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《測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報》2015年第五期

摘要:

基于精密單點定位技術(shù)的非差模式是當(dāng)前gnss數(shù)據(jù)處理的主要策略之一。隨著測站規(guī)模的增大，非差模式的處理時間也線性遞增，傳統(tǒng)的串行處理方法需消耗大量的計算時間。采用工廠模式和責(zé)任鏈模式實現(xiàn)了非差精密單點定位；利用輕量級的并行編程技術(shù)從底層設(shè)計并實現(xiàn)了基于任務(wù)的非差多核并行解算；進(jìn)一步在網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點環(huán)境中建立并非差計算服務(wù)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點協(xié)同并行解算GNSS數(shù)據(jù)。通過大量數(shù)據(jù)的測試與試驗，驗證了多核多節(jié)點的非差并行解算方案的高效性。試驗結(jié)果表明，單節(jié)點多核并行、雙節(jié)點網(wǎng)絡(luò)并行、四節(jié)點網(wǎng)絡(luò)并行、六節(jié)點網(wǎng)絡(luò)并行的計算效率分別比單節(jié)點串行方案平均提高了2.74，5.30，9.38和14.69倍。

關(guān)鍵詞:

多核多節(jié)點；非差模式；大型GNSS網(wǎng)；并行計算；工廠設(shè)計模式；任務(wù)并行庫

大型GNSS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的快速處理，特別是實時數(shù)據(jù)處理的相關(guān)理論研究及應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注與重視[14]。基于基線網(wǎng)解的雙差法和基于精密單點定位技術(shù)的非差法，是GNSS數(shù)據(jù)的兩種主要處理策略。雙差網(wǎng)解法的計算時間隨數(shù)據(jù)規(guī)模的增加而呈幾何量級增加，難以滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)快速處理需求[56]。而非差法的計算時間呈線性增加，逐漸成為GNSS大網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的新趨勢[3]。隨著網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了以網(wǎng)格計算與云計算等為代表的新型網(wǎng)絡(luò)計算平臺，利用網(wǎng)絡(luò)中多臺計算機(jī)建立一個并行、分布的計算平臺成為大規(guī)模測量數(shù)據(jù)處理的首選方法[712]。傳統(tǒng)的GNSS數(shù)據(jù)處理程序多是針對單處理器體系架構(gòu)編寫的串行模式，對當(dāng)前數(shù)據(jù)處理的硬件平臺性能的利用效率很低。這里著重研究了如何在多核多節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)計算環(huán)境下，采用非差模式對GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行快速解算。

1非差精密單點定位的設(shè)計及實現(xiàn)

非差精密單點定位技術(shù)以高精度的衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品作為空間參考框架的接口，利用單臺接收機(jī)獲得的GNSS載波和偽距觀測量解算出測站的高精度坐標(biāo)[5]。其數(shù)據(jù)處理流程一般包括，文件讀取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、誤差改正、參數(shù)估計和結(jié)果分析與輸出等5個模塊。在Gnsser軟件[13]平臺上采用工廠設(shè)計模式和責(zé)任鏈設(shè)計模式對該流程進(jìn)行設(shè)計并實現(xiàn)，如圖1所示。在非差工廠模式中，將當(dāng)前歷元的觀測信息作為一個原料，通過生產(chǎn)加工得到當(dāng)前歷元產(chǎn)品。更新當(dāng)前歷元產(chǎn)品信息，不斷循環(huán)生產(chǎn)，直到所有的歷元原料處理完畢，生成最終的結(jié)果文件。核心的生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)主要采用責(zé)任鏈模式實現(xiàn)。在圖1中，文件讀取模塊實現(xiàn)對相關(guān)數(shù)據(jù)文件的讀取，包括觀測數(shù)據(jù)(.O)、精密星歷與鐘差產(chǎn)品(.sp3、.clk)、天線信息(.atx)、地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)品(.erp)、碼偏差信息(.DCB)和海潮信息(.BLQ)等，并檢核文件的日期、測站名及文件類型等信息是否匹配。

