專利名稱：一種并行星群掩星事件快速數(shù)據(jù)處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及導(dǎo)航衛(wèi)星應(yīng)用、并行計算技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種并行星群掩星事件 快速數(shù)據(jù)處理方法。
無線電掩星技術(shù)最初用于天文學(xué)中探測行星的大氣狀態(tài)，在參考文獻1中詳盡的 描述了應(yīng)用于行星大氣探測的發(fā)展史(參見文獻1)，1965年，F(xiàn)ischbach提出將這種技術(shù)應(yīng) 用于地球大氣探測的思想(參見文獻2)；此后Hardy等人進行了大量的理論研究和模擬計 算工作(參見文獻3)，90年代初美國的全球定位系統(tǒng)(GPS，Global Positioning System) 星座的成功建成和運行促進了這一思想在實踐中的應(yīng)用。利用GPS無線電掩星技術(shù)探測地球大氣狀態(tài)是近年來地學(xué)和大氣科學(xué)領(lǐng)域中蓬 勃發(fā)展的研究方向之一，其基本思想是在低軌道(LEO，Low Earth Orbit)衛(wèi)星上安裝一 個高頻采樣的GPS接收機對GPS衛(wèi)星進行觀測。當信號穿過地球電離層和對流層時，由于 相應(yīng)介質(zhì)垂直折射指數(shù)的變化，信號路徑會發(fā)生彎曲。隨著信號發(fā)射與接收兩端衛(wèi)星的運 動，彎曲的信號路徑會由高到低或者由低到高地掃過整個地球大氣層，持續(xù)時間約為Imin 左右，這一過程被稱作一次下降或者上升掩星事件。通過對一次掩星事件中信號相位及振 幅變化量的測定，再加上GPS與LEO衛(wèi)星的精密軌道信息，就能夠反演彎曲角的垂直廓線， 進而得到大氣折射指數(shù)廓線。當對流層中水汽含量可以忽略時，可基于理想氣體大氣狀態(tài) 方程直接得到氣壓與干溫廓線。當水汽含量較大時，利用其它途徑(如數(shù)值天氣預(yù)報模式 輸出或無線電探空觀測資料)提供的背景溫度場，進而反演大氣濕度廓線。GPS掩星觀測這一新型大氣探測手段的產(chǎn)生是對傳統(tǒng)大氣探測手段的有力補充， 其觀測數(shù)據(jù)具有全球覆蓋、高垂直分辨率、高精度、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。其發(fā)展能夠彌補無線 電探空儀和氣象衛(wèi)星的不足，推動數(shù)值天氣預(yù)報精度的提高。對于天氣預(yù)報而言，數(shù)值天氣 預(yù)報(NWP，Numerical Weather Prediction)模式必須采用三維大氣參數(shù)數(shù)據(jù)作為初值，目 前提供這種初值的無線電探空網(wǎng)絡(luò)在時空分布上密度不夠，極大地限制了模式的精度。而 氣象衛(wèi)星資料的垂直分辨率有限，對模式精度的貢獻較小。掩星觀測由于其高垂直分辨率 和高精度，所提供的豐富數(shù)據(jù)資料具有進一步改進NWP模式的潛力。由于掩星觀測的長期 性與穩(wěn)定性，它對于氣候和全球變化研究也具有重要作用。另外，GPS掩星觀測為電離層的 研究也提供了有利條件，它具備足夠的時空分辨率提供全球電離層映象。目前歐美等發(fā)達國家和地區(qū)已經(jīng)相繼開展星載GPS掩星觀測的科學(xué)任務(wù)。自 1995 年由美國大學(xué)大氣研究聯(lián)合會(UCAR, University Corporation for Atmospheric Research)主持的概念證明實驗GPS/MET正式啟動，發(fā)射了軌道高度為750km的 Microlab-I衛(wèi)星。通過對該LEO衛(wèi)星GPS掩星觀測資料的處理，證明了 GPS掩星探測地球 大氣狀態(tài)的可行性和對改進NWP模式的潛在價值(參見文獻4)。美國，歐洲，中國臺灣省 等多個國家和地區(qū)已發(fā)射了實施掩星觀測的多個衛(wèi)星或衛(wèi)星星座。其中以美國與臺灣聯(lián)手 開始籌備建立氣象、電離層與氣候星座觀測系統(tǒng)(COSMIC，The Constellation ObservingSystem for Meteorology, Ionosphere, and Climate)。