CN112394376B - 一种大规模gnss网观测数据非差整网并行处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大规模GNSS网观测数据非差整网并行处理方法，具体基于底层多核并行计算技术，实现对大规模GNSS网观测数据的非差整网并行计算。首先从大规模GNSS网中筛选一定数量的测站作为核心站，并行估计卫星轨道和卫星钟差，进行站间并行的非差浮点解计算，并行估计卫星端的宽巷和窄巷小数相位偏差；其次对GNSS网中其它测站进行站间并行的非差浮点解的并行计算，利用核心站估计的宽巷和窄巷小数相位偏差并行固定所有站的非差模糊度，并行生成GNSS网中所有测站的载波距离；最后，利用伪距观测值和载波距离进行非差模式下的整网统一解算，待估参数包括测站坐标、卫星轨道、接收机和卫星钟差、双差模糊度、对流层延迟、小数相位偏差和地球自转参数等。
Description
技术领域
本发明涉及一种大规模GNSS网观测数据非差整网并行处理方法，属于大规模GNSS网观测数据处理技术领域。
背景技术
作为国家的重要地面基础设施，目前已有多个国家和区域建立了由数百个甚至上千个连续运行参考站组成的GNSS(Global Navigation Satellite System)基准站网。大规模全球GNSS网数据提供了丰富的计算资源，但也带来了数据处理上的巨大挑战。数据处理解算耗时随GNSS网规模的扩大呈几何级数增加，全球GNSS大网数据处理面临计算效率低下甚至无法解算的难题，迫切需要与之对应的高效率数据处理模型与方法作为支撑，以充分发挥大网的优势，提升大网服务的精度、可靠性和实时性。寻求大规模GNSS网数据的高效快速处理成为目前热点方向之一，受到越来越多的关注和重视。
国内外研究机构和研究人员改进模型和算法、并行计算技术应用等方面进行了广泛的关注和研究，发表的文献主要包括：国外《Advances in Space Research》的《GlobalGPS reference frame solutions of unlimited size》和《Parallel resolution oflarge-scale GNSS network un-difference ambiguity》，《Journal of Geodesy》的《Anew data processing strategy for huge GNSS global networks》和《An enhancedstrategy for GNSS data processing of massive networks》，国内《测绘学报》的《多核环境下的GNSS数据并行处理研究》、《GNSS大网双差模型并行快速解算方法》和《PPP网解UPD模糊度固定的无基站差分大型CORS站整网快速精密解算》，《大地测量与地球动力学》的《一种GNSS大网数据快速高效处理策略》。
大规模GNSS网非差整网计算方法中，已有解决方案采用串行计算的方法，同步处理大规模GNSS网中所有基准站的数据，依次串行估计卫星轨道和钟差的、串行估计宽巷和窄巷小数相位偏差、非差模糊度串行固定、载波距串行生成和整网串行解算。而对大规模GNSS网观测数据的并行解算中，已有研究集中在基线向量网平差、双差基线解算、单站非差浮点解和固定解计算等方面。
发明内容
本发明的目的是提供一种大规模GNSS网观测数据非差整网并行处理方法，用以解决当前GNSS网规模不断扩大导致数据处理解算耗时指数级增长的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
本发明的一种大规模GNSS网观测数据非差整网并行处理方法，包括如下步骤：
1)选择设定数量的测站作为核心站，根据所述核心站的观测数据，并行解算卫星轨道、卫星钟差和地球自转参数；
