地磁场参考模型快速计算及并行加速技术研究

摘要

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，随着地磁参考模型阶次的升高，非正常球谐函数递推的计算效率较其他算法优势明显；将其用于并行计算，可实现如360×360点区域的主磁场计算时间为2ms，地磁异常场计算时间为10ms，为工程中地磁模型快速计算和应用提供了解决途径。

目录

声明

1 绪论

1.1研究背景与意义

1.2相关领域研究现状

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

2.2地磁场的分类以及组成

2.3球谐函数

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

3.2递推方法

3.3常用的主要地磁场参考模型

3.4地磁参考模型快速计算仿真

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

4.2软件框架

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

4.5本章小结

5 总结和展望

致谢

参考文献