COSMIC 的主要科學(xué)任務(wù)即為利用 GPS掩星數(shù)據(jù)彌補常規(guī)氣象觀測手段如探空氣球在海洋、兩極分布稀疏的不足，為氣象研究 人員對颶風(fēng)、臺風(fēng)等風(fēng)暴形式進行觀測、研究、預(yù)報提供高分辨率的大氣水汽含量數(shù)據(jù)，精 化全球和區(qū)域的天氣預(yù)報模式，同時還為全球氣候研究、電離層研究、地球重力場的研究提 供數(shù)據(jù)資料。該系統(tǒng)的建成共需耗資1億美元，其中臺灣承擔80%。臺灣歷來是臺風(fēng)重災(zāi) 區(qū)，而臺風(fēng)形成的太平洋區(qū)域探空氣球站非常少，常規(guī)氣象觀測資料很有限。COSMIC所能提 供的臺灣周圍海洋區(qū)域高時空分辨率的大氣探測資料對提高臺風(fēng)、降雨與風(fēng)力預(yù)報的精度 將起到重要作用。COSMIC正常運行后，每天實際提供的掩星事件可以達到2500次。有關(guān)星群(Cluster)的定義有很多種，其最早來源于天文學(xué)中有關(guān)星團 (Cluster)的定義——一系列具有相似或相近特性的恒星；國內(nèi)有些文獻也將星座 (Constellation)翻譯為星群；而在航天領(lǐng)域經(jīng)常提到編隊衛(wèi)星星群(Formation-Flying Satellite Cluster)的概念。所以有必要將此處“星群(Cluster 或 Satellite Cluster)” 的概念進行明確指進行掩星觀測的衛(wèi)星(如CHAMP)、星座(如COSMIC)或編隊衛(wèi)星星群 (如GRACE)的組合，統(tǒng)稱為實施掩星觀測的“LEO星群”。利用GNSS星群掩星技術(shù)對全球大 氣狀態(tài)進行監(jiān)測，為全球和局域的天氣預(yù)報、氣候變化等領(lǐng)域提供全天候、高時空分辨率的 觀測數(shù)據(jù)。另一方面，繼美國的GPS系統(tǒng)，俄羅斯的GL0NASS系統(tǒng)之后，歐洲(GALILEO)和中 國(COMPASS)都在致力導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的研發(fā)和實施。到這些系統(tǒng)都運行后，配合低成本的 低軌道掩星星群，每日可產(chǎn)生數(shù)萬甚至更多的掩星時間。這一方面為(空間)天氣預(yù)報提 供了前所未有的全球覆蓋數(shù)據(jù)，同時也帶來了對處理系統(tǒng)計算性能的挑戰(zhàn)。由于多核，多處理器計算平臺硬件成本的大幅降低，且事實上的工業(yè)標準級的 MPI (Message Passing Interface)的廣泛使用和成熟。為采用并行方式提高星群掩星處理 系統(tǒng)計算速度提供的硬件和系統(tǒng)軟件平臺的支持。文獻 1 :Fjeldbo，G.，A. J. Kliore，and V. R. Eshleman，The neutral atmosphere of Venus asstudied with the Mariner V radio occultation experiments, The Astronomical Journal，76，123—140，1971.文獻 2 :Fischbach，F(xiàn). F. , A satellite method for pressure and temperature below 24km，BulletinofAmerican Meteorological Society，46，528—532，1965.文獻3 :Hardy，K. R.，G. A. Hajj，and E. R. Kursinski, Accuracies of atmospheric profilesobtained from GPS occultations， International Journal of Satellite Communications,12，463-473，1994文獻 4 :Kursinski，E. R.，G. A. Haj j，J. T. Schoeld，et. al.，Observing Earth' s atmosphere withradio occultation measurements using the Global Positioning System, Journal of GeophysicalResearch，102，23429-23465，199
