GROOPS实例——使用GPS卫星进行简化动力学定轨及精密单点定位

GROOPS简化动力学定轨与精密单点定位

1.GROOPS简介

最近在学习GROOPS&＃xff0c;分享一些学习成果及心得&＃xff0c;主要涵盖GPS简化动力学定轨部分的内容与精密单点定位&＃xff08;ppp&＃xff09;&＃xff0c;官方给出的说明文档链接&＃xff1a;https://groops-devs.github.io/groops/html/cookbook.gnssPpp.html。
首先介绍一下GROOPS&＃xff1a;GROOPS&＃xff08;The Gravity Recovery Object Oriented Programming System &＃xff09;是由奥地利格拉茨科技大学开发的一款开源软件&＃xff0c;该软件包含精密定轨、占网分析以及精密单点定位等众多内容&＃xff0c;并发布于&＃xff1a;https://github.com/groops-devs/groops

2.简化动力学定轨及精密单点定位

2.1.元数据准备

进行精密定轨及单点定位需要准备以下元数据&＃xff0c;这些元数据需要再Groops数据网上&＃xff08;https://ftp.tugraz.at/outgoing/ITSG/groops/data/&＃xff09;下载或者是在IGS机构下载以及通过Groops软件转换得到&＃xff08;GROOPS支持的格式&＃xff09;&＃xff1a;

——可从Groops数据网直接下载得到的数据&＃xff1a;
1&＃xff09;卫星相关数据
发射器列表&＃xff08;Transmitter List&＃xff0c;此文件比较简单&＃xff0c;可自己写&＃xff09;
发射器信息&＃xff08;Transmitter info&＃xff09;
天线定义文件&＃xff08;Antenna definition&＃xff09;
接收机信息&＃xff08;Receiver definition&＃xff09;
卫星宏观模型&＃xff08;Satellite macro model&＃xff09;
卫星姿态文件&＃xff08;Attitude&＃xff09;
2&＃xff09;测站相关数据
测站信息&＃xff08;Station info&＃xff09;
天线定义文件&＃xff08;Antenna definition&＃xff09;
精度定义文件&＃xff08;Accuracy definition&＃xff09;
测站位置文件&＃xff08;StationPosition&＃xff0c;用以约束定位结果&＃xff09;
3&＃xff09;其他
重力场文件&＃xff08;Gravity field&＃xff0c;GOCO06s_static_2010-01-01.gfc.txt&＃xff09;
潮汐文件&＃xff08;Tides and tidal deformation&＃xff0c;earthAnelastic2003.xml&＃xff0c;oceanTide_fes2014b_n180_version20170520.dat&＃xff0c;oceanTide_fes2014b_admittance_linear_linear.txt&＃xff0c;atmosphericTide_AOD1BRL06.dat&＃xff0c;atmosphericTide_AOD1BRL06_admittance.txt&＃xff0c;secularPole2018.xml&＃xff09;
地球自转文件&＃xff08;Earth orientation parameters&＃xff09;
全球气压及温度文件(Global Pressure and Temperature 3&＃xff0c;GPT3)
JPL星历数据&＃xff08;ephemerides_JPL_DE432.dat&＃xff09;
love函数相关文件&＃xff08;deformationLoveNumbers_CM_Gegout97.txt&＃xff0c;loadLoveNumbers_Gegout97.txt&＃xff09;

——需要从其他网站(CDDIS,WHU,CNT等机构&＃xff0c;精密文件“P”最好使用同一机构下的)上下载的数据&＃xff1a;
P-精密星历文件&＃xff08;.sp3&＃xff09;
P-精密钟差文件&＃xff08;.clk&＃xff09;
P-码偏差文件&＃xff08;.bia&＃xff09;
观测值文件&＃xff08;.**o&＃xff09;
对流层模型文件&＃xff08;VMF3&＃xff09;
*注&＃xff1a;VMF3下载地址 https://vmf.geo.tuwien.ac.at/trop_products/ &＃xff08;格网式-GRID或测站式-GNSS&＃xff09;

需通过Groops转化或手动生成的数据&＃xff1a;
1&＃xff09;卫星星相文件&＃xff08;Star Camera&＃xff09;&＃xff0c;在定轨过程中的中间产物&＃xff0c;这里不做描述。

2&＃xff09;特定卫星的Prn钟差文件
打开Groops&＃xff0c;添加项目LoopPrograms&＃xff0c;在LoopPrograms中添加GnssClockRinex2InstrumentClock以循环获取所有GPS卫星的钟差文件。

