一種GNSS 監(jiān)測站選址模糊綜合評價方法*

陳 茜，馬 煦，李春霞

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京100094)

1 引 言

國際上正式提供導(dǎo)航服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要有美國的全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)、俄羅斯的“格洛納斯”(Global Navigation Satellite System，GLONASS)、中國的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Beidou Satellite Navigation System，BDS)，每個導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)內(nèi)都部署了數(shù)十個導(dǎo)航監(jiān)測站，這些監(jiān)測站盡全力收集視界內(nèi)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，為地面運(yùn)行控制系統(tǒng)完成衛(wèi)星軌道確定、衛(wèi)星鐘差測定、電離層修正、廣域差分改正與系統(tǒng)完好性監(jiān)測等主要業(yè)務(wù)處理提供實(shí)時高質(zhì)量的原始觀測數(shù)據(jù)。監(jiān)測站選址決定了原始觀測量的質(zhì)量，進(jìn)一步影響著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能。

為提高全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)的服務(wù)質(zhì)量，美國的GPS 是在全球建設(shè)導(dǎo)航監(jiān)測站，布局合理但建設(shè)昂貴;俄羅斯的GLONASS 監(jiān)測站分布受國家地理位置限制，對我國的BDS 有一定的借鑒意義。BDS 監(jiān)測站選址需要考慮的因素主要包括視場、電磁干擾、多路徑干擾、地質(zhì)環(huán)境、工作環(huán)境安全等;既要充分利用我國的遼闊幅員，又要盡量節(jié)約開支。針對以上因素并在總結(jié)“北斗”實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)標(biāo)校站經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種模糊綜合評價方法，建立了導(dǎo)航監(jiān)測站選址評價模型。該評價方法與模型既簡化了傳統(tǒng)模糊綜合評價因子，又通過硬判決與軟判決相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了BDS 監(jiān)測站地址的先篩選、后優(yōu)選。最后通過實(shí)例驗(yàn)證了評估模型的合理性和評估方法的有效性。

2 監(jiān)測站站址影響因素分析

衛(wèi)星導(dǎo)航監(jiān)測站伴隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)行而存在，其使用壽命長達(dá)十幾年甚至數(shù)十年，因此，其選址需要充分考慮多項(xiàng)因素。衛(wèi)星導(dǎo)航監(jiān)測站選址不僅要考慮視場因素、電磁干擾、多路徑干擾，還要考慮監(jiān)測站的可用性、監(jiān)測站所在城市的政治軍事因素、天氣氣候狀況及地質(zhì)環(huán)境因素，也要考慮傳輸線纜的極限長度等安裝維護(hù)方便程度。

視場大小通常以監(jiān)測接收機(jī)接收導(dǎo)航衛(wèi)星的觀測截止角表示，也稱視角，一般視角設(shè)置為5°、15°兩檔。為了擴(kuò)大衛(wèi)星導(dǎo)航監(jiān)測站的視場范圍，衛(wèi)星導(dǎo)航監(jiān)測站選址應(yīng)考慮監(jiān)測站周邊建筑物與監(jiān)測站天線的位置關(guān)系。視場是監(jiān)測站選址的重要評估因素，5°以上視角范圍內(nèi)不應(yīng)有建筑物遮擋，這是監(jiān)測站選址的硬性條件［1］。

電磁干擾因素是必須重點(diǎn)考慮的干擾因素［2］。電磁干擾源主要包括大型電廠變電站發(fā)出的強(qiáng)磁場信號、移動通信基站和廣播電視發(fā)射塔發(fā)出的無線電信號、大型雷達(dá)發(fā)出的強(qiáng)電磁波、其他系統(tǒng)的導(dǎo)航信號。監(jiān)測站選址應(yīng)盡量遠(yuǎn)離這些干擾信號。

多路徑干擾因素是導(dǎo)航監(jiān)測站監(jiān)測接收機(jī)偽距測量中的主要誤差源［3－4］，直接影響接收機(jī)的偽碼測距、載波相位和多普勒等觀測數(shù)據(jù)的測量精度，降低原始觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。從監(jiān)測站選址的角度，應(yīng)遠(yuǎn)離樹木、建筑物等容易反射造成多徑信號的環(huán)境。

精度因子(Dilution of Precision，DOP)值因素是影響衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)質(zhì)量的不可忽視的因素，DOP 值越小的地區(qū)定位精度越高。DOP 一般分為1～5級，大于5 的地區(qū)的導(dǎo)航信號可用性差。

