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SINEX文件格式简介

Create on 2020-11-26T06:39:10Z

written by Huang Jiande

# 背景

> 转载自:http://gnss.help/2019/07/28/sinex-introduction/index.html

[SINEX (Solution INdependent EXchange Format)](https://www.iers.org/IERS/EN/Organization/AnalysisCoordinator/SinexFormat/sinex.html) 是大地测量学界标准的数据处理成果文件格式。该文件格式最早由 IGS 提出，之后陆续被 ILRS 和 IVS 等组织采用并丰富。现用于发布 [国际地球自转与参考系统服务（IERS）](https://www.iers.org/IERS/EN/Home/home_node.html)、[国家激光测距服务（ILRS）](https://ilrs.cddis.eosdis.nasa.gov/)、[国际 GNSS 服务（IGS）](http://www.igs.org/)、[国际 DORIS 服务（IDS）](https://ids-doris.org/) 和 [国际 VLBI 服务（IVS）](https://ivscc.gsfc.nasa.gov/) 等生产的各种数据处理产品，如 ITRF 地球坐标参考框架，各基站坐标、速度与震后形变参数，地心和地球自转参数等等。

本文将从历史、格式和含义等方面着手，介绍 SINEX 文件的内容。

## 命名

SINEX 的含义为 “与解算无关的文件交换格式”，这里的 “解算” 既包括数据处理软件，也包括观测技术。因此 GNSS、SLR、VLBI 和 DORIS 等现代大地测量方法的手段，不管使用何种数据处理软件和方法，其结果都可以保存为 SINEX 格式。SINEX  格式既可以保存数据处理结果，也包含数据处理时关键的中间结果，方便用户在其基础上做进一步的数据处理。

SINEX 是一种纯文本的数据格式，但并非纯 ASCII 字符，其文件的扩展名一般为 .snx。目前 SINEX 的最新版本为 2.02，广泛采用的版本还有 2.00 和 2.01。

IGS 各分析中心的 SINEX 文件产品以 `<agy><gpswd>.snx` 的形式命名，这里的 `<agy>` 指发布机构，而 `<gpswd>`为 GPS 周，例如 “gfz20502.snx” 表明该文件是有 GFZ 发布的第 2050 个 GPS 周周二的产品。各分析中心除了有单天解之外，有的还会提供三天解，单天解和三天解以前缀的机构名作为区分。

IGS 的产品则以 `igs<yr>P<gpswd>.snx` 的方式命名，这里的 `<yr>` 为两位的年。对于跨年的周，以周三所在的年为准。IGS 除提供单天解外还提供周解，周解的命名方式为 `igs<yr>P<gpsw>.snx`。

而 MGEX 项目自第 2038 GPS 周开始，所有分析中心的产品都使用长文件名。一个 MGEX 提供的典型 SINEX 文件为  “GRG0MGXFIN_20190300000_01D_000_SOL.SNX”，其文件名表示：这是由 MGX 项目的 GRG  中心产生的最终（FIN）产品，其开始时间为 2019 年第 30 日，时长为一天。

## 格式

在 SINEX 文件中，数据以行为单位，其格式为首尾行夹数据块的三明治结构。每行不超过 80 列，并且第一列必须是限定的字符，规则如下：

- `%`，首尾行，标识文件的开始和结束；
- `*`，注释行，其中的内容不会被解析；
- `+`，一个数据块开始标记；
- `-`，一个数据块结束标记；
- 空格，数据行，位于数据块内部。

### 首尾行

除了以 `%` 开头，SINEX 文件首尾行的位置和内容还都是固定的：首行（Header  Line）必须在文件的第一行，包含文件格式、版本号、机构、创建时间、数据的开始与结束时间、观测技术、未知数个数、约束和未知数的类型等信息；尾行（Trailer Line）必须在最后一行，标识文件结束。

### 注释行

你可以在首尾行之间的任何位置插入注释行，注释行以 `*` 开头。需注意的是，即便注释行，建议其长度也不要超过 80 列。恰当地使用换行可以让阅读体验清晰愉快。

### 数据块

数据块由开始结束符号（`+/-`）和标题（Title）包裹，中间内嵌数据行。数据块在 SINEX 文件中出现的顺序是任意的。SINEX 2.02 标准定义了 25 种数据块，其标题和含义为：