2)利用卫星轨道、卫星钟差和地球自转参数，估计出卫星端的宽巷小数相位偏差及窄巷小数相位偏差；
3)对于每个核心站构建非差模糊度，利用取整后的宽巷小数相位偏差及窄巷小数相位偏差，进行无电离层组合模糊度的固定；
对于除核心站以外的其他测站，利用卫星轨道、卫星钟差、地球自转参数和卫星端的宽巷小数相位偏差及窄巷小数相位偏差，进行站间并行非差固定解计算，对每个其他测站构建非差模糊度，进行无电离层组合模糊度的固定；
4)根据每个测站的载波相位观测值和固定的无电离层组合模糊度，并行生成对应测站的载波距离观测值；
5)联合各测站的伪距观测值和载波距离观测值，并行构建法方程，并对法方程并行求逆，基于非差模式进行整网并行解算。
本发明提供了一种新的大规模GNSS网观测数据非差整网多核并行处理的方法，实现了大规模GNSS网观测数据非差整网计算众多环节的并行执行，提高了计算对多核平台的利用率，提高了整网解算的效率。
进一步的，其特征在于，所述核心站为在全球均匀分布的不少于100个的测站。
进一步的，步骤1)中，通过非差模式下的卡尔曼滤波对卫星轨道和地球自转参数进行估计，以单个核心站为并行粒度构建非差观测方程，通过构建双差模糊度并进行模糊度固定，对非差观测方程进行约束。
进一步的，步骤2)中，卫星端的宽巷小数相位偏差及窄巷小数相位偏差，通过对核心站进行站间并行的非差浮点解计算来实现并行估计。
进一步的，步骤4)中，利用固定的无电离层组合模糊度和天线相位缠绕效应，对载波相位观测值进行修正得到载波距离观测值。
进一步的，步骤5)中，所述伪距观测值中扣除了卫星端伪距硬件延迟。
进一步的，步骤5)中，基于非差模式进行整网并行解算的方法为：将伪距观测值和载波距离观测值作为观测量；以历元为粒度，并行构建每个历元的法方程；采用基于递归最小二乘的参数消去算法对法方程进行解算；采用矩阵分块求逆和Cholesky并行分解法对法方程进行求逆。
当前，大规模GNSS网观测数据非差整网统一解算对实时性和计算效率的要求越来越高，本发明的方法为了缩短大规模GNSS网观测数据非差整网计算的时间，提高大规模GNSS网观测数据非差整网计算的时效性，采用多核并行计算技术——并行任务库(taskparallel library,TPL)设计了多核平台下大规模GNSS网观测数据非差整网计算方法，实现核心站并行解算卫星轨道、卫星钟差和地球自转参数；核心站并行估计宽巷小数相位偏差和窄巷小数相位偏差；整网非差模糊度并行固定、整网载波距离并行生成和非差模式下整网解算的多核并行执行。
本发明的方法简单，易操作，提高了对多核平台的利用率，缩短了大规模GNSS网观测数据非差整网计算的时间，提高了大规模GNSS网观测数据非差整网解算的效率。
进一步的，整网并行解算得到的待估参数包括：测站坐标、卫星轨道、双差模糊度、对流层延迟、接收机和卫星钟差、小数相位偏差和地球自转参数。
进一步的，对于步骤3)中各测站未固定的无电离层组合模糊度，构建站星双差的无电离层组合模糊度，进行无电离层组合模糊度的固定。
对于各测站无法通过非差模式固定的模糊度，进一步尝试采用双差模式进行固定，提高模糊度固定的成功率，以在整网解算时能够利用更多的观测数据，进而提高待估参数解算的精度和可靠性。
附图说明
图1是本发明多核平台下大规模GNSS网观测数据非差整网并行计算的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
由图1所示，对大规模GNSS网基准站(测站)的观测数据，本发明的方法公开了多核平台下大规模GNSS网观测数据非差整网并行处理的流程，分为以下步骤：
步骤1：筛选大规模GNSS网中一定数量的、全球均匀分布的测站作为核心站，基于任务并行和数据并行，并行解算卫星轨道、卫星钟差和地球自转参数；
