[科普中国]-网格点模式

简介

网格点模式是指处理有关问题时，将问题按照某种方式分成一个个网格，通过计算每一个网格点的覆盖性能或结果，最终在一定范围内进行统计，找到问题的合适的解决方案。使用网格点模式处理有关问题，一般都采用近似计算和分布式计算的思想，即先计算局部，再计算整体。网格点模式在很多领域都有应用，例如卫星覆盖性能评估，网格计算等。网格点模式也可以是指图像采用网格点制作图像背景。

分布式计算所谓分布式计算是一门计算机科学，它研究如何把一个需要非常巨大的计算能力才能解决的问题分成许多小的部分，然后把这些部分分配给许多计算机进行处理，最后把这些计算结果综合起来得到最终的结果。 最近的分布式计算项目已经被用于使用世界各地成千上万位志愿者的计算机的闲置计算能力，通过因特网，您可以分析来自外太空的电讯号，寻找隐蔽的黑洞，并探索可能存在的外星智慧生命；您可以寻找超过1000万位数字的梅森质数；您也可以寻找并发现对抗艾滋病病毒的更为有效的药物。这些项目都很庞大，需要惊人的计算量，仅仅由单个的电脑或是个人在一个能让人接受的时间内计算完成是决不可能的。

分布式计算是一种计算方法，和集中式计算是相对的。随着计算技术的发展，有些应用需要非常巨大的计算能力才能完成，如果采用集中式计算，需要耗费相当长的时间来完成。分布式计算将该应用分解成许多小的部分，分配给多台计算机进行处理。这样可以节约整体计算时间，大大提高计算效率。

网格把地理位置上分散的资源集成起来的一种基础设施。通过这种基础设施，用户不需要了解这个基 础设施上资源的具体细节就可以使用自己需要的资源。分布式资源和通信网络是网格的物理基础，网 格上的资源包括计算机、仪器、设备、传感器、存 储设施、数据、软件等实体。I.Foster把网格描述为： “是构筑在互联网上的一组新兴技术，它将高速互 联网、计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体，为科技人员和普通老百姓提供更多的资 源、功能和服务。互联网主要为人们提供电子邮件、 网页浏览等通信功能，而网格则能提供更多更强的 功能，它能让人们共享计算资源、存储资源和其他资源。”网格把用通信手段连接起来的资源无缝集成为 一个有机的整体。它给用户提供一种基于国际互联 网的新型计算平台，在这个平台上对来自客户的请求和提供资源的能力之间进行合理的匹配，为用户的请求选择合适的资源服务，可事先广域范围的资 源共享。网格把分布的资源集成为一台能力巨大的超级计算机，提供计算资源、存储资源、数据资源、 信息资源、知识资源、专家资源、设备资源的全面共享。资源共享是网格的根本特征，消除资源孤岛是网格的奋斗目标。与其他系统一样，网格中也包含主体和客体两 种实体。网格主体包括两类： 一类是网格用户，一 类是网格应用。网格客体则是所有可以被主体通过 网格请求使用的对象，如硬件设施、软件、数据和信息等。根据网格客体对象不同，可以把网格分为数据网格、计算网格和通信网格。数据网格中共享的基 本单位是数据，主要解决数据的共享问题；计算网格中共享的基本单位是计算资源，计算网格为用户 提供共享资源的良好接口和机制; 服务网格中共享 的对象是服务，以服务的形式提供共享的手段。在 服务网格中，人们可以把不同的资源经过封装用服 务的形似提供给网格主体使用。

网格中的所有资源对外提供统一的访问接口，资源请求者只要按照统一的格式发出请求使用资源 的消息，就可以使用被网格获准使用的网格资源。用户使用网格资源时，不需要知道所用资源在网格中的位置、所访问的数据格式和存储形式1。

模式模式（Pattern），在物体或事件上，产生的一种规律变化与自我重复的样式与过程。在模式之中，某些固定的元素不断以可预测的方式周期性重现。最基本而常见的模式，称为密铺，具备重复性以及周期性两大特征。找寻出固定模式是人类基本的认知功能之一。