LoopPrograms中的设置&＃xff1a;
Loop->fileAscii,
inputfile->transmitter list
其余默认即可。

GnssClockRinex2InstrumentClock中的设置&＃xff1a;
inputfileClockRinex->钟差文件&＃xff08;clk&＃xff09;
identifier->{loopstring}
intervals->uniformSampling, 起始时间为处理数据当天零时零分零秒&＃xff0c;结束时间可设置为第二天零时零分零秒&＃xff0c;采样间隔最好与钟差文件保持一致。
其余保持默认设置。
获取的钟差文件如下&＃xff08;文件名自定义&＃xff0c;卫星prn会自动追加在文件名中&＃xff09;&＃xff1a;

3&＃xff09;每个卫星的信号偏差文件
GnssSinexBias2SingalBias:
inputfileSinexBias->bia文件
inputfileGlonassReceiverDefination->GLONASS卫星发射器的频率号映射&＃xff08;不用GLONASS卫星可不设置&＃xff09;&＃xff0c;部分结果如下&＃xff1a;

注&＃xff1a;注意&＃xff0c;输出文件的名称必须为gnssSignalBias.{prn}.*,否则后续处理将会报错。
4&＃xff09;Groops格式的观测值文件
RinexObservation2GnssReceiver
inputfileRinexObservation->观测文件
inputStationInfo->站信息文件
inputfileSemiCodelessReceiver->Groops数据网上下载

5&＃xff09;对流层模型的时间序列
下载对当天00&＃xff0c;06&＃xff0c;12&＃xff0c;18及第二天00的流层模型Grid 1×1数据。
运行ViennaMappingFunctionStation2File
inputfile->将下载的数据全部添加
timeSeries->uniformSampling
起始时间当天00&＃xff1a;00&＃xff1a;00&＃xff0c;结束时间为第二天00&＃xff1a;00&＃xff1a;00&＃xff0c;采样间隔6h。

2.2简化动力学定轨

基本认识&＃xff1a;
精密单点定位需要精密轨道&＃xff0c;从精密星历中获取精密轨道的方法主要有三种&＃xff1a;
a&＃xff09;插值法
b&＃xff09;动力学方法
c&＃xff09;简化动力学方法
简化动力学方法是动力学方法的“简化版”&＃xff0c;它估计了卫星所受到的主要摄动力&＃xff08;地球引力场&＃xff0c;太阳光压等&＃xff09;&＃xff0c;而将除主要摄动力以外的摄动力视为一种随机脉冲误差&＃xff0c;通过估计这一误差对轨道进行进一步改正获取精密轨道。
GROOPS软件实现&＃xff1a;
LoopPrograms中的设置&＃xff1a;
Loop->fileAscii,
inputfile->transmitter list
其余默认。

在LoopPrograms中依次添加如下项目&＃xff1a;

loop->fileAscii(transmitter list)

Sp3Format2Orbit->输入sp3文件&＃xff0c;获取每一个卫星的轨道。

InstrumentResample->对从sp3文件中获取的轨道插值

orbitSampling&＃61;900s

OrbitAddVelocityAndAcceleration->使用插值轨道获取卫星速度及加速度&＃xff0c;输入插值轨道文件。

GnssPrn2SvnBlockVariables->获取卫星PRN对应的SVN号&＃xff0c;将其转换得到的SVN号保存至变量中供后续使用&＃xff08;svn&＃xff09;&＃xff0c;输入文件为transmitter info。

SimulateStarCameraGnss->根据轨道文件、卫星姿态文件&＃xff08;根据SVN给出&＃xff09;及JPL星历获取星相数据。

PreprocessingVariationalEquation->输入添加速度及加速度的轨道、星相文件&＃xff0c;获取变分方程文件&＃xff08;轨道积分结果&＃xff09;
包含以下设置
forces->摄动力模型
重力场、天文潮、地球潮汐以及相对论效应即可&＃xff0c;除重力场maxDegree设置为20以外&＃xff0c;其余参数默认&＃xff08;如图所示&＃xff09;。

PreprocessingVariationalEquation其余设置&＃xff0c;添加地球自转文件、JPL星历及重力场模型&＃xff08;和上文一样再添加一次&＃xff09;

