遗传算法辅助伪卫星试验场址选择优化方法研究

周锋+符京杨+焦志勇

【摘要】 伪卫星是现代新通信技术在卫星导航领域的重要应用，可以增强卫星导航定位的精度和连续性，同时提升卫星导航系统的反干扰反欺骗性能。本文设计了一种伪卫星试验场址选择优化的方法，以试验场内信号接收机与伪卫星构成的HDOP、VDOP和仰角为优化目标，结合实际地形对待选场地通过遗传算法进行优化，然后对待选场地分别评分，通过定量的比较确定最优的试验场选址。【关键词】 伪卫星 遗传算法 选址 优化

一、引言

伪卫星技术是无线电通信技术在卫星导航领域的重要应用。伪卫星的本质就是地基或者空基的信号发射站，其发射与卫星导航系统相兼容的信号。伪卫星主要应用有下面几点：在GNSS（全球卫星导航系统）的研制建设阶段，伪卫星的加入能够使用户更早获得定位服务；伪卫星可以为接收机的研制提供测试环境；在强电磁干扰环境下，伪卫星通过地基增强的工作方式能够提高导航系统的抗干扰和抗欺骗能力；与在轨卫星共同工作以改善卫星定位的精度和可用性；在山区、城市等导航信号收到遮挡的地形环境下，利用伪卫星可提高定位连续性；在室内、地下等无法接收到卫星信号的场合下替代卫星导航系统提供定位服务或提供导航信号的无缝连接；此外，伪卫星还可用于民用航空的精密进近等。而伴随着新通信技术的发展，伪卫星技术的应用领域也将更加宽广。

伪卫星应用中的关键技术包括远近效应处理、多路径效应减弱、伪卫星的时间同步和组网布设优化设计等。伪卫星测试场选址是指在如何在备选区域选择出合适的试验场位置。由于伪卫星的位置用三维坐标来表示，且搜索的范围较大。采用一般的优化算法，将容易导致搜索溢出，通过遗传算法可以有效解决这一问题。

二、伪卫星测试场选址采用的遗传算法及流程

遗传算法是目前科学界广为应用的一种常规数学计算流程，通过广泛搜索对population执行fitness & selection、 crossover、mutation等一系列流程，产生出新的generation，并逐步接近期望的最優解。其流程主要有：（1）初始化；（2）适应度评估；（3）选择；（4）交叉；（5）变异；（6）解码。

遗传算法辅助伪卫星测试场选址的流程为：首先根据伪卫星的组网布设确定目标的样本群体；然后计算它们对覆盖区域内目标的HDOP、VDOP值和仰角，将这些指标分别确定权重；而后进行遗传算法计算过程；最后通过电脑编程计算，通过程序迭代直到确定得到最优解，并终止迭代。

三、伪卫星测试场选址的优化步骤

在伪卫星测试场选址的优化步骤中，首选确定N块备选场址，然后拟定仿真评估方案。即针对所提出的N块待选备选测试场选址方案进行初步仿真评估，具体方法为：以待选场地的几何中心为中心，两条边取正南北方向、另两条边取正东西方向的正方形内用户的优化平均HDOP、VDOP、仰角为评估指标，比较分析这N块待选场地。每块场地的优化平均HDOP、VDOP通过在场地内优化n个伪卫星站的布站位置来获得。

仿真评估分以下4步：

第一步：采用遗传算法，对每一块场地内的n个伪卫星站的布站位置进行优化设计；

第二步：计算每一块场地的优化平均HDOP、VDOP和仰角（以角度为单位），分别记为H、V和E；

第三步：根据主要需求建立数学模型，并通过软件仿真给每一块场地打分；

第四步：比较N块场地的得分，选出得分最高者，即为最优选址方案。

四、结论

对N块备选伪卫星测试场地采用遗传算法计算，基于优化后的伪卫星位置，综合评估HDOP、VDOP和仰角，计算这N块备选伪卫星测试场地的得分。其中得分最高的为最优选址方案。本文所述方法可以采用软件仿真来验证其科学性和有效性。此外，更进一步的选址优化可对这N块备选伪卫星测试场地中计算出的较优场地进行现场电测，勘测其电磁环境和通视性，进而可以筛选出更为优化的场地选址方案。

参 考 文 献

[1] 段文伟，于龙洋，张波，李署坚.小生境遗传算法在伪卫星布站中的应用[J].电子测量技术，2013

[2] 宋倩，张波，李署坚.地面伪卫星组网布设技术研究[J].计算机测量与控制，2012.

[3] 桑文刚，何秀凤，陈永奇.基于精度因子几何结构的独立伪卫星布局研究[J].测绘通报，2013.