云计算技术在大规模基准站网中的应用

陈雄川，程传录，蒋光伟，马新莹，李 康，孙洋洋

云计算技术在大规模基准站网中的应用

陈雄川，程传录，蒋光伟，马新莹，李 康，孙洋洋

（自然资源部大地测量数据处理中心，西安 710054）

针对常规个人计算机（PC）存贮与计算效率低，无法满足大规模全球卫星导航系统（GNSS）基准站网高效数据计算要求的问题，提出利用云计算技术实现高效的计算：采用云计算技术搭建计算平台，安装GAMIT/GLOBK软件系统进行大规模GNSS基准站网数据处理，并与PC机解算进行对比分析。结果表明：云计算平台上同时运行6个以上任务时，效能明显优于PC机；且随着任务数量的增多，效能显著提高，当软件打开文件数量达最大荷载时，云计算平台仍稳定正常运行，且计算结果正确可靠。

云计算技术；个人计算机；云计算平台；GAMIT/GLOBK；大规模全球卫星导航系统（GNSS）基准站网

0 引言

随着导航定位技术的发展，全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）基准站已成为国家或区域坐标参考框架建立维护与更新的主要技术手段[1]。我国属地壳活动活跃的地区，受地壳板块运动、地面沉降等因素影响，各基准站实际点位在发生着不同程度的变化；而且随着时间的推移其点位变化会越来越大：因此国家或区域坐标框架的精化与维持是一项长期、持续性的工作[2-3]。

在解算大规模GNSS基准站网时，采用高性能数据存储和处理服务器即个人计算机（personal computer, PC）物理机以及国际先进的高精度数据处理软件GAMIT/GLOBK[4]，以保证数据处理工作正常进行及处理结果的准确性和可靠性。然而，用传统的PC机时需要同时打开多个任务窗口进行项目解算（为方便叙述，“任务窗口”简称“窗口”）；受到硬件影响，解算需要很长时间。为了提高效率，需要借助更好的平台与技术去实现高效计算能力。云计算技术[5-7]就是很好的选择。

云计算技术的发展为大规模GNSS基准站网数据处理提供高效的计算平台。以云计算技术构建的全新计算模式，满足大规模数据的存储与计算的需求，使得信息处理质量与效率均大大提升[8-9]。同时，“云”的规模可以动态伸缩[10]，会根据用户需要来对硬件即中央处理器（central processing unit, CPU）核数和内存进行按需分配，比PC机有更强的灵活性，可以满足应用和用户规模增长的需要。本文拟通过云主机与PC机解算项目的对比实验，验证云主机计算高效性与正确性，为大规模GNSS基准站网数据处理提供参考。

1 云计算平台搭建

云计算是1种计算模型。它将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，使各种应用系统能够根据需要获取计算能力、存储空间和信息服务，并且动态地分配、配置、部署及回收计算机资源，同时又能自动地管理资源，动态安装软件及应用。

云计算整体结构模型由图1所示构成。其中包括底层硬件基础架构、软件融合架构、集中云平台管理3大部分。基础硬件可以兼容标准的X86存储服务器（如云主机）、第3方通用存储设备；融合架构由软件定义计算、软件定义存储、软件定义网络3部分组成；云平台管理实现对上述资源的统一管理。

图1 云计算整体结构模型

2 云计算效能分析

为了对比云主机与PC机的性能，本文采用西藏自治区、青海省、四川省、甘肃省和新疆维吾尔自治区共5省（区）的基准站原始数据，分别在云主机和PC机上进行解算，并将所用时间一一记录。PC机采用的是实体的DELL-precision tower5810工作站；云计算技术将软件移植到云主机中，其计算保存的数据和文件都在虚拟终端。本地PC机与云主机的硬件比较如表1所示。

