蔣春華

遼寧工程技術大學測繪與地理科學學院，遼寧 阜新 123000

GNSS精密數(shù)據(jù)處理是高精度GNSS大地測量及工程應用的關鍵。為實現(xiàn)多系統(tǒng)GNSS大規(guī)模、高精度、高效率數(shù)據(jù)處理，論文圍繞GNSS并行精密數(shù)據(jù)處理關鍵技術展開研究，將MPI、OpenMP、Pthread并行技術與GNSS精密定軌與鐘差確定、大規(guī)模精密位置解算及GNSS大氣參數(shù)提取與建模等算法進行深度融合，并基于計算機集群平臺予以設計和實現(xiàn)。論文主要研究成果和創(chuàng)新點如下：

(1)研究了拉格朗日/高斯無奇點衛(wèi)星運動方程。針對衛(wèi)星軌道理論中的奇點問題，對拉格朗日/高斯無奇點衛(wèi)星運動方程進行深入的分析和研究，從拉格朗日和高斯運動原始方程及其物理意義出發(fā)，考慮圓軌道、圓赤道軌道和赤道軌道3種奇點情況，推導了一種全新的拉格朗日/高斯無奇點衛(wèi)星運動方程。該方程完全消除了零因子，并具有連續(xù)性。

(2)研究多系統(tǒng)GNSS軌道與鐘差并行處理方法。一方面，提出多系統(tǒng)GNSS精密軌道與鐘差并行確定方法。分析不同線程數(shù)、進程數(shù)、測站數(shù)以及多系統(tǒng)下并行算法的效率和適用性。結果表明：多進程/多線程混合并行方法采用線程數(shù)越多、進程數(shù)越多，加速比越大。并行方法對多測站和多系統(tǒng)的定軌和鐘差估計效率提升更具優(yōu)勢。保障精度前提下，四系統(tǒng)精密定軌計算效率提高約30%，四系統(tǒng)鐘差估計效率提高約59%。另一方面，提出一種多時段混合并行超快速軌道高效確定新方法。推導MPI分時段法方程疊加與OpenMP并行消參計算公式，并實現(xiàn)GNSS超快速軌道并行確定方法。研究表明，論文方法能夠將軌道更新頻率從6 h提高到1 h；論文方法預報軌道結果比傳統(tǒng)結果提高約30%；與國際同類軌道相比，論文方法預報軌道具有較高的精度和穩(wěn)定性，GPS、GLONASS、Galileo和BDS軌道1D RMS分別為3.21、5.08、5.56及11.83 cm。

(3)研究了融合MPI技術與等價性理論的測站坐標并行計算方法。推導了協(xié)因數(shù)陣、等價消參及等價并行化的基本原理與算法，設計核心處理流程并予以實現(xiàn)。精度和效率分析結果表明，該算法在應用中能夠有效消去待估參數(shù)且精度損失可以忽略不計；該算法效率提升高達56%；該算法比傳統(tǒng)串行算法及高斯約旦并行算法具有更高計算效率，且隨著計算規(guī)模增大其優(yōu)勢更明顯；該算法在集群環(huán)境具有適用性，且所用節(jié)點越多計算效率越高。

(4)研究了GNSS大規(guī)模事后及實時并行處理方法。一方面，基于MPI/OpenMP，設計并實現(xiàn)一種GNSS事后大規(guī)模站坐標混合并行解算方法。通過實測數(shù)據(jù)驗證了其高效性。另一方面，基于Pthread多線程，設計并實現(xiàn)GNSS實時大規(guī)模站坐標并行解算方法。在MPI與Perl編程技術輔助下，基于實時數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)了1500個參考站的實時位置多線程并行解算。

(5)研究了對流層參數(shù)并行解算方法，并建立顧及天周期信號的1°×1°中國對流層格網(wǎng)模型。基于ERA5提取1 h時間分辨率ZTD，構建一種顧及天周期變化信息的高時空分辨率對流層格網(wǎng)模型。精度評估結果表明，該模型在中國西北部地區(qū)比東南部地區(qū)精度高，與GPT2w模型以及其他低時間分辨率模型相比，該模型具有更高精度。此外，分析了ERA5提取的ZTD在中國區(qū)域精度及其時空分布特征，為中國高精度對流層及水汽等參數(shù)計算提供了參考。

(6)研究了GNSS電離層模型并行構建方法。采用并行計算方法對電離層TEC提取和模型解算進行優(yōu)化。在保障精度前提下，分析不同計算策略效率的優(yōu)勢。結果表明，并行計算能顯著提高GNSS電離層建模效率；與串行方案、多進程方案和多線程方案相比，混合并行計算策略效率提升最為明顯。