地球参考框架的网格计算

王 鹏,吕志平,李昌贵,陈正生

(1.信息工程大学测绘学院,河南郑州 450052;2.72946部队,山东淄博 255002)

地球参考框架的网格计算

王 鹏1,2,吕志平1,李昌贵1,陈正生1

(1.信息工程大学测绘学院,河南郑州 450052;2.72946部队,山东淄博 255002)

针对当前国际地球参考框架计算策略的缺陷,提出一种基于网格的分布式计算策略。初步搭建了网格计算平台、构造了网格节点元计算算法及元计算融合算法。试验表明,网格计算能显著提高地球参考框架计算速度,具备广阔的应用前景。

地球参考框架;网格计算;联合平差

一、引 言

国际地球参考框架 (international terrestrial reference frame,ITRF)的实现是基于多种空间技术解时间序列的联合处理而得到的[1]。面对海量的观测数据,从处理过程来看,ITRF组织采用的是一种“分组处理”策略[2],即将庞大的全球大地网分成若干个区域网,并由若干个子计算中心 (analysis center,AC)分别处理,后由联合平差中心 (combination center,CC)根据分组结果进行联合处理。从处理技术上看, ITRF的建立采取的是法方程叠加的联合平差策略,时间序列解以易于数据交换的解独立交换格式[3](solution independent exchange for mat,S INEX)存储。

为了缓解海量数据(计算)与计算机存储、计算能力的矛盾,学者们只能通过改进平差模型的方法[4]。在地球参考框架的建立过程中,“分组处理”和法方程叠加的联合平差策略实际上也是这种方法。但是,随着人们对动态大地测量产品的 (准)实时性(站坐标、轨道、地壳形变、大气变化等)的要求越来越高,这种矛盾必定又会凸现出来,必须寻找新的方法解决这一难题。当前,基于计算机网络的、以网格为代表的分布式计算技术发展迅速,并且已经在许多行业中得到了成功应用[5],而网络技术应用于地球参考架中,仅仅停留在数据文件传输这一低层次上,对于网络资源是一种严重的浪费。

二、地球参考框架的分布式算法

网格计算是解决复杂的科学与工程计算问题的新技术[6],即利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织成一个强大的“虚拟超级计算机”,由成千上万个“节点”来完成单机难以完成的“很多很多计算”和/或“很多很多数据”的任务;显然,地球参考框架的建设中将有网格计算的用武之地。当前实现网格计算的方法主要有：Globus项目、Web Service、对等计算等。

地球参考框架的计算从处理流程角度分为两步[1]处理策略：①各种技术的时间序列的严密叠加;②不同技术间的联合平差。

网格只是搭建了一个基于网络的计算平台,要想真正发挥出网格强大的计算能力,需要将任务进行合理的计算平台设计、算法分解与数据交换。幸运的是,“分组处理”和法方程叠加的联合平差策略具备天然的网格计算特征并搭建了初步的网格计算平台。由于 S INEX文件中包含相互兼容的输入/输出信息,因此它可以作为后继计算的输入文件。S INEX文件包含 GPS、VLBI、S LR等所提供的基线解算或者是网平差后的点位坐标、点位方差-协方差阵、点位先验坐标、点位先验方差信息,或者直接存贮法方程。作为一种数据标准,S INEX文件是“分组处理”和联合平差的基础[2-3],也适用于分布式计算平台下的数据交换。

1.联合平差基本算法

法方程层面的联合平差,源自于分组(序贯)平差,基于整体平差与分组平差等价的原理。一般的,计算软件中为节省空间,计算完毕后,法矩阵已被协方差阵代替,关系式为

其中,Σ^x、N^x、σ2分别为协方差阵、法矩阵、单位权方差。下面给出法方程叠加基本公式[7]

其中,^xc、Σ^xc为联合解及其协方差阵;^x1、^x2,Σ^x1、Σ^x2为两组输入解及相应的协方差阵。

一般各计算中心给出的解为约束解,为了避免约束不当带来的麻烦,需要先消除约束得到自由解。去约束过程可以由式(1)、式(2)得到。

令 ^x1=x0,^x2=^xf,Σx0=Σ^x1,则

σ2、^xc、x0、Σ^xc、Σ^xf分别可以从 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”五个模块中获得。

由于 S INEX文件中包含多类参数,在联合平差之前,可以根据需要进行参数预消除、参数预排序、参数统一先验值等算法[7]操作。另外,由于不同的目的和用途,联合平差算法可以有很多形式[8-9],但都是以该基本算法为基础的。

2.网格节点元计算及元计算融合

文献[1]从处理流程上对 ITRF的计算策略进行了划分。本文则从网格计算的角度进行了重新整合并排序,从对法方程的操作来定义网格算法,首先是时间序列解的操作,我们称之为单法方程独立算法,即其与其他时间序列不相关;其次是时间序列联合平差过程的多法方程叠加算法。计算策略可分为两步：

(1)网格节点(子计算中心)元计算——单

法方程独立算法

1)如果时间序列解存在基准站约束(紧约束或显著约束),则移除约束得到无约束自由解;