表1 本地PC机与云主机的硬件比较

2.1 云主机运行稳定性

云主机在测试期间，当窗口开到16个及以上进行数据解算时，有时会出现窗口自动最小化的情况；本地PC机在窗口开到12个及以上时，会出现窗口自动最小化的情况。

2.2 解算结果的完整性与正确性

利用西藏自治区、青海省、四川省、甘肃省和新疆维吾尔自治区共5省（区）的基准站原始数据，采用GAMIT/GLOBK10.60软件进行数据解算，得到的基线文件进行网平差得到2000国家大地坐标系（China geodetic coordinate system 2000, CGCS2000）坐标成果[11]。

测试中，每个分区都用3个窗口解算：将甘肃同时用9个窗口（分区甘肃-1、甘肃-2、甘肃-3分别各用3个窗口）；新疆同时用12个窗口；青海西藏和四川同时用15个窗口进行数据解算，每个分区31 d数据的平均每天O文件个数和实际用时如表2所示。

表2 云主机解算用时

由表2可知，每个分区所用O文件个数都不会超过60个，满足GAMIT软件解算对O文件的个数要求，在窗口数为9~15区间时，解算用时主要集中在50~60 min，且均能正常解算，解算完整性良好。

在云主机上解得的基线文件进行网平差结果记为成果1，利用项目中解算好的基线文件进行网平差结果记为成果2，2者进行比较得出互差统计结果如表3所示。

解算结果各方向互差最大不超过1 mm，分析产生互差的原因主要可能因为所用的维也纳映射函数VMF1有区别（VMF1模型的系数是据实测气象资料求得，有34 h延迟，因此不同年积日的函数模型会有区别）。该模型被认为是目前精度最高、可靠性最好的投影函数，主要用于估计大气状况，是进行精密单点定位的重要模型。

表3 互差统计 mm

2.3 云主机效能分析

2.3.1 云主机窗口数对解算时长的影响

选取新疆第1分区的年积日第70~89天原始数据进行解算，窗口数为1则只用第70天的数据，窗口数为2则用第70、71天的数据，以此类推。这20 d的数据每天包含O文件个数如图2所示。分别用本地PC机与云主机进行解算用时测试，测试结果如图3所示。

图2 O文件个数

由于本地机在窗口开到12个及以上时，会出现卡顿情况，所以本地机只窗口最大用了15个。由图3可知：当窗口数在6个及以下时，本地PC机用时优于云主机，且随着窗口数增加，2者时间差距逐渐缩小；当窗口数在7个及以上时，云主机的解算效率优于本地PC机，且窗口数越多，2者解算用时逐渐拉开；在本地机用10个窗口解算用时和云主机20个窗口解算用时相当，优势明显。由图3中可以看出具体的趋势变化情况。

图3 本地机与云主机解算用时

2.3.2 O文件个数对解算时长的影响

测试中，将甘肃省用9个窗口，新疆维吾尔自治区用12个窗口，青海省、西藏西藏自治区和四川省用15个窗口进行数据解算，每个分区31 d数据的平均每天O文件个数和实际用时如表4所示。

表4 云主机解算用时

由表4可知，当窗口数为9时，解算甘肃-3、甘肃-2、甘肃-1分区所用的O文件个数分别为44、46、49，实际解算用时为39、48、59，即当窗口数一定，O文件个数越多，云主机解算用时越长。为了更直观地看到用时变化，详见图4。

图4 不同O文件个数和窗口数对解算用时影响

2.3.3 云主机在99个O文件下运行情况

GAMIT软件所能计算的1个文件夹下最多放置99个O文件。选取新疆1分区和2分区的观测文件，2个分区合并为1个分区，并把每天都存放成99个O文件，测试时1个窗口解算1 d的数据，分别对本地PC机和云主机进行测试，测试结果如表5和图5所示。

表5 本地机与云主机解算用时

由表5可知：云主机在5个及以下窗口进行数据解算的时候，解算用时高于本地用时；当窗口数为8个时，云主机仅用6 h就可以完成解算，解算用时比本地机提升2 h，效率提升27.16 %；当窗口数为15个时，云主机用时为8 h，优于本地机8个窗口解算30 min。云主机在同时计算多个窗口（6个及以上）的时候，优势逐渐体现出来，且同时计算的窗口数越多，优势越明显，详见图5。