步骤2：利用卫星轨道、卫星钟差和地球自转参数，对核心站进行站间并行的非差浮点解计算，并行估计卫星端的宽巷小数相位偏差和窄巷小数相位偏差；
步骤3：对大规模GNSS网中的其他测站进行站间并行的非差浮点解的并行计算，利用核心站估计的宽巷和窄巷小数相位偏差针对各个测站进行非差模糊度的固定，得到固定后的非差无电离层组合模糊度；
步骤4：对大规模GNSS网中所有测站的载波相位观测值，基于站间和星间两级并行机制，扣除对应的固定后的非差无电离层组合模糊度，转换为无模糊度的载波距离观测值，对所有测站的伪距观测值，扣除卫星端伪距硬件延迟；
步骤5：联合步骤4得到的伪距和载波距离，并行构建法方程，并对法方程并行求逆，基于非差模式进行整网并行解算。
步骤1中，全球均匀分的核心站的数量不少于100个，卫星轨道、卫星钟差和地球自转参数估计的策略为非差模式下的卡尔曼滤波，以单个测站为并行粒度构建非差观测方程，通过构建双差模糊度并进行固定，对非差方程进行约束。
步骤3)中，非差固定解并行计算的方法为：
针对核心站，无需再进行非差浮点解计算，直接利用步骤2)中得到的宽巷小数相位偏差和窄巷小数相位偏差，取整后得到宽巷模糊度和窄巷模糊度，再利用固定了的宽巷模糊度和窄巷模糊度计算得到固定的非差无电离层组合模糊度；
对GNSS网中的其它测站，利用卫星轨道、卫星钟差、地球自转参数、卫星端的宽巷小数相位偏差和窄巷小数相位偏差，进行站间并行的非差固定解计算。
步骤4)中，载波距离的生成利用了步骤3)中固定了的非差无电离层组合模糊度，以及用模型计算得到的天线相位缠绕效应，对无电离层组合载波相位观测量进行修正得到载波距
式中，
为载波距离，L为原始无电离层组合载波相位观测值，λ为无电离层组合波长，N为固定了的非差无电离层组合模糊度，ξ为天线相位缠绕效应。
对于步骤3)中各测站未实现非差固定的无电离层组合模糊度，进一步构建站星双差的无电离层组合模糊度，尝试进行双差模糊度的固定，有效提高模糊度固定的成功率，增加了可用于步骤5)整网并行解算的有效载波距观测值，进而提高待估参数解算的精度和可靠性。
步骤5)中，非差模式下的整网并行解算方法为：
首先将得到的伪距和载波距作为观测量，法方程构建时，以历元为粒度，基于数据并行，并行构建每个历元的法方程，采用基于递归最小二乘的参数消去算法对法方程进行解算；法方程求逆时，可采用矩阵分块求逆和Cholesky并行分解法等。
非差模式下整网解算的待估参数包括测站坐标、卫星轨道、双差模糊度、对流层延迟、接收机和卫星钟差、小数相位偏差和地球自转参数等。
本发明的观测数据包括GPS、Galileo、BDS和GLONASS***的、多个频率的伪距和载波相位观测值。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
本发明的一种大规模GNSS网观测数据非差整网并行处理方法，其实质在于实现了大规模GNSS网观测数据非差整网计算众多环节的多核并行执行。实验利用全球分布的500个GNSS基准站的观测数据，分别采用双核、四核和六核并行三种方案。通过测试，本发明提出的大规模GNSS网观测数据非差整网多核并行处理方法与传统单核串行方法相比，大大缩短了计算时间，提高了解算效率，双核、四核、六核并行的加速比分别达到了1.60、3.05、4.50倍。实际应用的效果与硬件***的性能、GNSS网规模的大小和观测数据的质量等密切相关。
因此本发明与现有技术相比，具有以下突出的有益技术效果：
(1)提高大规模GNSS网观测数据非差整网计算的时效性。
本发明提出了大规模GNSS网观测数据非差整网并行计算的方法，在多核平台下实现了GNSS网中一定数量的、均匀分布的核心站并行解算卫星轨道、卫星钟差和地球自转参数；核心站并行估计宽巷和窄巷小数相位偏差；以及整网非差模糊度并行固定、整网载波距离并行生成和非差模式下整网解算的并行计算，缩短了大规模GNSS网观测数据非差整网计算的时间，提高了计算效率。
