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        遺傳算法輔助偽衛(wèi)星試驗場址選擇優(yōu)化方法研究

        2017-05-27 11:48:58周鋒符京楊焦志勇
        中國新通信 2017年9期
        關(guān)鍵詞:選址遺傳算法優(yōu)化

        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(qiáng)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(jī)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(jìn)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(jī)的研制提供測試環(huán)境;在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下,偽衛(wèi)星通過地基增強(qiáng)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(jìn)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(yuǎn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行現(xiàn)場電測,勘測其電磁環(huán)境和通視性,進(jìn)而可以篩選出更為優(yōu)化的場地選址方案。

        參 考 文 獻(xiàn)

        [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(jī)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.

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