遺傳算法輔助偽衛(wèi)星試驗場址選擇優(yōu)化方法研究

周鋒+符京楊+焦志勇

【摘要】 偽衛(wèi)星是現(xiàn)代新通信技術(shù)在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的重要應(yīng)用，可以增強衛(wèi)星導(dǎo)航定位的精度和連續(xù)性，同時提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的反干擾反欺騙性能。本文設(shè)計了一種偽衛(wèi)星試驗場址選擇優(yōu)化的方法，以試驗場內(nèi)信號接收機與偽衛(wèi)星構(gòu)成的HDOP、VDOP和仰角為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合實際地形對待選場地通過遺傳算法進行優(yōu)化，然后對待選場地分別評分，通過定量的比較確定最優(yōu)的試驗場選址。【關(guān)鍵詞】 偽衛(wèi)星 遺傳算法 選址 優(yōu)化

一、引言

偽衛(wèi)星技術(shù)是無線電通信技術(shù)在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的重要應(yīng)用。偽衛(wèi)星的本質(zhì)就是地基或者空基的信號發(fā)射站，其發(fā)射與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相兼容的信號。偽衛(wèi)星主要應(yīng)用有下面幾點：在GNSS（全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）的研制建設(shè)階段，偽衛(wèi)星的加入能夠使用戶更早獲得定位服務(wù)；偽衛(wèi)星可以為接收機的研制提供測試環(huán)境；在強電磁干擾環(huán)境下，偽衛(wèi)星通過地基增強的工作方式能夠提高導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾和抗欺騙能力；與在軌衛(wèi)星共同工作以改善衛(wèi)星定位的精度和可用性；在山區(qū)、城市等導(dǎo)航信號收到遮擋的地形環(huán)境下，利用偽衛(wèi)星可提高定位連續(xù)性；在室內(nèi)、地下等無法接收到衛(wèi)星信號的場合下替代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供定位服務(wù)或提供導(dǎo)航信號的無縫連接；此外，偽衛(wèi)星還可用于民用航空的精密進近等。而伴隨著新通信技術(shù)的發(fā)展，偽衛(wèi)星技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也將更加寬廣。

偽衛(wèi)星應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)包括遠近效應(yīng)處理、多路徑效應(yīng)減弱、偽衛(wèi)星的時間同步和組網(wǎng)布設(shè)優(yōu)化設(shè)計等。偽衛(wèi)星測試場選址是指在如何在備選區(qū)域選擇出合適的試驗場位置。由于偽衛(wèi)星的位置用三維坐標(biāo)來表示，且搜索的范圍較大。采用一般的優(yōu)化算法，將容易導(dǎo)致搜索溢出，通過遺傳算法可以有效解決這一問題。

二、偽衛(wèi)星測試場選址采用的遺傳算法及流程

遺傳算法是目前科學(xué)界廣為應(yīng)用的一種常規(guī)數(shù)學(xué)計算流程，通過廣泛搜索對population執(zhí)行fitness & selection、 crossover、mutation等一系列流程，產(chǎn)生出新的generation，并逐步接近期望的最優(yōu)解。其流程主要有：（1）初始化；（2）適應(yīng)度評估；（3）選擇；（4）交叉；（5）變異；（6）解碼。

遺傳算法輔助偽衛(wèi)星測試場選址的流程為：首先根據(jù)偽衛(wèi)星的組網(wǎng)布設(shè)確定目標(biāo)的樣本群體；然后計算它們對覆蓋區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的HDOP、VDOP值和仰角，將這些指標(biāo)分別確定權(quán)重；而后進行遺傳算法計算過程；最后通過電腦編程計算，通過程序迭代直到確定得到最優(yōu)解，并終止迭代。

三、偽衛(wèi)星測試場選址的優(yōu)化步驟

在偽衛(wèi)星測試場選址的優(yōu)化步驟中，首選確定N塊備選場址，然后擬定仿真評估方案。即針對所提出的N塊待選備選測試場選址方案進行初步仿真評估，具體方法為：以待選場地的幾何中心為中心，兩條邊取正南北方向、另兩條邊取正東西方向的正方形內(nèi)用戶的優(yōu)化平均HDOP、VDOP、仰角為評估指標(biāo)，比較分析這N塊待選場地。每塊場地的優(yōu)化平均HDOP、VDOP通過在場地內(nèi)優(yōu)化n個偽衛(wèi)星站的布站位置來獲得。

仿真評估分以下4步：

第一步：采用遺傳算法，對每一塊場地內(nèi)的n個偽衛(wèi)星站的布站位置進行優(yōu)化設(shè)計；

第二步：計算每一塊場地的優(yōu)化平均HDOP、VDOP和仰角（以角度為單位），分別記為H、V和E；

第三步：根據(jù)主要需求建立數(shù)學(xué)模型，并通過軟件仿真給每一塊場地打分；

第四步：比較N塊場地的得分，選出得分最高者，即為最優(yōu)選址方案。

四、結(jié)論

對N塊備選偽衛(wèi)星測試場地采用遺傳算法計算，基于優(yōu)化后的偽衛(wèi)星位置，綜合評估HDOP、VDOP和仰角，計算這N塊備選偽衛(wèi)星測試場地的得分。其中得分最高的為最優(yōu)選址方案。本文所述方法可以采用軟件仿真來驗證其科學(xué)性和有效性。此外，更進一步的選址優(yōu)化可對這N塊備選偽衛(wèi)星測試場地中計算出的較優(yōu)場地進行現(xiàn)場電測，勘測其電磁環(huán)境和通視性，進而可以篩選出更為優(yōu)化的場地選址方案。

參 考 文 獻

[1] 段文偉，于龍洋，張波，李署堅.小生境遺傳算法在偽衛(wèi)星布站中的應(yīng)用[J].電子測量技術(shù)，2013

[2] 宋倩，張波，李署堅.地面?zhèn)涡l(wèi)星組網(wǎng)布設(shè)技術(shù)研究[J].計算機測量與控制，2012.

[3] 桑文剛，何秀鳳，陳永奇.基于精度因子幾何結(jié)構(gòu)的獨立偽衛(wèi)星布局研究[J].測繪通報，2013.