地磁场参考模型快速计算及并行加速技术研究

发布时间：2021-04-23 15:43

　　地磁场作为基本的地球物理场,广泛应用在地震检测、勘探、自主导航、定姿/定向、空间天气预报等领域中。近年来,随着空间磁测、航天磁测技术的不断发展,国内外的学者对地磁场随时间和空间变化规律的研究日渐深入,相继建立了一系列高阶高精度的地磁场参考模型。高阶次地磁模型计算量巨大,如何实现地磁场模型高效快速计算是加速高精度地磁模型工程化应用的核心问题。本文从地磁模型理论及物理处理两个层面出发,一方面,对地磁场参考模型中球谐函数快速计算开展相关研究;另一方面,通过并行处理技术提高地磁图中多点计算效率。首先,从地磁模型球谐函数入手,得到其一般形式的解——连带勒让德函数;其次,对其变形形式——施密特半正交勒让德函数的快速递推算法进行研究,给出了前向列递推、前向行递推、跨阶次递推、非正常球谐函数递推等方法在不同阶/次下计算公式,并基于现有的主流地磁模型IGRF、WMM、MF7、EMM2010 （含NGDC720）对各算法的计算效率进行仿真比对;最后,基于并行加速技术设计完成地磁图可视化软件,有效提高区域多点地磁场矢量的计算速度,最终实现区域地磁图的快速绘制。研究结果表明:上述快速计算方法计算精度相当,随着... 

【文章来源】：西安理工大学陕西省

【文章页数】：65 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 相关领域研究现状
        1.2.1 地磁场参考模型研究现状
        1.2.2 缔合勒让德函数计算研究现状
    1.3 本论文的主要工作
2 地磁场基本理论
    2.1 地磁场要素以及常用坐标系统
        2.1.1 地磁场要素
        2.1.2 常用坐标系统
    2.2 地磁场的分类以及组成
        2.2.1 主磁场
        2.2.2 地壳磁场
        2.2.3 感应磁场
        2.2.4 地球变化磁场
    2.3 球谐函数
        2.3.1 球谐函数的解
        2.3.2 勒让德函数
        2.3.3 连带勒让德函数
    2.4 本章小结
3 地磁场参考模型快速计算
    3.1 地磁参考模型计算求解
        3.1.1 地磁场参考模型的解
        3.1.2 勒让德函数的不同形式
    3.2 递推方法
        3.2.1 施密特半正交勒让德函数前向列递推法
        3.2.2 施密特半正交勒让德函数前向行递推法
        3.2.3 施密特半正交勒让德函数跨阶次递推算法
        3.2.4 施密特半正交勒让德函数非正常球谐函数递推法
    3.3 常用的主要地磁场参考模型
        3.3.1 IGRF11模型
        3.3.2 WMM2010模型
        3.3.3 MF7模型
        3.3.4 EMM2010模型
    3.4 地磁参考模型快速计算仿真
        3.4.1 IGRF11模型快速计算仿真
        3.4.2 WMM2010模型快速计算仿真
        3.4.3 MF7模型快速计算仿真
        3.4.4 EMM2010模型快速计算仿真
    3.5 递推算法效率综合对比分析
    3.6 本章小结
4 基于GPU的地磁场并行计算研究
    4.1 Cuda简介
        4.1.1 Cuda硬件架构
        4.1.2 Cuda软件架构
    4.2 软件框架
        4.2.1 软件各功能模块简介
        4.2.2 基于Cuda的软件编程模型
    4.3 地磁场参考模型快速计算实现流程
    4.4 仿真计算结果
        4.4.1 IGRF11模型仿真
        4.4.2 EMM2010模型仿真
        4.4.3 计算效率分析与评估
    4.5 本章小结
5 总结和展望
致谢
参考文献


【参考文献】：
期刊论文
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[2]世界地磁场模型精度评价[J]. 常宜峰,种洋,柴洪洲,王兴涛,刘晓刚.  武汉大学学报(信息科学版). 2016(10)
[3]基于IGRF地磁场模型的航天器地磁干扰力矩数值仿真[J]. 董宜煊,陈金刚.  航天器环境工程. 2016(04)
[4]完全规格化缔合勒让德函数及其导数的递推算法与适用范围比较[J]. 雷伟伟,郑红晓,李凯.  测绘工程. 2016(06)
[5]世界地磁场模型WMM2015误差分析与评估[J]. 赵希亮,边刚,金绍华,王美娜,刘强.  海洋测绘. 2016(03)
[6]完全规格化缔合勒让德函数常用递推算法的适用性[J]. 雷伟伟,张捍卫,李凯.  大地测量与地球动力学. 2016(05)
[7]局部区域模型垂线偏差快速算法[J]. 邢志斌,李姗姗,曲政豪,王伟,范昊鹏,贾鲁.  测绘科学. 2015(12)
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[10]1683—1949年中国地磁测量、地磁图和地磁模型的总考评与研究[J]. 安振昌,彭丰林,刘少华,王广福.  地球物理学报. 2014(11)

硕士论文
[1]利用卫星重力场模型反演区域地壳密度[D]. 刘国仕.长安大学 2014
[2]快速逼近弹道扰动引力的算法研究[D]. 张皞.解放军信息工程大学 2007



本文编号：3155597