PreprocessingVariationalEquationOrbitFit->最小二乘法拟合获取其他轨道改正参数&＃xff0c;对于每一个循环来说&＃xff0c;这个项目需要进行两次&＃xff0c;第一次估计太阳光压&＃xff1a;
输入变分方程及添加了速度、加速度的轨道、JPL星历以估计太阳光压参数&＃xff08;至少估计前五个参数&＃xff0c;也有文献提出五参数比七参数更好&＃xff09;

第二次估计随机脉冲误差&＃xff0c;与上一步相比&＃xff0c;输入的变分方程为估计太阳光压所得到的变分方程&＃xff0c;并按下图的方式添加随机脉冲&＃xff1a;

至此&＃xff0c;简化动力学定轨已完成&＃xff0c;所得变分方程包含了轨道及状态转换矩阵。

2.3精密单点定位

精密单点定位过程非常复杂&＃xff0c;具体原理就不再赘述&＃xff0c;仅分享如何设置GROOPS的定位策略文件。
a&＃xff09;首先&＃xff0c;设置处理数据的采样策略&＃xff0c;根据观测文件的采样间隔设置&＃xff0c;一般为30s&＃xff1a;

b&＃xff09;而后&＃xff0c;设置卫星相关信息&＃xff0c;输入准备好的卫星发射器列表、发射器信息、天线定义、卫星接收机定义、信号偏差、变分方程、JPL星历及钟差文件等。
设置estimateCodeBias及estimatePhaseBias为no&＃xff0c;其余保持默认设置。

注&＃xff1a;这里输入的信号文件名称必须为gnssSignalBias.{prn}.dat&＃xff0c;否则报错&＃xff08;这个问题看了一堆源码才发现&＃xff09;。

c&＃xff09;其次&＃xff0c;设置接收机信息
选择stationoNetwork模式
输入要处理的测站名列表文件&＃xff08;自己手动创建&＃xff0c;每行一个测站&＃xff09;、测站信息文件、天线定义文件、接收机定义文件、精度文件、用以约束的测站位置文件以及观测值文件。

相关参数设置&＃xff1a;

对流层设置&＃xff1a;

viennaMapping中输入文件为上文准备的对流层模型时间序列文件&＃xff0c;trend中开始时间应设置为处理当天的正午。

潮汐文件&＃xff1a;
输入文件前文准备的潮汐数据文件&＃xff08;默认设置里有对应的名字&＃xff09;&＃xff0c;所有的minDegree设置为1&＃xff0c;其余默认。

其余设置&＃xff1a;
输入JPL星历、love函数相关文件。
设置codeMaxPositionDiff&＃61;200&＃xff0c;minEstimableEpochRatio&＃61;0.25。&＃xff08;如果出现“”测站不可用“报错信息&＃xff0c;可以将位置差适当调大&＃xff0c;可用历元数适当调小&＃xff09;&＃xff0c;其余默认。

d&＃xff09;电离层设置->默认设置即可&＃xff0c;地球自转文件&＃xff0c;提供上文自转文件&＃xff0c;保持默认设置即可&＃xff0c;整周模糊度&＃xff0c;默认设置。
e&＃xff09;constrains&＃xff08;约束&＃xff09;

f&＃xff09;processingStep:forEachReceiverSeparately
在processingStep:forEachReceiverSeparately&＃xff0c;依次添加
(1&＃xff09;processingStep->selectParameters:

&＃xff08;2&＃xff09;processingStep->estimate&＃xff1a;

&＃xff08;3&＃xff09;processingStep->Group:
processingStep->Group中再次添加processingStep->selectParameters&＃xff0c;设置如下&＃xff1a;


以及processingStep->estimate&＃xff1a;

&＃xff08;4&＃xff09;processingStep->estimate&＃xff1a;

&＃xff08;5&＃xff09;processingStep->resolveAmbiguities&＃xff1a;

&＃xff08;6&＃xff09;processingStep->estimate&＃xff1a;

&＃xff08;7&＃xff09;processingStep->printResidualStatistics
&＃xff08;8&＃xff09;processingStep->writeResults
为每个输出文件追加自定义文字吧&＃xff01;

Groops简化动力学定轨及精密单点定位的内容就分享到这里了&＃xff0c;我是按照官网的教程结合一些源代码完成的这部分内容&＃xff0c;由于源代码阅读不够充分&＃xff0c;理论知识掌握不够全面&＃xff0c;欢迎卫星定位及大地测量相关专业的同学指出不足并学习讨论。