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊包括原料檢核責(zé)任鏈、周跳探測責(zé)任鏈、衛(wèi)星信息處理器和衛(wèi)星過濾責(zé)任鏈等。其中原料檢核責(zé)任鏈包含觀測值類型、有效衛(wèi)星數(shù)量、觀測時間和觀測值大小等多種檢核類；周跳探測責(zé)任鏈實現(xiàn)了高次差法、MW法等多種周跳探測方法；衛(wèi)星處理器是利用精密星歷和鐘差產(chǎn)品計算信號發(fā)射時刻的衛(wèi)星坐標(biāo)、鐘差，根據(jù)站星坐標(biāo)計算高度角、方位角等信息；衛(wèi)星過濾器則是根據(jù)衛(wèi)星高度截止角、衛(wèi)星健康狀態(tài)等信息，剔除不可用衛(wèi)星。誤差改正模塊負(fù)責(zé)對各種誤差源進(jìn)行精確的改正，由模型改正責(zé)任鏈和觀測值改正責(zé)任鏈組成。其中模型改正責(zé)任鏈加載的是所有通過模型對觀測值進(jìn)行改正的類，如對流層改正、固體潮改正、海潮改正、衛(wèi)星與接收機(jī)的天線相位中心改正、相位纏繞改正和相對論改正等；觀測值改正責(zé)任鏈加載的是通過外部文件對觀測值直接進(jìn)行改正的類，如DCB改正等。采用責(zé)任鏈的設(shè)計模式使得軟件代碼具有良好的維護(hù)性和重構(gòu)性，便于模塊化管理。如對流層改正通過接口定義實現(xiàn)了多種供責(zé)任鏈選擇的模型改正類，包括Neill模型、VMF1模型和GMF模型等。參數(shù)估計模塊包括平差矩陣生成器和平差處理器。其中平差矩陣生成器通過先驗信息和當(dāng)前歷元的觀測信息，生成系數(shù)矩陣、常數(shù)項、權(quán)陣等；平差處理器提供多種參數(shù)估計方法，如Kalman濾波、序貫最小二乘等。分析與輸出模塊中的產(chǎn)品檢核責(zé)任鏈負(fù)責(zé)對當(dāng)前歷元產(chǎn)品進(jìn)行精度評價、殘差分析以及參數(shù)更新等，最終輸出當(dāng)前任務(wù)的計算結(jié)果。按照上述流程在VisualStudio2013平臺上采用C＃編程語言實現(xiàn)了非差精密單點定位功能。通過大量GPS數(shù)據(jù)對軟件的定位精度與穩(wěn)定性進(jìn)行了測試，具體的參數(shù)模型設(shè)置與精度分析詳見3.2節(jié)。

2非差精密單點定位的并行設(shè)計與實現(xiàn)

2.1非差精密單點定位的多核并行計算當(dāng)前CPU進(jìn)入“多核時代”，采用并行計算模式能提高GNSS數(shù)據(jù)處理效率和硬件平臺的利用效率[810]。多線程并行程序的調(diào)試非常復(fù)雜，開發(fā)適應(yīng)于多核環(huán)境的并行計算程序的難度遠(yuǎn)高于同樣功能的單線程程序，微軟的.NET4并行擴(kuò)展有效降低了在.NET平臺上開發(fā)并行計算程序的難度，基于任務(wù)的并行庫TPL負(fù)責(zé)并行計算任務(wù)的分派工作，提升了并行開發(fā)效率[14]。采用該任務(wù)庫，在Gnsser軟件上進(jìn)一步設(shè)計并開發(fā)了基于任務(wù)的非差多核并行計算功能，其設(shè)計流程如圖2所示。在圖2中，由于n個觀測文件的非差計算具有良好并行特征，因此將每個觀測文件的非差計算設(shè)計為一個計算任務(wù)，采用TPL提供的輕量級并發(fā)模型將多個非差任務(wù)按照箭頭流程進(jìn)行并行處理。首先，多個非差任務(wù)并行進(jìn)行初檢核，加載精密星歷等其他輔助文件；然后所有非差計算任務(wù)并行調(diào)用圖1已設(shè)計的責(zé)任鏈和處理器對當(dāng)前歷元進(jìn)行處理，并行分析與輸出計算結(jié)果；最后對所有任務(wù)的結(jié)果進(jìn)行輸出保存。由于多個線程同時處理，并發(fā)性的數(shù)據(jù)訪問和計算可能導(dǎo)致不可預(yù)知的結(jié)果。對于一次只能允許一個任務(wù)訪問的臨界區(qū)，如圖2中的虛線框所示的文件信息讀取、精密星歷插值計算、隨機(jī)模型獲取、結(jié)果文件保存等，如果多個任務(wù)并發(fā)訪問這些臨界區(qū)將會導(dǎo)致錯誤結(jié)果。因此，使用互斥鎖(lock)提供的對象同步訪問機(jī)制，建立了文件鎖、星歷鎖和隨機(jī)模型鎖等互斥鎖，使得同步并發(fā)過程只能逐一訪問這些臨界區(qū)。只有當(dāng)某個任務(wù)獲得了鎖，才對該任務(wù)執(zhí)行臨界區(qū)的代碼，抑制其他任務(wù)對象的并行訪問。

