CN110749911B - 大规模gnss网干净站星斜径距离并行预处理方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大规模GNSS网干净站星斜径距离并行预处理方法与装置，本发明的方法基于任务并行和数据并行，从底层设计并实现大规模GNSS网观测数据格式转换、文件检查、钟跳探测与修复、周跳探测与修复、相位平滑伪距和误差改正与消除的多核并行执行；基于网络多节点协同，采用WCF技术建立并发布站星计算并行计算网络服务，实现多节点环境下的大规模GNSS网观测数据网络协同干净站星斜径距离并行计算，最终得到“干净”的站星斜径距离和各种误差模型的改正值。本发明实现了大规模GNSS网干净站星斜径距离并行计算，经济和社会效益巨大。

Description

大规模GNSS网干净站星斜径距离并行预处理方法与装置
技术领域
本发明属于大规模GNSS网干净站星斜径距离处理领域。
背景技术
数据预处理是测量数据处理中的重要环节之一，为了满足较高的解算精度需求、确保服务的连续性、完好性和可用性，利用站星之间的观测信息，采用特定的模型与算法，对GNSS(Global Navigation Satellite System)数据、产品及服务进行连续监测、控制、诊断和改进，其优劣直接影响解算的精度和可靠性，预处理的结果即为干净的站星斜径距离。由于大型GNSS网中数据的复杂性和多样性，海量的源数据和解算辅助文件的准备工作会耗费大量的时间，已有高效的站星斜径距离计算方法算法会随着数据规模的增大、数据跨度的变长而变得低效，导致干净站星斜径距离计算占用大量的数据处理时间，成为限制大网数据快速解算的主要因素之一。
国内外研究机构和研究人员大规模GNSS网观测数据预处理和并行计算进行了广泛的关注和研究，发表的文献主要包括：国外《Geophysical Research Letters》的《Anautomatic editing algorithm for GPS data》、《Parallel computation of regionalCORS network corrections based on ionospheric-free PPP》和《Parallel resolutionof large-scale GNSS network un-difference ambiguity》，国内《武汉大学学报(信息科学版)》的《GNSS精密单点定位中的实时质量控制》、《GNSS实时数据质量控制》和《大规模GNSS基线向量网抗差并行贝叶斯估计》、《测绘学报》的《多核环境下的GNSS数据并行处理研究》、《测绘科学技术学报》的《多核环境下的GNSS网平差数据并行处理研究》、《GNSS大网双差模型并行快速解算方法》。而上述对GNSS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、非差解算、非差模糊度固定和区域增强等方面。现有技术中并未有对干净站星斜径距离并行预处理方法的研究，现有方法处理速度慢，效率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种大规模GNSS网干净站星斜径距离并行预处理方法与装置，用于解决现有技术效率低下的问题。
本发明的技术方案包括：
大规模GNSS网干净站星斜径距离并行预处理方法，步骤如下：
步骤1：将计算服务封装为若干个异步的预处理任务，每个预处理任务处理一个观测文件；多个预处理任务由网络中的多个节点的多个物理核分别同时并行执行；
步骤2：对于每个预处理任务，执行如下操作：进行格式转换和文件检查；进行钟跳探测和修复；进行进行周跳探测和修复；进行载波相位平滑伪距；进行误差改正与消除，建立随机模型；生成每个预处理任务的历元预处理结果；
步骤3：将每个预处理任务的历元预处理结果合并生成结果文件。
进一步的，步骤2中，进行文件检查包括：对数据进行检查、匹配与获取解算辅助文件、对观测文件和解算辅助文件进行分析；所述对数据进行检查包括对丢失率和完整性进行检查；对观测文件和解算辅助文件进行分析包括对观测文件信噪比、多路径和电离层闪烁进行分析，对解算辅助文件分析可用性、精度进行质量分析。
进一步的，步骤2中，进行钟跳探测和修复时，若每个观测文件中每颗卫星的观测值相位连续，而伪距跳跃时，采用观测值历元差分法进行钟跳探测和修复。
进一步的，步骤2中，对每个观测文件中每颗卫星的载波相位观测值，采用观测值组合的方式进行周跳探测与修复。
进一步的，步骤2中，对每个观测文件每颗卫星的观测值，利用伪距和相位的线性组合以实现相位平滑伪距。
进一步的，步骤2中，在进行误差改正与消除时，加载解算辅助文件对站星斜径几何距离进行误差改正与消除，并建立与干净站星斜径距离对应的随机模型；建立误差改正责任链处理器精确模型化的误差；采用多频观测值组合的方式消除不能精确模型化的误差。
进一步的，对随机模型建立、每个预处理任务的历元预处理结果合并建立互斥锁。
