王 鵬,呂志平,李昌貴,陳正生

(1.信息工程大學(xué)測繪學(xué)院,河南鄭州 450052;2.72946部隊,山東淄博 255002)

地球參考框架的網(wǎng)格計算

王 鵬1,2,呂志平1,李昌貴1,陳正生1

(1.信息工程大學(xué)測繪學(xué)院,河南鄭州 450052;2.72946部隊,山東淄博 255002)

針對當(dāng)前國際地球參考框架計算策略的缺陷,提出一種基于網(wǎng)格的分布式計算策略。初步搭建了網(wǎng)格計算平臺、構(gòu)造了網(wǎng)格節(jié)點元計算算法及元計算融合算法。試驗表明,網(wǎng)格計算能顯著提高地球參考框架計算速度,具備廣闊的應(yīng)用前景。

地球參考框架;網(wǎng)格計算;聯(lián)合平差

一、引 言

國際地球參考框架 (international terrestrial reference frame,ITRF)的實現(xiàn)是基于多種空間技術(shù)解時間序列的聯(lián)合處理而得到的[1]。面對海量的觀測數(shù)據(jù),從處理過程來看,ITRF組織采用的是一種“分組處理”策略[2],即將龐大的全球大地網(wǎng)分成若干個區(qū)域網(wǎng),并由若干個子計算中心 (analysis center,AC)分別處理,后由聯(lián)合平差中心 (combination center,CC)根據(jù)分組結(jié)果進行聯(lián)合處理。從處理技術(shù)上看, ITRF的建立采取的是法方程疊加的聯(lián)合平差策略,時間序列解以易于數(shù)據(jù)交換的解獨立交換格式[3](solution independent exchange for mat,S INEX)存儲。

為了緩解海量數(shù)據(jù)(計算)與計算機存儲、計算能力的矛盾,學(xué)者們只能通過改進平差模型的方法[4]。在地球參考框架的建立過程中,“分組處理”和法方程疊加的聯(lián)合平差策略實際上也是這種方法。但是,隨著人們對動態(tài)大地測量產(chǎn)品的 (準(zhǔn))實時性(站坐標(biāo)、軌道、地殼形變、大氣變化等)的要求越來越高,這種矛盾必定又會凸現(xiàn)出來,必須尋找新的方法解決這一難題。當(dāng)前,基于計算機網(wǎng)絡(luò)的、以網(wǎng)格為代表的分布式計算技術(shù)發(fā)展迅速,并且已經(jīng)在許多行業(yè)中得到了成功應(yīng)用[5],而網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于地球參考架中,僅僅停留在數(shù)據(jù)文件傳輸這一低層次上,對于網(wǎng)絡(luò)資源是一種嚴(yán)重的浪費。

二、地球參考框架的分布式算法

網(wǎng)格計算是解決復(fù)雜的科學(xué)與工程計算問題的新技術(shù)[6],即利用互聯(lián)網(wǎng)把分散在不同地理位置的電腦組織成一個強大的“虛擬超級計算機”,由成千上萬個“節(jié)點”來完成單機難以完成的“很多很多計算”和/或“很多很多數(shù)據(jù)”的任務(wù);顯然,地球參考框架的建設(shè)中將有網(wǎng)格計算的用武之地。當(dāng)前實現(xiàn)網(wǎng)格計算的方法主要有：Globus項目、Web Service、對等計算等。

地球參考框架的計算從處理流程角度分為兩步[1]處理策略：①各種技術(shù)的時間序列的嚴(yán)密疊加;②不同技術(shù)間的聯(lián)合平差。

網(wǎng)格只是搭建了一個基于網(wǎng)絡(luò)的計算平臺,要想真正發(fā)揮出網(wǎng)格強大的計算能力,需要將任務(wù)進行合理的計算平臺設(shè)計、算法分解與數(shù)據(jù)交換。幸運的是,“分組處理”和法方程疊加的聯(lián)合平差策略具備天然的網(wǎng)格計算特征并搭建了初步的網(wǎng)格計算平臺。由于 S INEX文件中包含相互兼容的輸入/輸出信息,因此它可以作為后繼計算的輸入文件。S INEX文件包含 GPS、VLBI、S LR等所提供的基線解算或者是網(wǎng)平差后的點位坐標(biāo)、點位方差-協(xié)方差陣、點位先驗坐標(biāo)、點位先驗方差信息,或者直接存貯法方程。作為一種數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),S INEX文件是“分組處理”和聯(lián)合平差的基礎(chǔ)[2-3],也適用于分布式計算平臺下的數(shù)據(jù)交換。

1.聯(lián)合平差基本算法

法方程層面的聯(lián)合平差,源自于分組(序貫)平差,基于整體平差與分組平差等價的原理。一般的,計算軟件中為節(jié)省空間,計算完畢后,法矩陣已被協(xié)方差陣代替,關(guān)系式為

其中,Σ^x、N^x、σ2分別為協(xié)方差陣、法矩陣、單位權(quán)方差。下面給出法方程疊加基本公式[7]

