce the required storage space，and manage those GNSS data more effectively.

BINEX，GNSS；data format；data analysis

2016-06-29

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0502105);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YEB0501801);科技部863計(jì)劃(2015AA124001);北斗分析中心(GFZX0301040308-06)；中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院科研業(yè)務(wù)費(fèi)(7771604)。

王鐸(1992—)，男，河北廊坊人，碩士生，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航與定位技術(shù)。

王鐸，秘金鐘，徐彥田，等.BINEX標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式及其解析[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2017，5(1)：12-17.(WANG Duo，BEI Jinzhong，XU Yantian，et al.BINEX standard data format and its analysis[J].Journal of Navigation and Positioning，2017，5(1)：12-17.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20170104.

P228

A

2095-4999(2017)01-0012-06