High Performance Computing im Einsatz zur Schwerefeldanalyse mit CHAMP, GRACE und GOCE

Abstract

Das Schwerefeld der Erde ist in den letzten Jahren verstärkt zum Forschungsgegenstand geworden. Von besonderer Bedeutung zur globalen Modellierung des Schwerefeldes sind dabei Satellitenverfahren. Derzeit sind dafür die drei Satellitenmissionen CHAMP, GRACE und GOCE operierend oder in Vorbereitung. Die Auswertung dieser Daten ist aufgrund der großen Menge an Beobachtungen und Unbekannten sehr aufwändig, weshalb der Einsatz von Hochleistungsrechnern nötig ist. Diese Arbeit erläutert die Grundlagen der Schwerefeldbestimmung aus Satellitenverfahren. Detailiert werden die heute existierenden Hochleistungsrechner-Architekturen mit ihren spezifischen Vor- und Nachteilen vorgestellt. Ebenfalls eingegangen wird auf die Programmierung von Hochleistungsrechnern und die dafür geeigneten Softwarepakete. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Algorithmen zur Schwerefeldbestimmung auf verschiedenen Hochleistungsrechner-Architekturen implementiert. Die beiden Algorithmen (ein Brute-Force und ein iteratives Schätzverfahren) werden mit den Details ihrer Implementierung und Parallelisierung beschrieben. Dazu gehört auch die Einführung einer Gewichtsmatrix, die Verwendung von Regularisierung zur Stabilisierung des Gleichungssystems, sowie der Varianzkomponentenschätzung zur Kombination verschiedener Beobachtungstypen. Die Ergebnisse der Implementierung und Parallelisierung der beiden Algorithmen auf den verschiedenen verwendeten Hochleistungsrechnern werden detailiert präsentiert. Daraus lassen sich unter anderem Rückschlüsse auf die Eignung verschiedener Architekturen für die verwendeten Algorithmen ziehen. Ebenfalls vorgestellt werden die Ergebnisse der Gewichtung, der Regularisierung und der Varianzkomponentenschätzung.

The earth's gravity field has increasingly been in the focus of research in recent years. Satellite methods are of special importance in the global modelling of the gravity field. For this, the three satellite missions CHAMP, GRACE and GOCE are currently operating or in preparation. The analysis of these data is, due to the large number of observations and unknowns, very complex, which requires the use of high performance computers. This work explains the basics of gravity field estimation out of satellite methods. Today's existing high performance computer architectures are presented with their respective advantages and disadvantages. Also mentioned are the programming of high performance computers and suitable software packages. In the scope of this work, two algorithms for gravity field estimation were implemented on different high performance computer architectures. The two algorithms (a brute force and an iterative estimator) are explained with the details of their implementation and parallelization. This includes the introduction of a weight matrix, the use of regularization for the stabilization of the equation system, as well as variance component estimation for the combination of different observation types. The results of the implementation and parallelization of the two algorithms on the different high performance computers used are presented in details. This allows conclusions about the suitability of various architectures for the algorithms used. Also explained are the results of weighting, regularization and variance component estimation.