基于多GPU的三維FDTD復雜路徑ASF預測方法技術

本發(fā)明專利技術屬于電波傳播技術領域，具體公開了一種基于多GPU的三維FDTD復雜路徑ASF預測方法。本發(fā)明專利技術方法通過多GPU實現(xiàn)三維FDTD算法，并用于預測復雜路徑上的ASF。首先對參數(shù)進行預處理，并將參數(shù)復制到設備端即GPU端；其次更新整個計算區(qū)域中的電場分量；然后更新場源，并交換相鄰GPU上的電場分量和；接著更新整個計算區(qū)域中的磁場分量；最后進行循環(huán)并判斷結束條件，計算結束時輸出ASF。本發(fā)明專利技術方法解決了二維時延預測方法由于無法考慮橫向效應而導致ASF預測精度差的問題，并且克服了傳統(tǒng)三維FDTD方法難以模擬大區(qū)域低頻地波傳播的不足，為提高低頻無線電導航授時系統(tǒng)服務精度提供理論依據(jù)與技術支撐。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術屬于電波傳播，具體涉及一種基于多gpu的三維fdtd復雜路徑asf預測方法。

技術介紹

1、loran-c及其增強型系統(tǒng)已被廣泛應用于遠程定位、導航和定時（position,navigation,?and?timing,?pnt）服務。然而，loran-c信號在崎嶇地形的復雜路徑上傳播時會導致額外的信號延遲即附加二次因子（additional?secondary?factor,?asf），這會導致嚴重pnt誤差。因此，在復雜路徑中準確預測asf對于提高loran-c系統(tǒng)服務精度至關重要。

2、loran-c附加二次因子的建模長期以來主要局限于二維空間，這種傳統(tǒng)的二維建模方法雖然簡化了計算過程，但其固有局限性在于忽略了實際三維空間中地形起伏、橫向折射效應以及復雜地形散射等因素對asf的潛在影響。這種簡化在平坦地形或地形變化不顯著的傳播路徑下可能具有較好的近似效果，但處理地形變化劇烈的傳播路徑時，二維模型無法準確表征地形引起的多徑效應和波導效應，從而導致asf預測值與實際觀測值之間出現(xiàn)明顯偏差。

3、另外，由于積分方程（integral?equation,?ie）方法在算法層面存在固有脆弱性，其向三維空間的擴展面臨顯著困難。三維拋物方程（three-dimensional?parabolicequation,?3dpe）方法通常采用虛擬點法處理三維地形邊界條件，但這種方法在處理傾斜界面時會引入固有誤差，且該誤差難以通過常規(guī)方法有效降低。

4、相比之下，三維時域有限差分（three-dimensional?finite-difference?time-domain,?3d-fdtd）方法展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，能夠以自然且精確的方式處理復雜傳播路徑問題。然而，3d-fdtd方法在遠距離預測asf中面臨嚴峻挑戰(zhàn)，這主要受限于其極高的計算復雜度，特別是在大規(guī)模計算域和長時間仿真場景下，計算資源需求大幅增長，難以滿足實際工程應用的效率要求。

5、因此，有必要提出一種基于多gpu的三維fdtd復雜路徑asf預測方法。

技術實現(xiàn)思路

1、本專利技術的目的在于提出一種基于多gpu的三維fdtd復雜路徑asf預測方法，該方法采用三維方法對復雜地形進行建模，能夠準確地在長距離復雜不規(guī)則地形上預測asf，同時基于多gpu并行計算架構，能夠擴展計算區(qū)域并減少計算時間。