其中,^xc、Σ^xc為聯(lián)合解及其協(xié)方差陣;^x1、^x2,Σ^x1、Σ^x2為兩組輸入解及相應(yīng)的協(xié)方差陣。

一般各計算中心給出的解為約束解,為了避免約束不當(dāng)帶來的麻煩,需要先消除約束得到自由解。去約束過程可以由式(1)、式(2)得到。

令 ^x1=x0,^x2=^xf,Σx0=Σ^x1,則

σ2、^xc、x0、Σ^xc、Σ^xf分別可以從 S INEX文件“SOLUT ION/STATISTI CS”、“SOLUT ION/EST IMATE”、“SOLUT ION/APR IOR I”、“SOLUT ION/MATR IX_EST IMATE L COVA”和“SOLUT ION/MATR IX_APR IOR IL COVA”五個模塊中獲得。

由于 S INEX文件中包含多類參數(shù),在聯(lián)合平差之前,可以根據(jù)需要進行參數(shù)預(yù)消除、參數(shù)預(yù)排序、參數(shù)統(tǒng)一先驗值等算法[7]操作。另外,由于不同的目的和用途,聯(lián)合平差算法可以有很多形式[8-9],但都是以該基本算法為基礎(chǔ)的。

2.網(wǎng)格節(jié)點元計算及元計算融合

文獻[1]從處理流程上對 ITRF的計算策略進行了劃分。本文則從網(wǎng)格計算的角度進行了重新整合并排序,從對法方程的操作來定義網(wǎng)格算法,首先是時間序列解的操作,我們稱之為單法方程獨立算法,即其與其他時間序列不相關(guān);其次是時間序列聯(lián)合平差過程的多法方程疊加算法。計算策略可分為兩步：

(1)網(wǎng)格節(jié)點(子計算中心)元計算——單

法方程獨立算法

1)如果時間序列解存在基準(zhǔn)站約束(緊約束或顯著約束),則移除約束得到無約束自由解;

2)對無 (松)約束結(jié)果添加最小約束[8],如果本身就是最小約束解 (GPS的周解),則保持不變;

3)對以法方程形式提供的 IVS解集施加無絕對平移和無絕對旋轉(zhuǎn)條件。

(2)控制中心(聯(lián)合平差中心)元計算

融合——多法方程疊加算法

1)通過對每種技術(shù)的時間序列的嚴(yán)格解算(解算站坐標(biāo)、速率、地球定向參數(shù),以及每周解相對于每種技術(shù)的累積解的 7個轉(zhuǎn)換參數(shù),對于 VLB I是每天解),得到每種技術(shù)的聯(lián)合平差解,包括地球參考框架和地球定向參數(shù);

2)識別并剔除粗差 (或降權(quán)),用分段的方法正確地處理不連續(xù)變化;

3)如果有必要,將某一種技術(shù)的累積解聯(lián)合平差得到一個解集,DOR IS有兩個分析中心的解,需作這種處理;

4)加入并址站的聯(lián)結(jié)測量,將各技術(shù)的聯(lián)合平差解進行聯(lián)合平差,得到站坐標(biāo)、速率和地球定向參數(shù)的時間序列。

3.網(wǎng)格計算平臺及其實現(xiàn)

ITRF的網(wǎng)格計算平臺 (見圖 1)包括聯(lián)合平差中心、子分析中心、FTP數(shù)據(jù)服務(wù)器及因特網(wǎng),根據(jù)上一節(jié)的元計算及元計算融合算法,可以按照以下三個步驟完成網(wǎng)格計算(見圖 2)。

圖1 網(wǎng)格計算平臺

圖2 網(wǎng)格計算工作流程

1)控制中心發(fā)送指令(FTP地址)給各網(wǎng)格節(jié)點,節(jié)點計算機接收到指令后,到指定 FTP下載數(shù)據(jù)文件,下載完畢后將下載成功的信息返回到控制中心。

2)控制中心發(fā)送計算指令到各網(wǎng)格節(jié)點,網(wǎng)格節(jié)點響應(yīng)并執(zhí)行計算,計算完畢后將結(jié)果返回給控制中心。控制中心接受并融合各子計算結(jié)果,進行相關(guān)處理。

3)控制中心計算成功后,給網(wǎng)格節(jié)點發(fā)送指令,刪除文件,清理空間。

由于算法上的獨立性,本文設(shè)計的網(wǎng)格計算實際上仍然是一種“分組處理”,必然能取得與整體平差一致的結(jié)果,正如前文所講,我們更加關(guān)心其計算速度。

三、網(wǎng)格平臺模擬與試驗

網(wǎng)格平臺模擬環(huán)境為 4臺計算機組成的局域網(wǎng)。由 1臺控制計算機 (模擬聯(lián)合平差中心)和 3臺節(jié)點計算機 (模擬子計算中心)組成?？刂朴嬎銠C的配置是 CPU主頻 2.0 GHz,內(nèi)存 1 GB,操作系統(tǒng)為W indows XP,各節(jié)點計算機的配置也大致相當(dāng);網(wǎng)格實現(xiàn)采用基于.NET平臺的Web服務(wù)。每一個節(jié)點計算機安裝一個Web服務(wù)客戶端(節(jié)點程序),數(shù)據(jù)通信采用簡單對象訪問協(xié)議 (simple object access protocol,SOAP)技術(shù)。整個數(shù)據(jù)通信,是將子計算結(jié)果(單法方程)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格計算工作流,傳遞給控制計算機,由其進行聯(lián)合處理(見圖 2)。整個計算由控制計算機對任務(wù)進行調(diào)度和控制。