發(fā)明內(nèi)容
針對上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種并行星群掩星事件快速數(shù)據(jù) 處理方法，以提高星群掩星事件的計算速度。為達到上述目的，本發(fā)明釆用如下的技術(shù)方案
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①由GNSS星歷文件讀取衛(wèi)星編號，精密位置等信息；②由LEO掩星星群星歷文件讀取星群各衛(wèi)星編號，精密位置等信息；③基于開放免費的MPI平臺，計算導(dǎo)航星座和掩星星群每兩衛(wèi)星組合的數(shù)量，根 據(jù)可獲得計算核心的數(shù)量進行分配；④基于MPI平臺，并行計算每一 GNSS-LE0衛(wèi)星對所形成的掩星事件精確信息，所 述掩星事件精確信息包括時刻、精密位置、高度等；⑤所有的衛(wèi)星對計算完畢后形成衛(wèi)星對，掩星信息按時間排序的信息表，并存為 文件。步驟③中根據(jù)可獲得計算核心的數(shù)量進行分配，采用如下方法實現(xiàn)根據(jù)用戶可用的計算核心數(shù)nk，參與計算的GNSS衛(wèi)星數(shù)nl和LEO星群衛(wèi)星數(shù)n2， 將計算任務(wù)分配給每個計算核心。對于第k個計算核心，k的取值范圍為1-nk，分配nl/nk 顆GNSS衛(wèi)星，余下的M0D(nl，nk)顆GNSS衛(wèi)星從第1個計算核心開始依次分配。nk的取 值范圍為1-128，實際最大nk取決于硬件系統(tǒng)平臺。nl和n2的取值范圍均為1_256，目前 實際工作的GNSS衛(wèi)星和掩星LEO星群衛(wèi)星均不超過100顆。本發(fā)明具有以下優(yōu)點和積極效果1、針對產(chǎn)生掩星事件的衛(wèi)星對間的無關(guān)性，完全采用細顆粒度并行方式進行掩星 事件計算，具有高效率的特點；2、方法簡單、執(zhí)行效率高，適用于多核心和多處理器計算機系統(tǒng)、可有效提高星群 掩星數(shù)據(jù)系統(tǒng)的工作效率；3、構(gòu)建成本低，且可實現(xiàn)自動化批處理，能夠滿足近實時應(yīng)用的要求。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中掩星事件瞬間幾何關(guān)系圖。圖2是本發(fā)明提出的并行星群掩星事件快速計算方法的流程圖。圖3是現(xiàn)有技術(shù)中星歷讀取流程圖。圖4是本發(fā)明中資源分配流程圖。圖5是本發(fā)明中掩星事件信息并行計算流程圖。圖6是傳統(tǒng)的經(jīng)典方法與本發(fā)明提出的方法實現(xiàn)完成掩星事件信息計算時間對 比圖。
具體實施例方式由于在計算構(gòu)成高軌道(GNSS)和低軌道(LEO)衛(wèi)星對的掩星事件信息時，衛(wèi)星對 之間在計算上沒有先后的邏輯關(guān)系。所以每一衛(wèi)星對的計算是獨立的?；谶@一基礎(chǔ)，可 以高效的實現(xiàn)并行計算。具體計算掩星事件位置時則采用掩星領(lǐng)域的經(jīng)典方法，如圖1所示，以已經(jīng)實現(xiàn) 的GNSS系統(tǒng)GPS為例GPS衛(wèi)星與LEO衛(wèi)星的精確位置已知，地心到與GPS和LE0瞬時矢 量的垂線段距離極為判斷是否產(chǎn)生掩星信號的標準。如果該距離大于地球半徑加掩星事件 最高地面高度的閾值這判斷不能構(gòu)成掩星觀測。圖1是掩星事件的某一瞬間幾何關(guān)系的示意圖。GPS信號某一時刻的射線路徑與
5GPS衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星同在一個平面內(nèi)，這個平面稱為掩星平面。O點是折射中心。當將地球 看作球形時，折射中心與地心重合。由于地球大氣的影響，射線路徑會向折射率大的方向彎 曲，射線路徑上距地表高度最低的點稱為近地點。圖中各參數(shù)的含義為Rl, Rg:折射中心到LEO衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星的矢量；良、Rg LEO衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星的速度在掩星平面上的投影；射線路徑的影響參數(shù)，即折射中心到出射與入射信號路徑的漸a 近線中的任意一條的垂直距離； φ .