多系统GNSS并行精密数据处理关键技术研究

蒋春华

辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院，辽宁 阜新 123000

GNSS精密数据处理是高精度GNSS大地测量及工程应用的关键。为实现多系统GNSS大规模、高精度、高效率数据处理，论文围绕GNSS并行精密数据处理关键技术展开研究，将MPI、OpenMP、Pthread并行技术与GNSS精密定轨与钟差确定、大规模精密位置解算及GNSS大气参数提取与建模等算法进行深度融合，并基于计算机集群平台予以设计和实现。论文主要研究成果和创新点如下：

(1)研究了拉格朗日/高斯无奇点卫星运动方程。针对卫星轨道理论中的奇点问题，对拉格朗日/高斯无奇点卫星运动方程进行深入的分析和研究，从拉格朗日和高斯运动原始方程及其物理意义出发，考虑圆轨道、圆赤道轨道和赤道轨道3种奇点情况，推导了一种全新的拉格朗日/高斯无奇点卫星运动方程。该方程完全消除了零因子，并具有连续性。

(2)研究多系统GNSS轨道与钟差并行处理方法。一方面，提出多系统GNSS精密轨道与钟差并行确定方法。分析不同线程数、进程数、测站数以及多系统下并行算法的效率和适用性。结果表明：多进程/多线程混合并行方法采用线程数越多、进程数越多，加速比越大。并行方法对多测站和多系统的定轨和钟差估计效率提升更具优势。保障精度前提下，四系统精密定轨计算效率提高约30%，四系统钟差估计效率提高约59%。另一方面，提出一种多时段混合并行超快速轨道高效确定新方法。推导MPI分时段法方程叠加与OpenMP并行消参计算公式，并实现GNSS超快速轨道并行确定方法。研究表明，论文方法能够将轨道更新频率从6 h提高到1 h；论文方法预报轨道结果比传统结果提高约30%；与国际同类轨道相比，论文方法预报轨道具有较高的精度和稳定性，GPS、GLONASS、Galileo和BDS轨道1D RMS分别为3.21、5.08、5.56及11.83 cm。

(3)研究了融合MPI技术与等价性理论的测站坐标并行计算方法。推导了协因数阵、等价消参及等价并行化的基本原理与算法，设计核心处理流程并予以实现。精度和效率分析结果表明，该算法在应用中能够有效消去待估参数且精度损失可以忽略不计；该算法效率提升高达56%；该算法比传统串行算法及高斯约旦并行算法具有更高计算效率，且随着计算规模增大其优势更明显；该算法在集群环境具有适用性，且所用节点越多计算效率越高。

(4)研究了GNSS大规模事后及实时并行处理方法。一方面，基于MPI/OpenMP，设计并实现一种GNSS事后大规模站坐标混合并行解算方法。通过实测数据验证了其高效性。另一方面，基于Pthread多线程，设计并实现GNSS实时大规模站坐标并行解算方法。在MPI与Perl编程技术辅助下，基于实时数据流，实现了1500个参考站的实时位置多线程并行解算。

(5)研究了对流层参数并行解算方法，并建立顾及天周期信号的1°×1°中国对流层格网模型。基于ERA5提取1 h时间分辨率ZTD，构建一种顾及天周期变化信息的高时空分辨率对流层格网模型。精度评估结果表明，该模型在中国西北部地区比东南部地区精度高，与GPT2w模型以及其他低时间分辨率模型相比，该模型具有更高精度。此外，分析了ERA5提取的ZTD在中国区域精度及其时空分布特征，为中国高精度对流层及水汽等参数计算提供了参考。

(6)研究了GNSS电离层模型并行构建方法。采用并行计算方法对电离层TEC提取和模型解算进行优化。在保障精度前提下，分析不同计算策略效率的优势。结果表明，并行计算能显著提高GNSS电离层建模效率；与串行方案、多进程方案和多线程方案相比，混合并行计算策略效率提升最为明显。