地球參考框架的網格計算

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;聯合平差

一、引 言

國際地球參考框架 (international terrestrial reference frame,ITRF)的實現是基于多種空間技術解時間序列的聯合處理而得到的[1]。面對海量的觀測數據,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域網,并由若干個子計算中心 (analysis center,AC)分別處理,后由聯合平差中心 (combination center,CC)根據分組結果進行聯合處理。從處理技術上看, ITRF的建立采取的是法方程疊加的聯合平差策略,時間序列解以易于數據交換的解獨立交換格式[3](solution independent exchange for mat,S INEX)存儲。

為了緩解海量數據(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”和法方程疊加的聯合平差策略實際上也是這種方法。但是,隨著人們對動態大地測量產品的 (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展迅速,并且已經在許多行業中得到了成功應用[5],而網絡技術應用于地球參考架中,僅僅停留在數據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“節點”來完成單機難以完成的“很多很多計算”和/或“很多很多數據”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、算法分解與數據交換。幸運的是,“分組處理”和法方程疊加的聯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。作為一種數據標準,S INEX文件是“分組處理”和聯合平差的基礎[2-3],也適用于分布式計算平臺下的數據交換。

1.聯合平差基本算法

法方程層面的聯合平差,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,計算軟件中為節省空間,計算完畢后,法矩陣已被協方差陣代替,關系式為

其中,Σ^x、N^x、σ2分別為協方差陣、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為聯合解及其協方差陣;^x1、^x2,Σ^x1、Σ^x2為兩組輸入解及相應的協方差陣。

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,在聯合平差之前,可以根據需要進行參數預消除、參數預排序、參數統一先驗值等算法[7]操作。另外,由于不同的目的和用途,聯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,以及每周解相對于每種技術的累積解的 7個轉換參數,對于 VLB I是每天解),得到每種技術的聯合平差解,包括地球參考框架和地球定向參數;

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變化;

3)如果有必要,將某一種技術的累積解聯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)加入并址站的聯結測量,將各技術的聯合平差解進行聯合平差,得到站坐標、速率和地球定向參數的時間序列。

3.網格計算平臺及其實現

ITRF的網格計算平臺 (見圖 1)包括聯合平差中心、子分析中心、FTP數據服務器及因特網,根據上一節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)控制中心發送指令(FTP地址)給各網格節點,節點計算機接收到指令后,到指定 FTP下載數據文件,下載完畢后將下載成功的信息返回到控制中心。

2)控制中心發送計算指令到各網格節點,網格節點響應并執行計算,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,給網格節點發送指令,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

網格平臺模擬環境為 4臺計算機組成的局域網。由 1臺控制計算機 (模擬聯合平差中心)和 3臺節點計算機 (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,操作系統為W indows XP,各節點計算機的配置也大致相當;網格實現采用基于.NET平臺的Web服務。每一個節點計算機安裝一個Web服務客戶端(節點程序),數據通信采用簡單對象訪問協議 (simple object access protocol,SOAP)技術。整個數據通信,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。

試驗數據采用從 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：將所有數據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))、參數預消除、參數排序和參數先驗值統一。

2)網格計算：將數據分為三段,將 sioigs05760. snx—sioigs05765.snx、sioigs05766.snx—sioigs05772snx、sioigs05773snx—sioigs05776.snx分別置于三個節點計算機。編制節點程序,節點程序中平差算法為約束消除、參數預消除、參數排序。控制計算機中平差算法為參數先驗值統一,子計算結果融合。由控制計算機按照上一節三個步驟完成任務。

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工程。本文是對網格計算在復雜、大規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境的前提下,只要研發合適的分布式軟件及制定相應的標準和協議,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.

[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.超大規模大地網分區平差快速解算方法[J].測繪學報,2003,32(3)：204-207.

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

[6] 都志輝,陳渝,劉鵬.網格計算[M].北京：清華大學出版社,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,從事大地測量數據處理研究。