電離層格網(wǎng)可用度由所有監(jiān)測站數(shù)據(jù)回傳至中心站計算而得，對系統(tǒng)服務(wù)很重要。

氣象條件主要是考慮臺風(fēng)、冰雹等極端天氣對導(dǎo)航監(jiān)測站設(shè)備的影響，極端天氣也會影響信號質(zhì)量，從而影響監(jiān)測站回傳給主控站的原始觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

地質(zhì)環(huán)境因素主要是考慮地質(zhì)沉降或抬升會影響天線相位中心坐標(biāo)變化，從而影響測距精度，影響原始觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。監(jiān)測站地址宜選擇在地殼運(yùn)動不顯著的區(qū)域。

政治軍事安全因素主要考慮該地區(qū)的軍事戰(zhàn)略地位、我方軍事力量部署、敵方軍事力量配置以及社會治安、民意民情等社會安全形勢。

工作環(huán)境因素主要考慮監(jiān)測站長期運(yùn)行需要的供水、電力、交通、供暖、燃?xì)獾纫约敖尤牍不驅(qū)Ｓ猛ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)的便利程度，以節(jié)約安裝維護(hù)成本，提高安裝維護(hù)的便利性。

3 監(jiān)測站選址模糊綜合評價方法

3.1 監(jiān)測站選址模糊綜合評價原理及流程

模糊綜合評價方法是應(yīng)用模糊理論對導(dǎo)航監(jiān)測站進(jìn)行綜合評價的一種方法，也是根據(jù)評價因子與加權(quán)系數(shù)經(jīng)過模糊變換后對監(jiān)測站站址作出評價的方法。模糊綜合評價先把影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的多種因素分類，然后對每一類因素進(jìn)行初級評價，最后對初級評價結(jié)果進(jìn)行高一級的綜合評價。在確定評價因素、因子的評價等級標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)值的基礎(chǔ)上，運(yùn)用模糊集合變換原理，以隸屬度描述各因素的模糊界限，構(gòu)造模糊評判矩陣，通過多層的復(fù)合運(yùn)算，最終確定評價對象所屬等級［5］。模糊綜合評價方法原理如圖1所示。本文直接應(yīng)用文獻(xiàn)［1］的矩陣模型結(jié)論，不再贅述。

圖1 監(jiān)測站選址模糊綜合評價原理Fig.1 Principle of fuzzy synthetic evaluation for address choosing of monitoring station

監(jiān)測站選址綜合評價流程如圖2所示，具體描述如下:

步驟1:輸入候選的監(jiān)測站地址;

步驟2:對監(jiān)測站站址影響因素進(jìn)行逐一評價;

步驟3:評判是否所有要素都合格，是則轉(zhuǎn)入步驟4，否則轉(zhuǎn)入步驟1;

步驟4:所有要素綜合評價打分;

步驟5:不同監(jiān)測站地址打分相比較，打分最高者為優(yōu)選監(jiān)測站地址。

圖2 監(jiān)測站選址模糊綜合評價流程Fig.2 Fuzzy synthetic evaluation processing for address choosing of monitoring station

3.2 監(jiān)測站選址模糊綜合評價模型

設(shè)監(jiān)測站打分因素共N 個，權(quán)數(shù)A ={a1，a2，…，aN}是模糊向量，R ={r1，r2，…，rN}是模糊變換器，其意義是每個評估因素的打分，則監(jiān)測站選址評價的數(shù)學(xué)模型為

式中，П 表示連乘運(yùn)算，sign()表示取符號運(yùn)算。通過取符號運(yùn)算這一硬判決方法，該模型實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測站選址各要素“一票否決制”原則條件下的監(jiān)測站地址篩選;進(jìn)一步通過各要素綜合打分，可實(shí)現(xiàn)在篩選后的不同監(jiān)測站地址間進(jìn)行優(yōu)選。與一般的模糊評判模型相比，該模型的區(qū)別在于根據(jù)監(jiān)測站選址因素一票否決制加入了取符號運(yùn)算作為硬判決。

3.3 監(jiān)測站選址評價權(quán)重與打分標(biāo)準(zhǔn)

美國著名運(yùn)籌學(xué)家A.L.Saaty 在20世紀(jì)70年代初提出利用層次分析法來確定指標(biāo)權(quán)值，該方法只需請專家給出指標(biāo)兩兩之間的相對重要性比較，就可以計算出權(quán)值［5］。