2.2非差精密單點定位的網(wǎng)絡(luò)并行計算利用網(wǎng)絡(luò)連接多臺計算機(jī)構(gòu)成的分布式計算環(huán)境，為GNSS數(shù)據(jù)處理提供了新的硬件平臺。通過采用開放的協(xié)議和一致的接口編程可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點協(xié)同處理GNSS數(shù)據(jù)。WCF技術(shù)整合了.NET平臺下所有與分布式系統(tǒng)有關(guān)的技術(shù)，具有跨平臺、安全可信賴和面向服務(wù)架構(gòu)等特征。采用WCF技術(shù)建立并非差網(wǎng)絡(luò)技術(shù)服務(wù)，實現(xiàn)非差網(wǎng)絡(luò)并行計算。首先將2.1節(jié)實現(xiàn)的非差多核并行計算采用統(tǒng)一接口方式定義網(wǎng)絡(luò)溝通契約，實際非差多核并行計算服務(wù)代碼由這些合約接口派生并建立；然后統(tǒng)一采用HTTP等協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信綁定；最后在每個節(jié)點的互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)IIS(InternetInformationServices)平臺上非差服務(wù)。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有4臺計算機(jī)，如圖3所示，在每臺計算機(jī)上非差服務(wù)(圖3中的非差服務(wù)A，B，C和D)，每個非差服務(wù)進(jìn)行多核并行計算。假設(shè)每臺計算機(jī)的物理核數(shù)目為m，每次分配m個非差任務(wù)到每臺計算機(jī)進(jìn)行多核并行計算。用戶端或客戶端通過網(wǎng)絡(luò)并行調(diào)用多個節(jié)點提供的非差服務(wù)，將計算指令通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給計算節(jié)點，計算節(jié)點啟動非差多核并行計算程序并返回結(jié)果，最終實現(xiàn)多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)并行處理GNSS數(shù)據(jù)。通常待處理的非差計算任務(wù)數(shù)遠(yuǎn)大于可用計算節(jié)點數(shù)目。為了保證分布式計算環(huán)境的負(fù)載均衡，按節(jié)點的物理核數(shù)目進(jìn)行任務(wù)分配。以單個文件的非差計算為最小任務(wù)單位，物理核數(shù)為m的節(jié)點每次分得m個計算任務(wù)，當(dāng)完成后再分得m個任務(wù)，直至所有任務(wù)完成。通過上述任務(wù)自動分配策略，保證了所有節(jié)點在大部分時間內(nèi)保持繁忙計算，實現(xiàn)了負(fù)載均衡的潛在執(zhí)行。

3試驗與分析

3.1數(shù)據(jù)與環(huán)境取IGS測站觀測數(shù)據(jù)作為試驗數(shù)據(jù)。為了方便數(shù)據(jù)的管理，所有數(shù)據(jù)存放在局域網(wǎng)中公共的FTP服務(wù)器上。每次的計算指令僅包含測站名和測站日期等信息。計算節(jié)點接收到計算指令后，解析計算任務(wù)，自動從FTP服務(wù)器下載測站數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行非差定位解算，再將計算結(jié)果上傳到FTP指定目錄。在遠(yuǎn)程局域網(wǎng)(鄭州信息工程大學(xué)隴海路校區(qū))中多臺臺式計算機(jī)上WCF非差計算服務(wù)，作為服務(wù)器端；本地客戶端(鄭州信息工程大學(xué)中心校區(qū))調(diào)用服務(wù)器端的若干節(jié)點進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)并行處理。所有計算節(jié)點配置基本相當(dāng)(主頻2.8~3.0GHz，內(nèi)存4~8Gb)，物理核數(shù)均是4核。WCF非差計算服務(wù)器采用VisualStudio2013C＃.NET框架開發(fā)，客戶端為桌面應(yīng)用程序。