进一步的，对解算辅助文件的读取时，建立读写锁支持两个以上的读线程。
本发明还提供了一种大规模GNSS网干净站星斜径距离并行预处理装置，包括处理器和存储器，所述处理器执行存储于存储器中的计算机程序，以实现上述方法。
本发明的方法基于任务并行和数据并行，从底层设计并实现大规模GNSS网观测数据格式转换、文件检查、钟跳探测与修复、周跳探测与修复、相位平滑伪距和误差改正与消除的多核并行执行；基于网络多节点协同，采用WCF技术建立并发布站星计算并行计算网络服务，实现多节点环境下的大规模GNSS网观测数据网络协同干净站星斜径距离并行计算，最终得到“干净”的站星斜径距离和各种误差模型的改正值。
本发明的有益效果包括：(1)提高大规模GNSS网干净站星斜径距离多计算的时效性：在多节点多核平台下依次并行分解预处理任务、进行格式转换、文件检查、钟跳探测与修复、周跳探测与修复、相位平滑伪距和误差改正与消除，缩短了大规模GNSS网干净站星斜径距离计算的时间，提高了计算效率。(2)本发明提出的方法具有较广泛的适用性和较强的扩展性，适用于各类卫星导航系统观测数据的站星斜径距离计算服务。对GPS、Galileo和BDS的观测数据，都可纳入本发明的干净站星斜径距离并行计算方法，都可采用本发明所提的方法对所选卫星导航系统的观测数据进行并行预处理，并且不仅限于上述3个卫星导航系统，仍适用于将来建设的全球卫星导航系统或区域卫星导航系统，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网干净站星斜径距离并行计算，经济和社会效益巨大。
附图说明
图1是本发明多核平台下大规模GNSS网干净站星斜径距离并行计算流程图；
图2是本发明网络多节点环境下大规模GNSS网干净站星斜径距离并行计算图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。
本实施例中，网络中包括多个节点，每个节点，每个节点均由多个物理核，以支持并行处理。用于访问节点上的互联网信息服务平台(Internet Information Services,IIS)，以调用站星斜径距离计算服务。
在调用站星斜径距离计算服务时，即开始进行干净站星斜径距离并行预处理方法，步骤如下：
步骤1：将计算服务封装为若干个异步的预处理任务(如图2中Task1、Task2…Taskm)，每个预处理任务处理一个观测文件；多个预处理任务可以由网络中的多个节点的多个物理核同时并行执行，即多个预处理任务可以同时在多个物理核上单独执行，或者在一个物理核上分时执行，从而实现了以测站为粒度的站星斜径距离并行解算。
步骤2：对于每个预处理任务，执行如下操作：
进行格式转换和文件检查；
进行钟跳探测和修复；
进行进行周跳探测和修复；
进行载波相位平滑伪距；
进行误差改正与消除，建立随机模型；
生成每个预处理任务的历元预处理结果；
步骤3：将每个预处理任务的历元预处理结果合并生成GNSS整网的结果文件。
步骤2中，进行观测文件格式转换和文件检查包括：将观测文件格式统一转换为标准RINEX(Receiver Independent Exchange Format，与接收机无关的交换格式)；对数据进行检查，包括对丢失率和完整性等进行检查。自动匹配与获取与观测数据对应的解算辅助文件。对观测文件信噪比、多路径、电离层闪烁等进行分析，对解算辅助文件分析可用性、精度等进行质量分析。
其中，利用Parallel.For或Parallel.Foreach对for或foreach循环进行改造，使用和任务调度一样的线程池技术来确保并行循环的良好特性，进行钟跳探测和修复。若每个观测文件中每颗卫星的观测值伪距和相位同时跳跃时，可被接收机钟差吸收，不影响定位解算；若每个观测文件中每颗卫星的观测值相位连续、伪距跳跃时，可以采用观测值历元差分法，利用观测值组合进行探测和修复。
其中，若周跳未能被准确地探测和有效地修复，会影响到整周模糊度的确定，最终影响到解算的精度及可靠性。因此，对每个观测文件中每颗卫星的载波相位观测值，采用观测值组合的方式进行周跳探测与修复。
其中，对每个观测文件每颗卫星的观测值，利用伪距和相位的线性组合以实现相位平滑伪距，进一步提高测码伪距的精度。
其中，在进行误差改正与消除时，加载解算辅助文件(如星历、钟差、地球自转、天线改正等)对站星斜径几何距离进行误差改正与消除，并建立与干净站星斜径距离对应的随机模型。建立误差改正责任链处理器(如图1中误差改正处理器)，精确模型化的误差，如潮汐改正、天线相位中心改正、相对论效应等；采用多频观测值组合的方式消除不能精确模型化的误差，如利用双频无电离层组合消除电离层低阶项的影响。
对随机模型建立、每个预处理任务的历元预处理结果合并等建立互斥锁，只允许一个线程进入临界区，其它线程将被挂起。对解算辅助文件的读取时，建立读写锁支持多个读线程，提高对数据并发访问的性能。