2、本專利技術為了實現(xiàn)上述目的，采用如下技術方案：

3、基于多gpu的三維fdtd復雜路徑asf預測方法，包括如下步驟：

4、步驟1.?在cpu端設置三維地形建模參數(shù)并初始化；

5、步驟2.?對三維地形建模參數(shù)進行預處理后，將cpu端存儲的三維地形建模參數(shù)的數(shù)據(jù)復制到設備端即gpu端；

6、步驟3.?更新每個gpu負責的計算區(qū)域內的電場分量、和；

7、步驟4.?更新每個gpu負責的計算區(qū)域內的場源后，進行cpu端與gpu端的數(shù)據(jù)同步；

8、步驟5.?交換相鄰gpu上的和分量，然后進行cpu端與gpu端的數(shù)據(jù)同步；

9、步驟6.?更新每個gpu負責的計算區(qū)域內的磁場分量、和，然后進行cpu端與gpu端的數(shù)據(jù)同步；

10、步驟7.?判斷當前運行時間步是否等于預設運行時間步；若是，則轉到步驟8；否則，更新當前運行時間步的值為，并轉到步驟3；

11、步驟8.?通過提取每個gpu負責的計算區(qū)域內的電場分量的第三載波周期正向過零點時刻計算asf。

12、此外，在上述基于多gpu的三維fdtd復雜路徑asf預測方法的基礎上，本專利技術還提出了一種計算機設備，該計算機設備包括存儲器和一個或多個處理器；

13、所述存儲器中存儲有可執(zhí)行代碼，所述處理器執(zhí)行所述可執(zhí)行代碼時，用于實現(xiàn)上面述及的基于多gpu的三維fdtd復雜路徑asf預測方法的步驟。

14、此外，在上述基于多gpu的三維fdtd復雜路徑asf預測方法的基礎上，本專利技術還提出了一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有程序；該程序被處理器執(zhí)行時，用于實現(xiàn)上面述及的基于多gpu的三維fdtd復雜路徑asf預測方法的步驟。

15、本專利技術具有如下優(yōu)點：

16、如上所述，本專利技術述及了一種基于多gpu的三維fdtd復雜路徑asf預測方法，該方法首次將3d-fdtd方法引入到asf預測中，其采用三維地形建模，能夠精確表征復雜不規(guī)則地形的電磁傳播特性，并且顯著提高了asf預測結果的準確性，解決了傳統(tǒng)的二維建模方法由于無法考慮橫向效應而導致asf預測精度差的問題。同時，本專利技術基于多gpu并行計算架構實現(xiàn)，而且根據(jù)復雜路徑asf預測問題對不同gpu設備間的數(shù)據(jù)傳輸進行了改進，克服了傳統(tǒng)三維fdtd方法難以模擬大區(qū)域低頻地波傳播的不足，在保證計算精度的前提下，大幅擴展了可計算區(qū)域規(guī)模，為大規(guī)模復雜地形場景下的asf預測提供了高效解決方案，更適合工程上的推廣。

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【技術保護點】

1.基于多GPU的三維FDTD復雜路徑ASF預測方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的基于多GPU的三維FDTD復雜路徑ASF預測方法，其特征在于，所述步驟1具體為：

3.根據(jù)權利要求2所述的基于多GPU的三維FDTD復雜路徑ASF預測方法，其特征在于，所述步驟2具體為：

4.根據(jù)權利要求3所述的基于多GPU的三維FDTD復雜路徑ASF預測方法，其特征在于，所述步驟3具體為：

5.根據(jù)權利要求4所述的基于多GPU的三維FDTD復雜路徑ASF預測方法，其特征在于，所述步驟4具體為：

6.根據(jù)權利要求5所述的基于多GPU的三維FDTD復雜路徑ASF預測方法，其特征在于，所述步驟5具體為：

7.根據(jù)權利要求6所述的基于多GPU的三維FDTD復雜路徑ASF預測方法，其特征在于，所述步驟6具體為：

8.根據(jù)權利要求7所述的基于多GPU的三維FDTD復雜路徑ASF預測方法，其特征在于，所述步驟8具體為：

9.一種計算機設備，包括存儲器和一個或多個處理器，所述存儲器中存儲有可執(zhí)行代碼，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述可執(zhí)行代碼時，實現(xiàn)如權利要求1至8任一項所述的基于多GPU的三維FDTD復雜路徑ASF預測方法的步驟。

10.一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有程序，其特征在于，程序被處理器執(zhí)行時，實現(xiàn)如權利要求1至8任一項所述的基于多GPU的三維FDTD復雜路徑ASF預測方法的步驟。

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【技術特征摘要】

1.基于多gpu的三維fdtd復雜路徑asf預測方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的基于多gpu的三維fdtd復雜路徑asf預測方法，其特征在于，所述步驟1具體為：

3.根據(jù)權利要求2所述的基于多gpu的三維fdtd復雜路徑asf預測方法，其特征在于，所述步驟2具體為：

4.根據(jù)權利要求3所述的基于多gpu的三維fdtd復雜路徑asf預測方法，其特征在于，所述步驟3具體為：

5.根據(jù)權利要求4所述的基于多gpu的三維fdtd復雜路徑asf預測方法，其特征在于，所述步驟4具體為：

6.根據(jù)權利要求5所述的基于多gpu的三維fdtd復雜路徑asf預測方法，其特征在于，所述...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：王丹丹，婁燕飛，楊瑞紅，韓超，白培瑞，
申請(專利權)人：山東科技大學，
類型：發(fā)明
國別省市：