全球电离层模型的OpenMP多线程并行解算

探讨了OpenMP多线程技术在全球电离层建模中的应用。在日固地磁参考系下采用15阶次的球谐展开建立全球电离层模型,并对1天解、3天解两种方案的结果与IGS电离层产品进行了对比,电离层图偏差的均方根约3~5 TECU,且3天解的方案首尾两组电离层图与IGS产品符合得更好;卫星差分码偏差和接收机差分码偏差与IGS的差异分别约为0.2 ns和2 ns,仅有少数几个接收机差分码偏差在少数几天与IGS差异较大,超过3~4 ns。实验中使用Dell服务器R730（配置:128 GB内存、2个CPU、8个核心和32个线程数）,采用OpenMP多线程并行计算能够明显提高全球电离层模型的建模效率,单天解算仅需约7 min,3天解算需约22 min,效率提升近8倍。使用3 d观测数据并采用OpenMP多线程并行计算来建立全球电离层模型可有效节省建模时间,同时还能提高首尾两组模型系数的精度以进一步提升全球电离层模型的精度,对建模算法的测试、电离层产品的快速发布以及模型后续检验和预测等带来了便利,也为后续实现利用多卫星导航系统观测数据快速建立全球电离层模型提供了参考。     

附有国际参考电离层约束的全球电离层模型

提出利用国际参考电离层附加虚拟观测值对总电子含量值为负数的地区、赤道异常区域和南半球区域电离层进行约束,在日固地磁参考系下采用15阶次的球谐展开建立全球电离层模型,解算得单位权中误差约为1.6TECU,残差绝对值小于3TECU的比例达90%以上,且全球电离层图与IGS电离层工作组的电离层产品精度相当,偏差RMS约为3.7TECU,卫星差分码偏差与欧洲定轨中心相比优于0.1ns,与IGS相比优于0.2ns,接收机差分码偏差与欧洲定轨中心相比优于1ns(大部分优于0.5ns),与IGS相比优于1.5ns。实验结果表明,附有国际参考电离层约束的全球电离层模型确保了全球各个地区的电离层总电子含量为正值,且有效提高了全球电离层模型在赤道异常区域、海洋地区和南半球的精度。     

基于超算的全球电离层模型快速并行解算

为应对日益丰富的观测数据以及数据再处理对高性能计算的需求,开发了基于OpenMP以及MPI（Message Passing Interface）并行计算的全球电离层快速建模算法。采用武汉大学超级计算机对全球电离层建模效率进行了不同并行计算方案的实验。结果表明,采用多节点MPI并行计算能够极大地提高数据处理效率,相比传统单节点串行计算提高了近30倍,相比单节点OpenMP并行计算提高了近3~4倍。MPI并行计算方案充分利用了丰富的计算机资源来提高全球电离层建模效率,对电离层建模算法的快速测试、产品的重新再处理具有重要作用,对多系统全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）快速精密定轨、大规模GNSS网解也有较好的参考价值。     

iGMAS全球电离层TEC格网产品精度分析

为了分析与评估国际GNSS监测评估系统(iGMAS)全球电离层TEC格网产品精度,该文基于iGMAS及IGS各电离层分析中心发布的全球电离层TEC格网产品,进行了精度比较分析,结果表明:iGMAS与IGS、CODE、JPL、ESOC、UPC等IGS电离层工作组发布的全球电离层TEC格网产品,在全球、不同纬度带和欧洲等不同区域均表现出较高的一致性和强相关性,互差为0~2.0 TECU;JPL分析中心GIM的内符合精度约为2.5 TECU,iGMAS、IGS、CODE、ESOC和UPC等分析中心GIM的内符合精度均小于1.5 TECU;在2~8 TECU的精度范围内,iGMAS全球电离层TEC格网产品的精度总体与IGS、CODE、JPL、ESOC、UPC等IGS电离层工作组的精度相当。     