3.2精度分析選擇全球分布的291個IGS測站(采樣率為30s)，分布如圖4所示。利用Gnsser軟件進(jìn)行批量非差精密單點定位解算，將結(jié)果與IGS的當(dāng)天日解坐標(biāo)文件進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)處理策略中，觀測值采用無電離層組合，高度截止角取10°，衛(wèi)星軌道及鐘差采用IGS的15min間隔精密星歷和5min間隔的精密鐘差產(chǎn)品，天線文件采用igs08.atx，對流層延遲采用GMF模型改正。軟件具體參數(shù)與模型設(shè)置如表1所示。ENU的3個方向與IGS的日解“真值”偏差和統(tǒng)計結(jié)果如圖5和表2所示。從圖5和表2中可以看出，291個站的E，N和U方向的偏差絕對值的平均值分別為5.2，2.7和7.5mm，最大值分別是27.3，13.8和35.2mm；E和N方向的RMS不超過8mm，U方向的RMS約為10.1mm，且3個方向均不存在系統(tǒng)性偏差。進(jìn)一步統(tǒng)計三維坐標(biāo)的位置偏差，平均位置偏差為9.8mm，最大偏差為43.8mm。可見，軟件目前的非差靜態(tài)定位功能精度較為可靠穩(wěn)定，達(dá)到了同類商業(yè)軟件的定位精度量級，能夠提供厘米級甚至毫米級的靜態(tài)定位服務(wù)。

3.3效率分析將不同的測站規(guī)模(測站數(shù)分別為96，192，384，768和1536)的非差計算任務(wù)分別采取單節(jié)點串行、單節(jié)點多核并行、雙節(jié)點網(wǎng)絡(luò)并行、四節(jié)點網(wǎng)絡(luò)并行、六節(jié)點網(wǎng)絡(luò)并行等5種方案進(jìn)行計算。經(jīng)過多次重復(fù)性試驗，統(tǒng)計每個方案的計算時間。結(jié)果如表3所示。由表3可知，隨著測站數(shù)的增多，單節(jié)點串行計算方案的計算時間呈線性遞增趨勢。節(jié)點的計算壓力增大，計算實效性變低。采用多節(jié)點多核并行方案后，計算時間均得到有效縮短。其中，單節(jié)點多核并行方案、雙節(jié)點網(wǎng)絡(luò)并行方案、四節(jié)點網(wǎng)絡(luò)并行方案、六節(jié)點網(wǎng)絡(luò)并行方案的計算效率分別比單節(jié)點串行方案平均提高了2.74，5.30，9.38和14.69倍。比如處理1536個測站，單節(jié)點串行需要691.05min，而六節(jié)點并行方案僅需要48.16min，處理效率提高了14倍多。由于觀測文件彼此大小不均、網(wǎng)絡(luò)通信傳輸時間開銷不同等原因，隨著節(jié)點數(shù)的遞增，并行計算效率的增幅有所降低，但采用更多的計算節(jié)點，將獲得比單節(jié)點更高的計算效率。

4結(jié)論

1)采用工廠模式和責(zé)任鏈模式實現(xiàn)了非差精密單點定位技術(shù)。軟件具有良好的維護(hù)性和重構(gòu)性，接口的封裝定義便于模塊化管理。在靜態(tài)定位測試中，E，N，U這3個方向的平均偏差值分別為5.2，2.7和7.5mm，三維坐標(biāo)平均位置偏差為9.8mm，與同類軟件具有相同量級的定位精度，能夠提供厘米級甚至毫米級的靜態(tài)定位服務(wù)。2)從底層對非差數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行并行設(shè)計，使用互斥鎖提供的對象同步訪問機(jī)制進(jìn)行高并發(fā)數(shù)據(jù)訪問與處理，采用TPL技術(shù)實現(xiàn)了基于任務(wù)的輕量級多核并行計算；基于WCF技術(shù)建立并非差計算服務(wù)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點協(xié)同處理GNSS數(shù)據(jù)。提出的多核多節(jié)點非差并行處理策略具有面向服務(wù)、負(fù)載均衡、簡單易操作、可擴(kuò)展性強、自動化程度高等特點。3)多核多節(jié)點的并行解算方案比集中式串行方案計算效率都高，如試驗中六節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)并行處理比單節(jié)點串行處理效率提高了14倍多。隨著測站規(guī)模的增加和節(jié)點數(shù)的遞增，非差并行處理的高效性更加明顯，可有效解決GNSS大型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)解算壓力。

作者：崔陽 陳正生 呂志平 李林陽 周海濤 單位：信息工程大學(xué) 二炮工程大學(xué)