(2)易于扩展。
本发明提出的方法具有较广泛的适用性和较强的扩展性，适用于处理各类卫星导航***的多频观测值，基于非差模式进行整网解算。对GPS、Galileo、BDS和GLONASS等***的观测数据，都可纳入本发明的非差整网并行计算方法，都可采用本发明所提的方法对所选卫星导航***的多频观测数据进行非差模式下的整网并行计算，并且不仅限于上述2个频率，仍适用于3个、4个和5个频率，本发明有效应用于“测绘科学与技术”学科中的“大地测量学与测量工程”技术领域，实现了大规模GNSS网观测数据非差整网并行计算，经济和社会效益巨大。
Claims (8)
1.一种大规模GNSS网观测数据非差整网并行处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)选择设定数量的测站作为核心站，根据所述核心站的观测数据，并行解算卫星轨道、卫星钟差和地球自转参数；该步骤中通过非差模式下的卡尔曼滤波对卫星轨道和地球自转参数进行估计，以单个核心站为并行粒度构建非差观测方程，通过构建双差模糊度并进行模糊度固定，对非差观测方程进行约束；
2)利用卫星轨道、卫星钟差和地球自转参数，估计出卫星端的宽巷小数相位偏差及窄巷小数相位偏差；
3)对于每个核心站构建非差模糊度，利用取整后的宽巷小数相位偏差及窄巷小数相位偏差，进行无电离层组合模糊度的固定；
对于除核心站以外的其他测站，利用卫星轨道、卫星钟差、地球自转参数和卫星端的宽巷小数相位偏差及窄巷小数相位偏差，进行站间并行非差固定解计算，对每个其他测站构建非差模糊度，进行无电离层组合模糊度的固定；
4)根据每个测站的载波相位观测值和固定的无电离层组合模糊度，并行生成对应测站的载波距离观测值；
5)联合各测站的伪距观测值和载波距离观测值，并行构建法方程，并对法方程并行求逆，基于非差模式进行整网并行解算。
2.根据权利要求1所述的大规模GNSS网观测数据非差整网并行处理方法，其特征在于，所述核心站为在全球均匀分布的不少于100个的测站。
3.根据权利要求1所述的大规模GNSS网观测数据非差整网并行处理方法，其特征在于，步骤2)中，卫星端的宽巷小数相位偏差及窄巷小数相位偏差，通过对核心站进行站间并行的非差浮点解计算来实现并行估计。
4.根据权利要求1所述的大规模GNSS网观测数据非差整网并行处理方法，其特征在于，步骤4)中，利用固定的无电离层组合模糊度和天线相位缠绕效应，对载波相位观测值进行修正得到载波距离观测值。
5.根据权利要求1所述的大规模GNSS网观测数据非差整网并行处理方法，其特征在于，步骤5)中，所述伪距观测值中扣除了卫星端伪距硬件延迟。
6.根据权利要求1所述的大规模GNSS网观测数据非差整网并行处理方法，其特征在于，步骤5)中，基于非差模式进行整网并行解算的方法为：将伪距观测值和载波距离观测值作为观测量；以历元为粒度，并行构建每个历元的法方程；采用基于递归最小二乘的参数消去算法对法方程进行解算；采用矩阵分块求逆和Cholesky并行分解法对法方程进行求逆。
7.根据权利要求1所述的大规模GNSS网观测数据非差整网并行处理方法，其特征在于，整网并行解算得到的待估参数包括：测站坐标、卫星轨道、双差模糊度、对流层延迟、接收机和卫星钟差、小数相位偏差和地球自转参数。
8.根据权利要求1所述的大规模GNSS网观测数据非差整网并行处理方法，其特征在于，对于步骤3)中各测站未固定的无电离层组合模糊度，构建站星双差的无电离层组合模糊度，进行无电离层组合模糊度的固定。
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