信號入射方向與束的夾角；χ 信號出射方向與Ic的夾角；α 大氣總折射角；ζ 尾與哀之間的夾角；η &與良之間的夾角；θ GPS與LEO衛(wèi)星相對于折射中心的位置矢量之間的夾角；θ L 瓦與信號入射方向之間的夾角；θ G 與信號出射方向之間的夾角；Rlg LEO衛(wèi)星與GPS衛(wèi)星之間的幾何距離；rt 近地點向徑，即射線路徑近地點相對于折射中心的幾何距離。本發(fā)明提出的并行星群掩星事件快速數(shù)據(jù)處理方法，具體包括以下步驟1、由GNSS星歷文件讀取衛(wèi)星編號，精密位置等信息；2、由LEO掩星星群星歷文件讀取星群各衛(wèi)星編號，精密位置等信息；3、基于開放免費的MPI平臺，計算導(dǎo)航星座和掩星星群每兩衛(wèi)星組合的數(shù)量，根 據(jù)可獲得計算核心的數(shù)量進行分配；4、基于MPI平臺，并行計算每一 GNSS-LEO衛(wèi)星對所形成的掩星事件精確信息，包 括時刻，精密位置，高度等；5、所有的衛(wèi)星對計算完畢后形成衛(wèi)星對，掩星信息按時間排序的信息表，并存為 文件。下面以具體實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明本實施例的實施環(huán)境如下多核或多處理器計算機硬件平臺。操作系統(tǒng)選用Linux，并行軟件平臺選用 MPICH-2 ；準備好指定格式的方案文件，作為控制程序運行主參數(shù)的設(shè)定。包括精密星歷的 路徑，生成文件的名稱等。圖2是總流程圖，圖3是圖2中“讀取GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星及LEO低軌衛(wèi)星”部分的詳 細流程圖。圖4是圖2中“資源分配”部分的詳細流程圖。圖5是圖2中“以GNSS衛(wèi)星為 準則分配計算資源并進行并行計算及存儲”部分的詳細流程圖。(1)讀取方案文件的內(nèi)設(shè)定的控制信息；控制信息存儲與自定義的方案文件中。內(nèi)容包括參與計算的GNSS衛(wèi)星數(shù)量，編號及星歷文件路徑，LEO衛(wèi)星數(shù)量，編號及星歷文件路徑，結(jié)果文件路徑等信息。(2)依據(jù)控制信息，循環(huán)讀取GNSS和LEO的精密星歷數(shù)據(jù)(如圖4)；該過程采用所屬專業(yè)讀取此類數(shù)據(jù)的通用處理過程，屬于本領(lǐng)域公知的技術(shù)。(3)根據(jù)可獲得的計算內(nèi)核(CPU)數(shù)，分配每內(nèi)核需要計算的GNSS衛(wèi)星編號和衛(wèi) 星個數(shù)，并建立相關(guān)的資源分配信息表(如圖5)；具體的資源分配方法為程序根據(jù)用戶可用的計算核心(CPU)數(shù)nk(l nk)，參 與計算的GNSS衛(wèi)星數(shù)nl和LEO星群衛(wèi)星數(shù)n2，第個計算核心分配nl/nk顆GNSS衛(wèi)星，余 下的M0D(nl，nk)顆GNSS衛(wèi)星從第1個計算核心分配。建立CPU號-GNSS衛(wèi)星編號的資源 分配信息表，即每個計算核心所需計算的GNSS衛(wèi)星數(shù)量及編號；完成后進入圖4所描述的 數(shù)據(jù)處理過程。nk的取值范圍為1-128，實際最大nk取決于硬件系統(tǒng)平臺。nl和n2的取值范圍 均為1-256，目前實際工作的GNSS衛(wèi)星和掩星LEO星群衛(wèi)星均不超過100顆。(4)根據(jù)資源分配信息，同時啟動可用的計算內(nèi)核，每計算核心安裝分配的GNSS 衛(wèi)星與所有LEO衛(wèi)星進行配對的掩星事件信息計算，并將結(jié)果存入指定文件(如圖6)；圖6由上到下可分為7層。根據(jù)圖5所描述步驟生成的資源分配信息表(層1)， 包括每計算核心(CPU)分配的GNSS衛(wèi)星數(shù)及編號及對應(yīng)的LEO衛(wèi)星編號信息，在所有CPU 上并行進行掩星事件信息計算的數(shù)據(jù)處理。