- `FILE/REFERENCE`，文件引用，包含本文件的输入输出、发布机构、数据处理软硬件、联系人等描述性信息。
- `FILE/COMMENT`，文件注释，区别于 `*` 号开始的注释行，该数据块用于保存不应被忽略的说明性信息。
- `INPUT/HISTORY`，输入历史，包含本产品处理中输入的其他 SINEX 文件的发布机构、文件名、时段、约束和未知数等信息。
- `INPUT/FILES`，输入文件，包含本产品处理中输入的其他文件的文件名、开始时间和机构信息。
- `INPUT/ACKNOWLEDGEMENTS`，致谢，各输入文件发布机构的描述性信息。
- `NUTATION/DATA`，章动数据，本产品数据处理时使用的章动模型。
- `PRECESSION/DATA`，岁差数据，本产品数据处理时使用的岁差模型。
- `SOURCE/ID`，射电源信息，VLBI 观测的射电源 ID 等。
- `SITE/ID`，测站信息，GNSS、SLR、DORIS 等观测站 ID，测站号，概略位置等。
- `SITE/DATA`，测站数据信息，包括测站墩标号、观测技术、观测机构和观测时段等。
- `SITE/RECEIVER`，测站接收机，GNSS 观测时各测站使用的接收机类型、S/N 码和固件。
- `SITE/ANTENNA`，测站天线，GNSS 观测时各测站使用的天线、天线罩类型和天线 S/N 码。
- `SITE/GPS_PHASE_CENTER`，天线相位中心，各天线对 GPS 观测时的天线相位中心。
- `SITE/GAL_PHASE_CENTER`，天线相位中心，各天线对 Galileo 观测时的天线相位中心。
- `SITE/ECCENTRICITY`，天线偏移量，各测站上天线参考点相对于标石的偏移量。
- `SATELLITE/ID`，卫星 ID，GNSS 观测到的各卫星的信息。
- `SATELLITE/PHASE_CENTER`，卫星相位中心，卫星天线相位中心相对其质心的偏移量。
- `BIAS/EPOCHS`，解算的偏差参数信息，如测距偏差、时钟偏差、尺度偏差或对流层参数等。
- `SOLUTION/EPOCHS`，解算结果历元，各测站数据的开始、结束和平均历元。
- `SOLUTION/STATISTICS`，解算结果统计，解算结果的参数个数、自由度、单位权方差、残差平方和等统计信息。
- `SOLUTION/APRIORI`，参数初值，包含各待估参数的类型、参考历元、约束类型、单位、近似值和先验精度信息。
- `SOLUTION/ESTIMATE`，参数估值，各待估参数的类型、参考历元、约束类型、单位、估计值和中误差信息。
- `SOLUTION/NORMAL_EQUATION_VECTOR`，法方程向量，包含无约束平差时的法方程向量。
- `SOLUTION/NORMAL_EQUATION_MATRIX <p>`，法方程矩阵，包含无约束平差时的法方程矩阵。
- `SOLUTION/MATRIX_APRIORI <p> <type>`，约束矩阵，如果解算结果为约束平差，包含施加的约束矩阵。
- `SOLUTION/MATRIX_ESTIMATE <p> <type>`，估计矩阵，最终解算结果的方差-协方差阵、协因素阵或法方程矩阵。

由于以上包含矩阵的数据块，其中保存的矩阵都是相对主对角线对称的，因此在 SINEX 文件中只需保存一部分。上文中的 `<p>` 可选的值为 `L` 或 `U`，标识保存的是下半块（Lower）还是上半块（Upper）。对于约束矩阵和估计矩阵，还有一个标识 `<type>`，标记其内容为方差-协方差阵（`COVA`）、协因素阵（`CORR`）还是法方程矩阵（`INFO`）。

当然，以上的数据块并不全是必要的。比如，`SOURCE/ID` 数据块仅对 VLBI 是必要的。另外，解算结果的法方程也有保存法方程（NEQ 方式）和保存约束/估计矩阵（COV 方式）两种方法。

## 内容

SINEX 格式的最大优点在于，其完整保存了未加约束的法方程，因此其使用者可在此基础上做进一步的处理。从 SINEX 文件恢复法方程很容易，在此以伪代码的形式做简要介绍。

首先可以从 SINEX 文件的 `SOLUTION/APRIORI` 和 `SOLUTION/ESTIMATE` 数据块读取参数初值 `x0` 和估值 `x`。记法方程矩阵为 `N`，法方程向量为 `b`，参数改正数为 `dx`，矩阵转置符号为 `'`，矩阵乘法为 `@`， 求逆记函数为 `inv()`。改正数的计算方法为：

```
dx = x - x0
```

法方程表示为：

```
N @ dx = b
```

### NEQ 方式

在 SINEX 文件中，可以通过数据块 `SOLUTION/NORMAL_EQUATION_MATRIX` 和 `SOLUTION/NORMAL_EQUATION_VECTOR` 直接保存法方程。某些 IGS 分析中心（比如 CODE）就提供这种类型的 SINEX 文件产品，你可以从中直接读取 `N` 和 `b`。但此时 `SOLUTION/STATISTICS` 块中一般不给出单位权方差，而是给出自由度 `dof` 和 二次型 `l'Pl`。你可以用如下方式计算单位权方差 `sigma0`：

```
v'Pv = l'Pl - b' @ dx
sigma0 = v'Pv / dof
```

### COV 方式

这种类型的 SINEX 文件会在 `SOLUTION/STATISTICS` 块中给出自由度 `dof`、单位权中误差 `sigma0` 以及残差平方和 `v'Pv`，并给出最终的方差-协方差阵 `Dx` 和约束值的先验方差-协方差阵 `Dc`。原始的法方程可通过如下方式恢复：

```
Qx = Dx / sigma0
Nx = inv(Qx)

Qc = Dc / sigma0
Nc = inv(Qc)

N = Nx - Nc
b = Nx @ dx
```

## 补充

根据 SINEX 格式的标准，致谢部分的标题应为：`INPUT/ACKNOWLEDGEMENTS`。但绝大多数 IGS 分析中心的产品中，该数据块的标题为 `INPUT/ACKNOWLEDGMENTS`。这一点在使用时需要注意。还有一点是：按照标准 [ISO6709](https://zh.wikipedia.org/wiki/ISO_6709) 以及习惯用法，西经应使用负数表示。但在 SINEX 的 `SITE/ID` 块中，受限于字符个数限制，其中的西经以大于 180 的数字表示。