研究調(diào)查表明，至多需要7 個標(biāo)度點(diǎn)來區(qū)分事物之間質(zhì)的差別或重要程度的不同。在BDS監(jiān)測站選址評價過程中，簡化使用不超過3 個標(biāo)度來區(qū)分各個監(jiān)測站評價因素的權(quán)重的不同，即兩個因素相比同等重要、兩個因素相比一個因素比另一個因素明顯重要、兩個因素相比一個因素的一等狀態(tài)比另一因素重要但其二等狀態(tài)沒有另一個因素重要。

監(jiān)測站選址權(quán)重設(shè)計如下:首先根據(jù)監(jiān)測站選址因素的重要性程度，將視場、電磁干擾、多徑干擾、DOP 值、電離層可用性、氣象條件、地質(zhì)環(huán)境、政治軍事安全、工作環(huán)境共9 項(xiàng)因素分成三類:第一類是視場、電磁干擾、多徑干擾;第二類是DOP 值、電離層格網(wǎng)可用度、氣象條件;第三類是地質(zhì)環(huán)境、政治軍事安全、工作環(huán)境。三類之間的權(quán)重比例是0.5∶ 0.3∶ 0.2，第一類中3 項(xiàng)因素的權(quán)重比例為0.5∶ 0.3∶ 0.2，第二類中3 項(xiàng)因素的權(quán)重比例為0.3∶ 0.4∶ 0.3，第三類中3 項(xiàng)因素的權(quán)重比例為0.5∶ 0.3∶ 0.2，計算得9 項(xiàng)因素的權(quán)重比例分配如表1所示。由上述監(jiān)測站選址模糊綜合評價模型可知，各選址因素的權(quán)重即為模糊向量A = {a1，a2，…，aN}的取值。

表1 監(jiān)測站選址權(quán)重分配表Table 1 Weight distribution table for address choosing of monitoring station

R={r1，r2，…，rN}的取值具體得分即打分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 監(jiān)測站選址各因素打分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Each factor score standard for address choosing of monitoring station

4 監(jiān)測站選址實(shí)例驗(yàn)證

東北方向選址實(shí)例:候選的地址有DB1、DB2、DB3、DB4、DB5，對這5 個候選地址，逐一考核9 項(xiàng)站址影響因素進(jìn)行打分。以最重要的視場因素為例，DB1、DB2、DB3、DB4、DB5 的視場截止角曲線見圖3，DB1 在360°范圍的截止角均小于5°，DB2、DB3、DB4 在360°范圍的截止角均小于15°且大于5°，DB5 在360°范圍的截止角均大于15°。根據(jù)表2所示打分標(biāo)準(zhǔn)，DB1、DB2、DB3、DB4、DB5 的視場因素打分分別為2、1、1、0、1。依照此法，對余下8 項(xiàng)因素打分。匯總9 項(xiàng)因素打分結(jié)果見表3。

圖3 5 個候選地址360°范圍截止角曲線Fig.3 Five spare address 360° view curve

表3 五個候選地址打分表Table 3 Five spare address marking table

通過對5 個候選地點(diǎn)打分篩選，其中兩個站址一票否決，一是DB4 有明顯的遮擋，不適合建站;二是DB5 附近有強(qiáng)電磁干擾，不適合建站。適合建站的3 個站址經(jīng)打分排序，選得分最高的DB1 為最終優(yōu)選站址。

5 結(jié)束語

本文通過研究GPS 與GLONASS 監(jiān)測站以及BDS 早期的標(biāo)校站，得出GNSS 監(jiān)測站選址影響因素，即視場因素、電磁干擾因素、多路徑干擾因素、地質(zhì)環(huán)境因素、氣象因素、DOP 值因素、政治軍事安全因素等，并對影響監(jiān)測站選址需要考慮的因素進(jìn)行了全面分析，提出了一種新的模糊綜合評價方法對GNSS 監(jiān)測站選址進(jìn)行評估。該方法通過硬判決－軟判決相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一票否決制基礎(chǔ)上的監(jiān)測站地址優(yōu)選，達(dá)到了監(jiān)測站選址高效、精確的評估效果。采用的實(shí)例數(shù)據(jù)雖然說明了方法的有效性，但在特殊地區(qū)(小島礁)只能靠技術(shù)策略降低影響。

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