對于第k個計算核心(CPU)，最外層的循環(huán)為本 CPU分配的GNSS衛(wèi)星索引i，循環(huán)從該CPU分配的第1顆GNSS衛(wèi)星直到最后一顆(層2到 層6)；對于每顆GNSS衛(wèi)星，LE0星群衛(wèi)星索引j也從第1顆到n2顆進行循環(huán)(層3到層 5)，通過每顆GNSS和每顆LE0星群衛(wèi)星的配對信息讀取對應(yīng)的GNSS衛(wèi)星星歷和LE0衛(wèi)星， 并計算逐時刻判斷是否構(gòu)成掩星事件，如果構(gòu)成則計算掩星事件的位置，持續(xù)時間。然后存 儲掩星事件的相關(guān)信息(層4)。當該CPU所分配的所有GNSS衛(wèi)星都處理完畢，則該CPU的 計算完成(層7)。全部計算完成后，形成統(tǒng)計信息和報表信息。圖6給出了計算1天GPS衛(wèi)星和1-6顆低軌道衛(wèi)星采用經(jīng)典的單CPU和本方法并 行計算掩星事件信息的耗費時間比較?？梢钥闯觯瑢τ趩蜟PU計算而言，隨著計算的LE0衛(wèi) 星數(shù)量的增加，計算耗時呈線性增加。而采用并行則計算耗時無明顯增加。當然由于本實 例是在具有8顆CPU的系統(tǒng)上進行的，當LE0衛(wèi)星數(shù)超過8顆以后計算耗時會相應(yīng)增加。上述實例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán) 利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出任何的修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
一種并行星群掩星事件快速計算方法，其特征在于，包括以下步驟①由GNSS星歷文件讀取衛(wèi)星編號，精密位置等信息；②由LEO掩星星群星歷文件讀取星群各衛(wèi)星編號，精密位置等信息；③基于開放免費的MPI平臺，計算導(dǎo)航星座和掩星星群每兩衛(wèi)星組合的數(shù)量，根據(jù)可獲得計算核心的數(shù)量進行分配；④基于MPI平臺，并行計算每一GNSS-LEO衛(wèi)星對所形成的掩星事件精確信息，所述掩星事件精確信息包括時刻、精密位置、高度等；⑤所有的衛(wèi)星對計算完畢后形成衛(wèi)星對，掩星信息按時間排序的信息表，并存為文件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并行星群掩星事件快速計算方法，其特征在于步驟③中根據(jù)可獲得計算核心的數(shù)量進行分配，采用如下子步驟根據(jù)用戶可用的計算核心數(shù)nk，參與計算的GNSS衛(wèi)星數(shù)nl和LEO星群衛(wèi)星數(shù)n2，將 計算任務(wù)分配給每個計算核心；對于第k個計算核心，分配nl/nk顆GNSS衛(wèi)星，余下的MOD (nl, nk)顆GNSS衛(wèi)星從第 1個計算核心開始依次分配，其中，k的取值范圍為l-nk，nk的取值范圍為1_128，實際最大 nk取決于硬件系統(tǒng)平臺，nl和π2的取值范圍均為1_256。
全文摘要
本發(fā)明涉及導(dǎo)航衛(wèi)星應(yīng)用、并行計算技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種并行星群掩星事件快速計算方法。本發(fā)明包括導(dǎo)航星座和掩星星群信息讀取、根據(jù)可獲得計算核心分配衛(wèi)星對、并進行精確的掩星事件信息計算、最后存儲為后續(xù)掩星數(shù)據(jù)處理的信息文件。本發(fā)明提出的方法應(yīng)用于掩星數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，特別是應(yīng)用于近實時(3-6h)的掩星數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)預(yù)處理過程中計算掩星事件信息的重要部分，可極大提高該過程的計算效率，大幅減少計算時間，從而使掩星資料應(yīng)用于天氣預(yù)報和空間天氣預(yù)報的近實時應(yīng)用提供更快的數(shù)據(jù)保障。
文檔編號G01S13/95GK101872019SQ20101018442
公開日2010年10月27日 申請日期2010年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月20日
發(fā)明者徐曉華, 羅佳 申請人:武漢大學(xué)