关于上述合并生成GNSS整网的结果文件、格式转换和文件检查、钟跳探测与修复、周跳探测与修复、相位平滑伪距和误差改正与消除、随机模型的建立等操作，其具体技术手段均属于现有技术。
另外，将站星斜径距离多核并行计算采用统一的接口方式，实现网络沟通的服务契约，实际的站星斜径距离多核并行计算服务代码由这些合约接口派生并建立。统一采用网络传输协议(TCP或HTTP)进行网络通信绑定，生成站星斜径距离计算服务地址。在每个节点的互联网信息服务平台(Internet Information Services,IIS)上发布站星斜径距离计算服务，实例化后供用户端调用。
本实施例的方法为缩短大规模GNSS网干净站星斜径距离计算的时间，提高大规模GNSS网干净站星斜径距离计算的时效性，采用多核并行计算技术——并行任务库(taskparallel library,TPL)和多节点网络计算技术——Windows通讯开发平台(Windowscommunication foundation,WCF)，设计多节点多核平台下大规模GNSS网干净站星斜径距离计算方法，实现大规模GNSS网观测数据格式转换、文件检查、钟跳探测与修复、周跳探测与修复、相位平滑伪距和误差改正与消除的多核并行执行。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网干净站星斜径距离计算的时间，提高了大规模GNSS网干净站星斜径距离预处理的效率。
为了对效果进行验证，进行了相关实验，利用全球分布的3600个GNSS基准站的观测数据，分别采用单节点单核串行、单节点四核并行、双节点、四节点和六节点四核并行五种方案。通过测试，大规模GNSS网干净站星斜径距离多核并行计算方法与传统单节点单核串行方法相比，大大缩短了计算时间，提高了解算效率，双单节点四核、双节点四核、四节点四核、六节点四核并行的加速比分别达到了2.92、5.52、9.62、12.29倍。实际应用的效果与硬件系统的性能、观测数据的质量等密切相关。实现了大规模GNSS网干净站星斜径距离并行计算，经济和社会效益巨大。

Claims (5)

1.大规模GNSS网干净站星斜径距离并行预处理方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：将多个测站的计算服务封装为若干个异步的预处理任务，进行Parallel.For或Parallel.Foreach的并行循环，每个预处理任务处理一个观测文件；多个预处理任务由网络中的多个节点的多个物理核分别同时并行执行，实现以测站为粒度的站星斜径距离并行计算；其中，多核并行采用并行任务库TPL实现；多节点网络并行采用Windows通讯开发平台WCF实现，采用TCP或HTTP网络传输协议进行网络通信绑定，生成站星斜径距离计算服务地址，在每个节点的互联网信息服务平台IIS上发布站星斜径距离计算服务；
步骤2：对于每个预处理任务所处理的观测文件中的原始观测数据，执行如下操作：
进行格式转换和文件检查；
进行钟跳探测和修复，若每个观测文件中每颗卫星的观测值相位连续，而伪距跳跃时，采用观测值历元差分法，并利用Parallel.For或Parallel.Foreach对for或foreach循环进行改造，使用线程池技术来确保并行循环的良好特性，进行钟跳探测和修复；
对每个观测文件中每颗卫星的载波相位观测值，采用观测值组合的方式进行周跳探测和修复；
利用伪距和相位的线性组合的方式进行载波相位平滑伪距；
进行误差改正与消除，在进行误差改正与消除时，加载解算辅助文件对站星斜径几何距离进行误差改正与消除，并建立与干净站星斜径距离对应的随机模型；建立误差改正责任链处理器精确模型化的误差；采用多频观测值组合的方式消除不能精确模型化的误差；所述解算辅助文件包括星历、钟差、地球自转、天线改正、伪距硬件延迟和海潮改正信息；
生成每个预处理任务的历元预处理结果；步骤3：将每个预处理任务的历元预处理结果合并生成结果文件。
2.根据权利要求1所述的大规模GNSS网干净站星斜径距离并行预处理方法，其特征在于，步骤2中，进行文件检查包括：对数据进行检查、匹配与获取解算辅助文件、对观测文件和解算辅助文件进行分析；所述对数据进行检查包括对丢失率和完整性进行检查；对观测文件和解算辅助文件进行分析包括对观测文件信噪比、多路径和电离层闪烁进行分析，对解算辅助文件分析可用性、精度进行质量分析。
3.根据权利要求1所述的大规模GNSS网干净站星斜径距离并行预处理方法，其特征在于，对随机模型建立、每个预处理任务的历元预处理结果合并建立互斥锁。
4.根据权利要求3所述的大规模GNSS网干净站星斜径距离并行预处理方法，其特征在于，对解算辅助文件的读取时，建立读写锁支持两个以上的读线程。
5.大规模GNSS网干净站星斜径距离并行预处理装置，包括处理器和存储器，所述处理器执行存储于存储器中的计算机程序，以实现如权利要求1-4任一项所述的方法。
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