基于原始观测值的单频精密单点定位算法

研究了一种基于GPS原始观测值的单频PPP算法。该算法通过增加电离层延迟先验信息、空间和时间约束的虚拟观测方程,将电离层延迟当作未知参数与其他定位参数一并进行估计来高效修正电离层延迟误差。通过使用全球178个IGS站1d的实测数据对本算法的收敛速度、定位精度和电离层VTEC的精度进行检验与分析。结果表明,该算法的收敛速度和稳定性均得到了改善,其静态单频单天PPP解的精度可达2~3cm、模拟动态单频单天PPP解的精度可达2~3dm,并且单频PPP与双频PPP提取的电离层总电子含量平均偏差小于5个TECU,可作为一种附属定位产品使用。     

山东区域电离层模型的建立及精度评估

针对电离层延迟改正对单频接收机用户带来误差较大的问题,该文基于球谐函数借助山东区域CORS双频观测数据建立山东区域电离层模型,并对硬件延迟偏差(DCB)和电子含量进行可靠性、稳定性分析,进一步使用单频精密单点定位(PPP)验证山东区域电离层模型的有效性。实验结果表明:测站DCB解算精度稳定在0.4ns内,解算卫星DCB与欧洲定轨中心(CODE)的偏差总体稳定在0.5ns内,区域电离层模型与CODE解算VTEC差值的均方根为1.22TECU,STD为0.93TECU,对山东区域单频PPP而言,山东区域电离层模型比CODE发布全球电离层模型在N、E、U方向精度明显提高。同时,建立的山东区域电离层模型从时间分辨率、空间分辨率上均优于CODE中心发布全球电离层模型。     

全球电离层模型的分布式并行解算

为满足GNSS数据处理效率不断提升的需求,提出并开发了一套分布式并行计算框架,并基于该框架实现了全球电离层模型的分布式并行解算。采用2台服务器和4台台式机,对全球电离层建模分别测试了单机多线程、多机分布式等并行计算方案,并分析了不同方案建模的数据处理效率。结果表明,采用多线程并行计算可以大幅提高数据处理效率,且当开启线程数与计算机CPU核心数一致时效率提升最佳;采用多机分布式并行计算可进一步提高数据处理效率,使用4台台式机相对于单台台式机解算时间减少约60%,使用2台服务器相对于单台服务器解算时间减少约18%;采用分布式并行计算方案,可充分利用多台计算机资源来提高全球电离层建模效率,对电离层产品快速发布、建模算法的测试等具有重要的意义,对多系统GNSS精密定轨与定位、大网解算也具有很好的参考价值。     

随机模型对北斗DCB估计和电离层建模的影响

差分码偏差(DCB)作为电离层建模和导航定位中一项重要的误差源,对其进行估计求解至关重要. 为提高北斗卫星导航系统(BDS) DCB估计和电离层建模精度,提出了一种综合高度角、卫地距和测站纬度多因素的随机模型,并对比分析了不同随机模型对BDS DCB估计和电离层垂直总电子含量(VTEC)建模精度的影响. 结果表明:不同随机模型对卫星端DCB解算产生约0.2 ns差异. 相较于高度角随机模型,采用高度角、卫地距组合模型测站DCB估计精度平均提高0.13 ns,电离层建模精度提高了约0.2 TECU. 新提出的随机模型,在低纬度测站DCB解算精度上差于高度角模型和高度角、卫地距组合模型,但在高纬度测站DCB解算结果上更优,且对电离层VTEC建模精度提升效果明显,与前两种随机模型相比分别提升了0.88 TECU和0.68 TECU.      

层析反演与神经网络方法在电离层建模及预报中的应用

将香港地区某天由电离层层析反演得到的电子密度值分成6组,利用神经网络方法对该6组数据分别进行了拟合建模及预报。实验结果表明,采用电离层层析技术并经神经网络模型预报得出的电子密度值精度明显高于由IRI2007模型提供的电子密度值,其预报的30min及60min的电子密度值精度可分别达到0.45TECU和1.34TECU。     