图5 本地机与云主机解算用时

3 结束语

云计算具有较大的存储能力和大数据基础，是1种综合性较强的计算机技术。本文通过搭建的GNSS网数据处理云计算平台，经过测试验证系统运行稳定，计算结果正确可靠。通过云主机与本地PC机的对比实验，得出一些结论：

1）云主机在用6个及以上的窗口进行解算时，解算用时优于本地PC机，且随着窗口数逐渐增多，效率提升越明显；云主机在用小于6个终端窗口解算时，解算效率低于本地机，对于解算一些小项目不太适用。

2）在所开窗口数一定时，O文件个数越多（即需要解算的数据量越大），云主机解算用时越长。

3）云主机可以满足GAMIT软件运行的需求，且在O文件个数达到软件最大荷载量时仍可以稳定运行，且在多个窗口解算时用时优于本地机。

4）受CPU核数与内存的影响，当云主机窗口打开到16个及以上时，窗口有时会出现自动最小化的现象；打开的窗口越多，云主机运行越慢，因此需要根据不同的需求适时调整云主机的硬件性能。

[1] 陈明, 张鹏, 武军郦, 等. 卫星导航定位基准站标准体系构建分析[J]. 测绘通报, 2018(10): 92-95, 120.

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[3] 梁洪宝, 申星, 刘雪龙. 参考框架的精化对GPS时间序列的影响与分析[J]. 测绘通报, 2016(8): 15-19.

[4] CETIN S, AYDIN C, DOGAN U. Comparing GPS positioning errors derived from GAMIT/GLOBK and Bernese GNSS software packages: a case study in CORS-TR in Turkey[J]. Survey Review, 2018, 32(4): 1-11.

[5] 彭涛. 云计算技术在计算机数据处理中的应用分析[J]. 数字化用户, 2018, 24(52): 28-30.

[6] 李海燕, 欧晓勇. 云计算技术在计算机数据处理中的应用分析与发展策略[J]. 激光杂志, 2017, 38(4): 80-84.

[7] 张淑兰. 云计算技术在计算机数据处理中的应用[J]. 黑龙江科学, 2018, 9(13): 144-145.

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[9] 杨依霖. 大数据云计算技术及其应用[J]. 信息与电脑(理论版), 2018(11): 12-14.

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Application of cloud computing technology in large-scale reference station network

CHEN Xiongchuan, CHENG Chuanlu, JIANG Guangwei, MA Xinying, LI Kang, SUN Yangyang

（Geodetic Data Processing Centre of Ministry of Natural Resources, Xi’an 710054, China）

Aiming at the problem that the storage and calculation efficiency of conventional personal computer (PC) is low, which cannot meet the requirement of high-efficient data calculation of large-scale GNSS reference station network, the paper proposed to use cloud computing technology to implement the calculation: cloud computing technology was adopted to build a computing platform, and GAMIT/GLOBK software system were installed to process the data of large-scale GNSS reference station network, then comparative analysis between cloud computing and PC was carried out. Result showed that: when there are more than six tasks on cloud computing platform simultaneously, the efficiency would be obviously better than that of PC, and the performance could improve significantly with the increase of the number of tasks; when the number of files opened by the software reaches the maximum load, the cloud computing platform could be still stable in normal operation, with correct and reliable calculation results.

cloud computing technology; personal computer (PC); cloud computing platform; GAMIT/GLOBK; large-scale global navigation satellite system (GNSS) reference station network

P228

A

2095-4999(2020)02-0026-05

陈雄川，程传录，蒋光伟，等. 云计算技术在大规模基准站网中的应用[J]. 导航定位学报, 2020, 8(2): 26-30. （CHEN Xiongchuan, CHENG Chuanlu, JIANG Guangwei, et al. Application of cloud computing technology in large-scale reference station network[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2020, 8(2): 26-30.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20200205.

2019-08-23

国家自然科学基金项目（41574003, 41774004, 41904040）；科技基础性工作专项重点项目（2015FY210400）。

陈雄川（1992—），男，河北保定人，硕士，助理工程师，研究方向为卫星导航与定位。