蔣春華

遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000

GNSS精密數(shù)據(jù)處理是高精度GNSS大地測(cè)量及工程應(yīng)用的關(guān)鍵。為實(shí)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(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究，將MPI、OpenMP、Pthread并行技術(shù)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(jìn)行深度融合，并基于計(jì)算機(jī)集群平臺(tái)予以設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。論文主要研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)如下：

(1)研究了拉格朗日/高斯無(wú)奇點(diǎn)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方程。針對(duì)衛(wèi)星軌道理論中的奇點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)拉格朗日/高斯無(wú)奇點(diǎn)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行深入的分析和研究，從拉格朗日和高斯運(yùn)動(dòng)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(diǎn)情況，推導(dǎo)了一種全新的拉格朗日/高斯無(wú)奇點(diǎn)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)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(jìn)程數(shù)、測(cè)站數(shù)以及多系統(tǒng)下并行算法的效率和適用性。結(jié)果表明：多進(jìn)程/多線程混合并行方法采用線程數(shù)越多、進(jìn)程數(shù)越多，加速比越大。并行方法對(duì)多測(cè)站和多系統(tǒng)的定軌和鐘差估計(jì)效率提升更具優(yōu)勢(shì)。保障精度前提下，四系統(tǒng)精密定軌計(jì)算效率提高約30%，四系統(tǒng)鐘差估計(jì)效率提高約59%。另一方面，提出一種多時(shí)段混合并行超快速軌道高效確定新方法。推導(dǎo)MPI分時(shí)段法方程疊加與OpenMP并行消參計(jì)算公式，并實(shí)現(xiàn)GNSS超快速軌道并行確定方法。研究表明，論文方法能夠?qū)④壍栏骂l率從6 h提高到1 h；論文方法預(yù)報(bào)軌道結(jié)果比傳統(tǒng)結(jié)果提高約30%；與國(guó)際同類軌道相比，論文方法預(yù)報(bào)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(shù)與等價(jià)性理論的測(cè)站坐標(biāo)并行計(jì)算方法。推導(dǎo)了協(xié)因數(shù)陣、等價(jià)消參及等價(jià)并行化的基本原理與算法，設(shè)計(jì)核心處理流程并予以實(shí)現(xiàn)。精度和效率分析結(jié)果表明，該算法在應(yīng)用中能夠有效消去待估參數(shù)且精度損失可以忽略不計(jì)；該算法效率提升高達(dá)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(jì)算效率，且隨著計(jì)算規(guī)模增大其優(yōu)勢(shì)更明顯；該算法在集群環(huán)境具有適用性，且所用節(jié)點(diǎn)越多計(jì)算效率越高。

(4)研究了GNSS大規(guī)模事后及實(shí)時(shí)并行處理方法。一方面，基于MPI/OpenMP，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種GNSS事后大規(guī)模站坐標(biāo)混合并行解算方法。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其高效性。另一方面，基于Pthread多線程，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)GNSS實(shí)時(shí)大規(guī)模站坐標(biāo)并行解算方法。在MPI與Perl編程技術(shù)輔助下，基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)了1500個(gè)參考站的實(shí)時(shí)位置多線程并行解算。

(5)研究了對(duì)流層參數(shù)并行解算方法，并建立顧及天周期信號(hào)的1°×1°中國(guó)對(duì)流層格網(wǎng)模型。基于ERA5提取1 h時(shí)間分辨率ZTD，構(gòu)建一種顧及天周期變化信息的高時(shí)空分辨率對(duì)流層格網(wǎng)模型。精度評(píng)估結(jié)果表明，該模型在中國(guó)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(shí)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(guó)區(qū)域精度及其時(shí)空分布特征，為中國(guó)高精度對(duì)流層及水汽等參數(shù)計(jì)算提供了參考。

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