网格计算网格 (Grid) 一词来自于电力网 (Electric Power Grid) ，网格提出的初衷是希望用户在使用网格时，就如同使用电力这样的基础设施一样方便2。网格计算 (Grid Computing) 的概念最初是 I-way 项目于 1995 年提出的，其前身是元计算 (Meta computing) 。 早期的元计算被定义为在一个网络环境下用户能够透明地获得强大的计算资源。网格以及网格计算本身目前还没有一个公认的定义。根据 Ian Foster 博士早期的定义，网格是一个集成的计算和资源环境，或者说是一个计算资源池。 网格能够充分吸纳各种资源，并将它们转化为一种随处可得的、可靠的、标准的同时还是经济的计算能力，除了各种类型的计算机，这里的资源还包括网络通信能力、数据资源、仪器设备等。网格是一个满足如下3个条件的系统：在非集中控制的环境中协同使用资源。网格能集成和协调资源与用户在不同控制域内的活动。例如，不同的控制域有：使用集中计算的用户桌面，同一公司的不同的管理部门，或者不同的公司等；同时，网格能解决包括安全、策略、付款、成员资格以及出现的各种问题。否则， 它作为一个本地的管理系统来处理。使用标准的、开放的、通用的协议和接口。一个网格是由多用途协议和接口来构建的，该协议应能解决诸如鉴别、授权、资源发现和资源访问等基本问题。这里强调这些协议和接口的标准化和开放性是很重要的。否则，它作为一项具体应用系统来处理。提供非凡的服务质量。网格允许按协作的方式来使用其组成资源，以提供各种各样的服务质量；如反应时间、容许能力、可利用性和安全性，还有协作配置多重资源类型以满足复杂的用户要求等服务质量，这种组合系统的功效大大高于该系统各部分功效的总和。

星座覆盖性能评估的网格点仿真法卫星星座覆盖性能的评估在星座设计中起着重要的作用。星座覆盖性能指标通常是判断星座设计优劣的一项重要指标；其计算的快速性对星座优化设计有重要的意义。存在着解析法和网格点数值仿真法两种计算星座覆盖性能指标的方法。对于单颗卫星来说，解析法可以简单地给出地面覆盖情况。但解析方法很难将多颗卫星覆盖区域发生重叠、非圆轨道、地球旋转等情况考虑在内。网格点仿真法是在轨道仿真的基础上，按照仿真步长，跟踪卫星在每一个时刻对网格点的观测信息。网格点仿真法考虑各种轨道及摄动的影响，能准确的得到地面覆盖的统计数据，但同时存在着由仿真步长引起的误差，计算时间相当长。地球模型取为旋转球体，轨道模型选用 J2项摄动模型。对于星座的覆盖品质研究, 仅考虑 J2项摄动就已经具有较好的精度。网格点仿真法计算星座对某一区域的覆盖性能，首先将区域化分成若干网格，然后计算星座对每一个网格点的覆盖性能，最终将其在一定地面范围内进行再统计(取平均值、取最大值、取最小值)可以衍生出相应地区的统计指标。某一地面点覆盖性能指标的计算分三层：分别求出单颗卫星对地面点的覆盖时刻集，即卫星进入地面点可视锥范围的起始和终止时刻的集合; 合并所有卫星对地面点的覆盖时刻集，得到星座对地面点的覆盖时刻集；计算星座对地面点的各重覆盖性能指标 。改进网格点仿真法采用解析公式求解单颗卫星对地面点覆盖时刻集。不需按照仿真步长对时间进行划分，跟踪每个时刻地面点的覆盖特性。考虑卫星天线为全向天线，单颗卫星覆盖地面点时需要满足以下两个条件：1)固连于地球表面的地面点随地球旋转, 其可视锥与轨道相交。2)卫星相对地面点的高低角大于或等于地面点的最小仰角。在整个仿真时间内，首先计算地面点可视锥与轨道相交的时间范围；然后将上层时间划分为若干段, 在存在卫星可视的时间段内，搜索卫星相对地面点高低角的临界值，根据高低角与时刻的对应关系，求得卫星覆盖的起始和终止时刻。