2)对无 (松)约束结果添加最小约束[8],如果本身就是最小约束解 (GPS的周解),则保持不变;

3)对以法方程形式提供的 IVS解集施加无绝对平移和无绝对旋转条件。

(2)控制中心(联合平差中心)元计算

融合——多法方程叠加算法

1)通过对每种技术的时间序列的严格解算(解算站坐标、速率、地球定向参数,以及每周解相对于每种技术的累积解的 7个转换参数,对于 VLB I是每天解),得到每种技术的联合平差解,包括地球参考框架和地球定向参数;

2)识别并剔除粗差 (或降权),用分段的方法正确地处理不连续变化;

3)如果有必要,将某一种技术的累积解联合平差得到一个解集,DOR IS有两个分析中心的解,需作这种处理;

4)加入并址站的联结测量,将各技术的联合平差解进行联合平差,得到站坐标、速率和地球定向参数的时间序列。

3.网格计算平台及其实现

ITRF的网格计算平台 (见图 1)包括联合平差中心、子分析中心、FTP数据服务器及因特网,根据上一节的元计算及元计算融合算法,可以按照以下三个步骤完成网格计算(见图 2)。

图1 网格计算平台

图2 网格计算工作流程

1)控制中心发送指令(FTP地址)给各网格节点,节点计算机接收到指令后,到指定 FTP下载数据文件,下载完毕后将下载成功的信息返回到控制中心。

2)控制中心发送计算指令到各网格节点,网格节点响应并执行计算,计算完毕后将结果返回给控制中心。控制中心接受并融合各子计算结果,进行相关处理。

3)控制中心计算成功后,给网格节点发送指令,删除文件,清理空间。

由于算法上的独立性,本文设计的网格计算实际上仍然是一种“分组处理”,必然能取得与整体平差一致的结果,正如前文所讲,我们更加关心其计算速度。

三、网格平台模拟与试验

网格平台模拟环境为 4台计算机组成的局域网。由 1台控制计算机 (模拟联合平差中心)和 3台节点计算机 (模拟子计算中心)组成。控制计算机的配置是 CPU主频 2.0 GHz,内存 1 GB,操作系统为W indows XP,各节点计算机的配置也大致相当;网格实现采用基于.NET平台的Web服务。每一个节点计算机安装一个Web服务客户端(节点程序),数据通信采用简单对象访问协议 (simple object access protocol,SOAP)技术。整个数据通信,是将子计算结果(单法方程)转化为网格计算工作流,传递给控制计算机,由其进行联合处理(见图 2)。整个计算由控制计算机对任务进行调度和控制。

试验数据采用从 http：∥garner.ucsed.edu/pub/ combinations上下载的第 576、577(GPS)周共 14个单天解 S INEX文件 (sioigs05760.snx—sioigs05776. snx),模拟计算局部地球参考框架。

1.试验方案

1)单机计算：将所有数据文件都置于控制计算机(控制中心)程序中,平差算法包括约束消除 (式(3))、子计算结果融合 (式 (2))、参数预消除、参数排序和参数先验值统一。

2)网格计算：将数据分为三段,将 sioigs05760. snx—sioigs05765.snx、sioigs05766.snx—sioigs05772snx、sioigs05773snx—sioigs05776.snx分别置于三个节点计算机。编制节点程序,节点程序中平差算法为约束消除、参数预消除、参数排序。控制计算机中平差算法为参数先验值统一,子计算结果融合。由控制计算机按照上一节三个步骤完成任务。

3)为了避免偶然性,方案 1)和方案 2)都进行多次计算。

2.试验结果

试验共取得了WSF M、RI C M、MOJM、S IO1、K OK0、WELL、HOB1、T OWN和 TS U1 9个测站 27个三维站坐标解,不出意外,单机算法和网格算法取得了相同的参数估值,但网格算法的解算速度是单机算法速度的近 3倍(见表 1),解算速度得到了显著提高。

四、结束语

网格计算及参考框架建设是一项巨大的系统工程。本文是对网格计算在复杂、大规模的参考框架建设领域应用的初步探索,试验表明,在尽可能不改变当前硬件环境的前提下,只要研发合适的分布式软件及制定相应的标准和协议,合理地利用网络资源,就能以超高的效率完成地球参考框架及其他大地测量产品的(近)实时的计算与发布,可以预料,分布式计算在地球参考框架建设中的前景将非常广阔。

表1 单机计算与网格计算速度比较 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,欧阳桂崇.超大规模大地网分区平差快速解算方法[J].测绘学报,2003,32(3)：204-207.

[5] 赵晶晶,魏炜,王成山.基于电网分区的分布式输电能力计算[J].中国电机工程学报,2008,28(7)：1-5.

[6] 都志辉,陈渝,刘鹏.网格计算[M].北京：清华大学出版社,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

国家自然科学基金资助项目(40874008);国家 863计划资助项目(2009AA12Z305)

王 鹏(1983—),男,山东莱芜人,硕士,从事大地测量数据处理研究。