模擬退火遺傳算法在手持GPS接收機(jī)中的應(yīng)用

劉楠等

摘要分析了手持GPS接收機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中定位精度的影響因素，提出了模擬退火遺傳算法，并將該算法用于導(dǎo)航接收機(jī)中，建立了實(shí)現(xiàn)原理框圖，進(jìn)而提出了模擬退火遺傳算法的具體步驟，通過實(shí)測(cè)檢測(cè)得到較高的精度。

關(guān)鍵詞手持GPS；模擬退火；遺傳算法；導(dǎo)航接收機(jī)

中圖分類號(hào)S127文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2014）06-01660-02

Abstract In practical application， the factors influencing the precision of portable GPS were discussed. The simulated annealing genetic algorithm in multiuser detection was proposed， and used in the navigation receiver， the principle scheme was presented， and concretely process was proposed. High precision was acquired through actual measurement with instruments.

Key words Portable GPS； Simulated annealing； Genetic algorithm； Navigation receiver

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、定位技術(shù)的發(fā)展，手持GPS作為現(xiàn)代測(cè)量手段逐步應(yīng)用于尋求定點(diǎn)和面積測(cè)量等領(lǐng)域[1]。GPS接收機(jī)雖然具有操作簡(jiǎn)便、全天候作業(yè)及自動(dòng)化等特點(diǎn)，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，當(dāng)信號(hào)條件不理想時(shí)，如林區(qū)山地、樹冠和郁閉度等森林低信噪比環(huán)境下或特殊地形的遮蔽[2] ，衛(wèi)星通訊信號(hào)能量有更多的削弱和衰落，到達(dá)時(shí)間有更大的延遲，接收信噪比有更大程度的惡化，所以，其可用性和定位精度都會(huì)大大下降，GPS的總體性能會(huì)嚴(yán)重惡化。近年來，不少研究者提出了遺傳算法用于GPS弱信號(hào)接收的方案，取得了不錯(cuò)的結(jié)果，但遺傳算法存在進(jìn)化次數(shù)多、出現(xiàn)局部最優(yōu)或者種群規(guī)模大、導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)的缺點(diǎn)[3]。而模擬退火能以概率1向全局最優(yōu)值收斂[4]，若將模擬退火應(yīng)用于遺傳算法中，便能克服遺傳算法易陷入局部極小點(diǎn)的缺點(diǎn)，使搜索沿全局最優(yōu)化方向發(fā)展。仿真結(jié)果表明，基于模擬退火遺傳算法的GPS弱信號(hào)檢測(cè)方法，運(yùn)行速度快，誤碼率低。

1問題描述

傳統(tǒng)的手持GPS接收機(jī)射頻前端和信號(hào)處理部分均由專用定制的芯片來實(shí)現(xiàn)，硬件接收機(jī)的信號(hào)處理由芯片在內(nèi)部定制實(shí)現(xiàn)[5]。GPS軟件接收機(jī)可為研究人員提供豐富的評(píng)估和驗(yàn)證平臺(tái)，GPS軟件接收機(jī)由射頻前端硬件設(shè)備和PC機(jī)中的GPS信號(hào)處理程序兩部分組成。根據(jù)GPS信號(hào)的模型特征

精確的林業(yè)數(shù)據(jù)采集，如森林土壤類型分析、森林病蟲害管理、森林資源調(diào)查、林火面監(jiān)測(cè)、遙感樣地定位、森林生物量估測(cè)、木材收獲等依賴精確的位置信息，手持GPS主要實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的林間信息進(jìn)行空間定位，實(shí)時(shí)、快速地提供包括各類傳感器和運(yùn)載平臺(tái)目標(biāo)的空間位置[6]。在GPS信號(hào)傳輸過程中，由于障礙物遮擋，例如林區(qū)高大喬木或復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾，GPS信號(hào)強(qiáng)度較大地衰弱。當(dāng)信號(hào)載噪比低于38DB時(shí)，普通的并行碼捕獲算法將無法檢測(cè)到信號(hào)。因此，對(duì)GPS弱信號(hào)的捕獲是GPS應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

2系統(tǒng)模型

為了實(shí)現(xiàn)GPS弱信號(hào)的接收，可以采用基于模擬退火的遺傳算法，其既能使優(yōu)良個(gè)體得以保留又能維持群體的多樣性，減少遺傳算法的選擇壓力。該研究利用模擬退火算法的Boltzman體制來控制接收交配和變異的個(gè)數(shù)。

4實(shí)例驗(yàn)證

研究區(qū)域在東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)已知控制點(diǎn)。在實(shí)地找到控制點(diǎn)后，首先將手持式GPS調(diào)整到WGS-84坐標(biāo)系下，并用經(jīng)緯度讀數(shù)將GPS接收機(jī)放在控制點(diǎn)上，持續(xù)觀測(cè)3 h以上得到數(shù)據(jù)。再將控制點(diǎn)轉(zhuǎn)換成空間直角坐標(biāo)，結(jié)算出來的坐標(biāo)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。算法的計(jì)算參數(shù)種群數(shù)為10，變異概率為0.9，交叉概率為0.1。圖2比較了最佳用戶檢測(cè)（OMD）、遺傳算法檢測(cè)（GA）和模擬退火遺傳算法檢測(cè)（SAGA）的抗干擾能力。由圖2可見，模擬退火遺傳算法檢測(cè)最優(yōu)。圖3為迭代次數(shù)與誤碼率的關(guān)系，可以看出，隨著迭代次數(shù)的增加，兩種檢測(cè)的誤碼率降低，但在相同次數(shù)情況下，SAGA算法誤碼率比GA算法誤碼率小。這說明，SAGA算法更加接近最優(yōu)解，在相同誤碼率的前提下，SAGA算法的計(jì)算量較少。

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