Galileo卫星导航系统电离层全球建模及其性能分析

为全面分析和评估Galileo电离层全球建模和卫星差分码偏差的精度，该文选取全球364个GNSS观测站，利用15阶球谐函数构造高精度的电离层格网模型，并以CODE发布的电离层产品为基准，将其与该文建立的电离层网格模型按照不同纬度进行验证和分析。此外，该文将计算的差分码偏差与现有偏差产品进行对比分析。实验结果表明，Galileo建立的电离层模型在平静日状态下与CODE的平均偏差在2 TECU以内、均方根误差在3 TECU以内；在活跃日状态下的结果与CODE的平均偏差在3 TECU以内、RMSE在4 TECU以内。解算的卫星差分码偏差与现有偏差产品进行对比分析的结果表明，平静日的偏差在0.1 ns以内，活跃日的偏差在0.2 ns以内，两种状态下的STD均在0.1 ns以内。所以，采用Galileo进行电离层建模可以精确表现电离层。     

Single-frequency single-site VTEC retrieval using the NeQuick2 ray tracer for obliquity factor determination

A single-frequency single-site GPS/Galileo algorithm for retrieval of absolute total electron content is implemented. A single-layer approximation of the ionosphere is used for data modeling. In addition to a standard mapping function, the NeQuick model (version 2) of the ionosphere is now applied to derive improved mapping functions. This model is very attractive for this purpose, because it implements a ray tracer. We compare the new algorithm with the old one using an effective global height of the ionosphere of 450 km. Combined IGS IONEX gridded data sets serve as reference data. On global average, we find a small improvement of 1 % in precision (standard deviation) of the NeQuick2 mapping method versus the conventional approach on global average. A site-by-site comparison indicates an improvement in the precision for 34 % of the 44 sites under investigation. The level of improvement for these stations is 0.5 TECU on average. No improvement was observed for 41 % of the sites. Further comparisons of the single (code ranges and carrier phases) versus dual-frequency (carrier phases only) single site algorithm show that dual-frequency VTEC estimation is more accurate for the majority of the stations, but only in the range of 0.3 TECU (2.6 %) in average.     

GPU并行区域网平差

为了进一步解决大数据量带来的平差效率低下的问题,引入GPU并行计算技术,同时使用预条件共轭梯度法以及不精确牛顿解法求解区域网平差过程中的法方程,构建了适用于GPU并行计算的全新的区域网平差技术流程。本文方法避免了存储法方程系数矩阵,而是在需要的时候实时的计算该矩阵,使得本文算法相较于传统的算法所需的计算机内存空间大幅减少(仅需要存储平差原始数据即可),平差计算速度明显提升,同时计算精度与传统方法相当。初步试验证明,本文的方法在普通电脑上仅需要约1.5min即可完成对4500张影像、近900万像点数据的平差计算,且计算精度达到子像素级。     

利用最小二乘直接法反演卫星重力场模型的MPI并行算法

针对海量卫星重力数据反演高阶次地球重力场模型的密集型计算任务与高内存耗用问题,基于MPI实现了最小二乘直接法恢复高阶次位系数的并行算法。引入并行读写、分块存储与分块计算等方式完成了设计矩阵的构建、法方程的形成与求解等密集型计算任务的并行算法,数值计算结果表明三者的并行相对效率峰值可分别达到95%、68%、63%。利用GOCE轨道跟踪和径向扰动重力梯度数据(共518 400个历元)分别反演了120、240阶次地球重力场模型,计算时间仅为40 min、7 h,内存耗用峰值仅为290 MB、1.57 GB;采用与GOCE同等噪声水平的观测数据恢复的重力场模型精度与GOCE已发布模型的解算精度相一致,联合GRACE和GOCE的解算模型能够实现二者独立信息的频谱互补,表明本文方法可高效稳定地恢复高阶次地球重力场模型。     

基于FPGA的P-H法星上解算卫星相对姿态

针对目前星上遥感图像实时处理只能实现低级别算法的情况,提出了基于现场可编程门阵列（field-programmable gate array,FPGA）的P-H法星上相对姿态实时解算模型。该模型不仅避免了传统基于欧拉角的复杂三角函数计算与初值估算,还降低了迭代次数。试验选用FPGA（V7 xc7vx1140t）作为实时解算的硬件平台。在FPGA实现中,采用64位的浮点数据结构和串行/并行相结合策略;并采用LU（Lower-Upper）分解-分块算法实现矩阵求逆。试验结果表明,该模型的迭代次数比基于欧拉角的少了13次。该模型在FPGA和计算机的实现结果相差仅为5.0×10-14,加速度比为10。另外,该模型可广泛适用于实时性要求高的图像处理领域。     

