王 鵬,呂志平,李昌貴,陳正生

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

地球參考框架的網格計算

王 鵬1,2,呂志平1,李昌貴1,陳正生1

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

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

地球參考框架;網格計算;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分成若干個區(qū)域網,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)分組結果進行聯(lián)合處理。從處理技術上看, 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)大地測量產品的 (準)實時性(站坐標、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。當前,基于計算機網絡的、以網格為代表的分布式計算技術發(fā)展迅速,并且已經在許多行業(yè)中得到了成功應用[5],而網絡技術應用于地球參考架中,僅僅停留在數(shù)據(jù)文件傳輸這一低層次上,對于網絡資源是一種嚴重的浪費。

二、地球參考框架的分布式算法

網格計算是解決復雜的科學與工程計算問題的新技術[6],即利用互聯(lián)網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;顯然,地球參考框架的建設中將有網格計算的用武之地。當前實現(xiàn)網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各種技術的時間序列的嚴密疊加;②不同技術間的聯(lián)合平差。

網格只是搭建了一個基于網絡的計算平臺,要想真正發(fā)揮出網格強大的計算能力,需要將任務進行合理的計算平臺設計、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格計算特征并搭建了初步的網格計算平臺。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平差后的點位坐標、點位方差-協(xié)方差陣、點位先驗坐標、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)標準,S INEX文件是“分組處理”和聯(lián)合平差的基礎[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,關系式為

其中,Σ^x、N^x、σ2分別為協(xié)方差陣、法矩陣、單位權方差。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)預消除、參數(shù)預排序、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的。

2.網格節(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;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)通過對每種技術的時間序列的嚴格解算(解算站坐標、速率、地球定向參數(shù),以及每周解相對于每種技術的累積解的 7個轉換參數(shù),對于 VLB I是每天解),得到每種技術的聯(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),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)結測量,將各技術的聯(lián)合平差解進行聯(lián)合平差,得到站坐標、速率和地球定向參數(shù)的時間序列。

3.網格計算平臺及其實現(xiàn)

ITRF的網格計算平臺 (見圖 1)包括聯(lián)合平差中心、子分析中心、FTP數(shù)據(jù)服務器及因特網,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格計算(見圖 2)。

圖1 網格計算平臺

圖2 網格計算工作流程

1)控制中心發(fā)送指令(FTP地址)給各網格節(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)送計算指令到各網格節(jié)點,網格節(jié)點響應并執(zhí)行計算,計算完畢后將結果返回給控制中心。控制中心接受并融合各子計算結果,進行相關處理。

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

由于算法上的獨立性,本文設計的網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果,正如前文所講,我們更加關心其計算速度。

三、網格平臺模擬與試驗

網格平臺模擬環(huán)境為 4臺計算機組成的局域網。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;網格實現(xiàn)采用基于.NET平臺的Web服務。每一個節(jié)點計算機安裝一個Web服務客戶端(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。整個數(shù)據(jù)通信,是將子計算結果(單法方程)轉化為網格計算工作流,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進行調度和控制。

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))、子計算結果融合 (式 (2))、參數(shù)預消除、參數(shù)排序和參數(shù)先驗值統(tǒng)一。

2)網格計算：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)預消除、參數(shù)排序。控制計算機中平差算法為參數(shù)先驗值統(tǒng)一,子計算結果融合。由控制計算機按照上一節(jié)三個步驟完成任務。

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個三維站坐標解,不出意外,單機算法和網格算法取得了相同的參數(shù)估值,但網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、結束語

網格計算及參考框架建設是一項巨大的系統(tǒng)工程。本文是對網格計算在復雜、大規(guī)模的參考框架建設領域應用的初步探索,試驗表明,在盡可能不改變當前硬件環(huán)境的前提下,只要研發(fā)合適的分布式軟件及制定相應的標準和協(xié)議,合理地利用網絡資源,就能以超高的效率完成地球參考框架及其他大地測量產品的(近)實時的計算與發(fā)布,可以預料,分布式計算在地球參考框架建設中的前景將非常廣闊。

表1 單機計算與網格計算速度比較 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.

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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。