A High Performance Scientific Computation Method for High‑Resolution Earth’s Gravity Field Modeling

LIANG Wei; XU Xinyu; LI Jiancheng; LI Pengyuan; HUANG Jian; ZHU Tianlin; WANG Dongya; YUAN Gang

doi:10.13203/j.whugis20240321

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A High Performance Scientific Computation Method for High‑Resolution Earth’s Gravity Field Modeling

Geodesy and Survey Engineering | 更新时间：2026-11-05

- A High Performance Scientific Computation Method for High‑Resolution Earth’s Gravity Field Modeling
- Geomatics and Information Science of Wuhan University Vol. 51, Issue 5, Pages: 935-943(2026)
- 作者机构：
  
  1.北京跟踪与通信技术研究所，北京，100094
  2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙，410083
  3.武汉大学测绘学院，湖北武汉，430079
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13203/j.whugis20240321
  CLC： P223
- Received：15 July 2025，
  
  Published：05 May 2026
- 稿件说明：
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梁伟,徐新禹,李建成，等.一种高分辨率全球重力场模型构建的高性能科学计算方法[J].武汉大学学报（信息科学版）,2026,51(5):935-943.

LIANG Wei,XU Xinyu,LI Jiancheng,et al.A High Performance Scientific Computation Method for High‑Resolution Earth’s Gravity Field Modeling[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2026,51(5):935-943.
梁伟,徐新禹,李建成，等.一种高分辨率全球重力场模型构建的高性能科学计算方法[J].武汉大学学报（信息科学版）,2026,51(5):935-943. DOI：10.13203/j.whugis20240321

LIANG Wei,XU Xinyu,LI Jiancheng,et al.A High Performance Scientific Computation Method for High‑Resolution Earth’s Gravity Field Modeling[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2026,51(5):935-943. DOI：10.13203/j.whugis20240321

摘要

利用多源重力观测数据构建高分辨率全球重力场模型是重力场研究的基本任务之一。将半解析方法引入高分辨率重力场模型构建，同时采用开放多处理（open multi-processing，OpenMP）+信息传递接口（message passing interface，MPI）并行计算思路，设计了一种高分辨率全球重力场模型构建的高性能科学计算方法，该方法可以在大型集群计算系统下分布式运行。数值实验验证了计算方法的计算精度和效率，结果表明：半解析方法可有效减少模型构建的计算量和内存消耗，解算30′分辨率重力场模型的计算效率是传统块对角最小二乘方法的7倍；使用OpenMP+MPI混合并行算法的计算效率是串行程序的18倍（20个计算核心）；利用4个节点的80个中央处理器可在1 d内完成2′高分辨率重力场模型的解算。

Abstract

Objective

The computation task in high resolution Earth's gravity field modeling is very huge

as the dataset and the parameters are dramatically. We focus on high performance and scientific computation method in high‑resolution Earth's gravity field modeling to make model determination feasible.

Methods

The basic methods we used for high performance and computing are the semi-analysis method

open multi-processing (OpenMP) and message passing interface (MPI) parallel computing method. A new high performance and scientific computing method is designed. The semi-analysis method is also known as the lumped-coefficients method. The OpenMP and MPI technique are to make use of the huge-computing machine. And afterward the method is validated by numerical experiments on computing error and computing efficiency.

Results

The semi-analysis can effectively reduce the computation and storage consumption in high‑resolutoin gravity field modeling. The time consumption of OpenMP+MPI hybrid parallel computing is only 1/18.4 that of sequential computing with 20 cores. The proposed computing method with semi-analysis and OpenMP+MPI computing can be used on super computers for Earth's gravity field modeling

and the modeling of coefficients up to degree and order 5 399 can be completed within one day using 80 central processing unit on 4 nodes.

Conclusions

High performance and scientific computing is useful for high-resolution gravity field modeling

the method need to be improved tested for finer resolution field gravity field modeling.

关键词

Keywords

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