試驗數(shù)據(jù)采用從 http：∥garner.ucsed.edu/pub/ combinations上下載的第 576、577(GPS)周共 14個單天解 S INEX文件 (sioigs05760.snx—sioigs05776. snx),模擬計算局部地球參考框架。

1.試驗方案

1)單機計算：將所有數(shù)據(jù)文件都置于控制計算機(控制中心)程序中,平差算法包括約束消除 (式(3))、子計算結(jié)果融合 (式 (2))、參數(shù)預(yù)消除、參數(shù)排序和參數(shù)先驗值統(tǒng)一。

2)網(wǎng)格計算：將數(shù)據(jù)分為三段,將 sioigs05760. snx—sioigs05765.snx、sioigs05766.snx—sioigs05772snx、sioigs05773snx—sioigs05776.snx分別置于三個節(jié)點計算機。編制節(jié)點程序,節(jié)點程序中平差算法為約束消除、參數(shù)預(yù)消除、參數(shù)排序?？刂朴嬎銠C中平差算法為參數(shù)先驗值統(tǒng)一,子計算結(jié)果融合。由控制計算機按照上一節(jié)三個步驟完成任務(wù)。

3)為了避免偶然性,方案 1)和方案 2)都進行多次計算。

2.試驗結(jié)果

試驗共取得了WSF M、RI C M、MOJM、S IO1、K OK0、WELL、HOB1、T OWN和 TS U1 9個測站 27個三維站坐標(biāo)解,不出意外,單機算法和網(wǎng)格算法取得了相同的參數(shù)估值,但網(wǎng)格算法的解算速度是單機算法速度的近 3倍(見表 1),解算速度得到了顯著提高。

四、結(jié)束語

網(wǎng)格計算及參考框架建設(shè)是一項巨大的系統(tǒng)工程。本文是對網(wǎng)格計算在復(fù)雜、大規(guī)模的參考框架建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用的初步探索,試驗表明,在盡可能不改變當(dāng)前硬件環(huán)境的前提下,只要研發(fā)合適的分布式軟件及制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議,合理地利用網(wǎng)絡(luò)資源,就能以超高的效率完成地球參考框架及其他大地測量產(chǎn)品的(近)實時的計算與發(fā)布,可以預(yù)料,分布式計算在地球參考框架建設(shè)中的前景將非常廣闊。

表1 單機計算與網(wǎng)格計算速度比較 s

[1] ALTAM IM I Z,COLL IL IEUX X,LEGRAND J,et al. ITRF2005：A New Release of the International Terrestrial Reference Frame Based on Time Series of Station Positions and Earth Orientation Parameters[J].J Geophys Res,2007,112(B0),9401.

[2] MAREYEN M,BECKER M.On the Removal of a Priori Restrictions from GPS Network Solutions in a S INEX Format[J].Allgemeine Vermessungsnachrichten,2000, 107(11-12)：405-411.

[3] Solution(Software/technique) Independent Exchange Format Version 2.00[EB/OL].1996-06-30[2009-9-21].FTP：∥IGSCB.JPL.NASA.GOV/IGSCB/DATA/ FORMAT/S INEX.

[4] 宋力杰,歐陽桂崇.超大規(guī)模大地網(wǎng)分區(qū)平差快速解算方法[J].測繪學(xué)報,2003,32(3)：204-207.

[5] 趙晶晶,魏煒,王成山.基于電網(wǎng)分區(qū)的分布式輸電能力計算[J].中國電機工程學(xué)報,2008,28(7)：1-5.

[6] 都志輝,陳渝,劉鵬.網(wǎng)格計算[M].北京：清華大學(xué)出版社,2002：1-20.

[7] BROCK MAN E.Combination of Solutions for Geodetic and Geodynamic Applications of the Global Positioning System[D],Berne：Astronomical Institutes of Berne, 1997：11-66.

[8] DAV IES P,BLEW ITT G.Methodology for Global Geodetic Times Estimation：A New Tool for Geodynamics[J].J Geophys Res,2000,105(B5),2214.

[9] PANAF ID INA N,MALK IN Z,WEBER R.A New Combined European Permanent Network Station Coordinates Solution[J].J Geod,2006(80)：373-380.

Grid Computing of Terrestrial Reference Frame

WANG Peng,LüZhiping,L IChanggui,CHEN Zhengsheng

0494-0911(2010)08-0037-03

P223

B

2009-12-01

國家自然科學(xué)基金資助項目(40874008);國家 863計劃資助項目(2009AA12Z305)

王 鵬(1983—),男,山東萊蕪人,碩士,從事大地測量數(shù)據(jù)處理研究。