ParSymG: a parallel clustering approach for unsupervised classification of remotely sensed imagery

ABSTRACT

Symmetry is a common feature in the real world. It may be used to improve a classification by using the point symmetry-based distance as a measure of clustering. However, it is time consuming to calculate the point symmetry-based distance. Although an efficient parallel point symmetry-based K-means algorithm (ParSym) has been propsed to overcome this limitation, ParSym may get stuck in sub-optimal solutions due to the K-means technique it used. In this study, we proposed a novel parallel point symmetry-based genetic clustering (ParSymG) algorithm for unsupervised classification. The genetic algorithm was introduced to overcome the sub-optimization problem caused by inappropriate selection of initial centroids in ParSym. A message passing interface (MPI) was used to implement the distributed master–slave paradigm. To make the algorithm more time-efficient, a three-phase speedup strategy was adopted for population initialization, image partition, and kd-tree structure-based nearest neighbor searching. The advantages of ParSymG over existing ParSym and parallel K-means (PKM) alogithms were demonstrated through case studies using three different types of remotely sensed images. Results in speedup and time gain proved the excellent scalability of the ParSymG algorithm.     

电离层延迟变化自模型化的载波相位平滑伪距算法

传统的单频载波相位平滑伪距算法因受到电离层延迟变化的影响，容易出现平滑结果发散和精度下降的问题，而现有的解决方案对精度提高有限或需要外部精密电离层改正数据的支持。本文研究了电离层的变化规律并建立回归模型，在此基础上提出了一种自模型化电离层延迟变化的单频载波相位平滑伪距算法。此算法利用伪距和载波观测量中含有的电离层延迟信息进行电离层延迟建模，从平滑伪距中扣除了历元间电离层延迟变化值，有效避免了平滑伪距的发散问题。利用自编软件GNSSer实现了电离层自模型化的载波平滑伪距算法，并采用静态与动态实测观测数据进行了定位试验和精度分析。算例结果表明：①长时段常规Hatch滤波受电离层影响非常严重；②自模型化电离层延迟可达厘米级的精度，在30 min窗口内，使用线性移动开窗拟合法效果最佳；③自模型化电离层改正可以有效消除平滑伪距电离层影响，随着时段窗口的增加，精度没有降低；④利用本文提出的算法进行逐历元单频平滑伪距单点定位，在静态与动态的NEU方向都达到了亚分米级别的定位精度，其中，动态定位测试中水平和高程方向精度为6.25和10.4 cm，比原始伪距分别提高了5.4倍和3.3倍。     

不同Klobuchar模型参数的性能比较

对于GPS单频用户而言,电离层延迟是最重要的误差来源之一。GPS系统使用Klobuchar模型对电离层延迟进行改正,其改正数从370组常数中选取。目前全球分布的GPS测站可以获得高精度的全球电离层监测结果,GPS为什么不发播采用实测数据计算得到的Klobuchar模型参数呢？本文针对这一问题进行分析。首先对欧洲定轨中心CODE提供的全球电离层图GIM预报COPG电离层进行精度评估,然后根据COPG电离层进行Klobuchar模型参数拟合并利用IGS提供的事后高精度电离层图进行精度分析,最后将不同的电离层模型参数应用于单点定位以评估其对单频用户的影响。分析结果表明：受8参数的Klobuchar模型本身结构限制,采用全球实测数据计算的电离层模型参数与导航电文中发播的电离层模型精度相当,为55%左右。而仅采用地磁纬度45oS以北的数据拟合得到的模型参数,其电离层改正精度有明显提升,可达65%左右,但其对单频用户定位精度改善不明显。本文研究结果为我国全球电离层建模提供参考。