模拟退火遗传算法在手持GPS接收机中的应用

刘楠等

摘要分析了手持GPS接收机在实际应用中定位精度的影响因素，提出了模拟退火遗传算法，并将该算法用于导航接收机中，建立了实现原理框图，进而提出了模拟退火遗传算法的具体步骤，通过实测检测得到较高的精度。

关键词手持GPS；模拟退火；遗传算法；导航接收机

中图分类号S127文献标识码

A文章编号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

隨着计算机技术、网络技术、定位技术的发展，手持GPS作为现代测量手段逐步应用于寻求定点和面积测量等领域[1]。GPS接收机虽然具有操作简便、全天候作业及自动化等特点，但是在实际应用过程中，当信号条件不理想时，如林区山地、树冠和郁闭度等森林低信噪比环境下或特殊地形的遮蔽[2] ，卫星通讯信号能量有更多的削弱和衰落，到达时间有更大的延迟，接收信噪比有更大程度的恶化，所以，其可用性和定位精度都会大大下降，GPS的总体性能会严重恶化。近年来，不少研究者提出了遗传算法用于GPS弱信号接收的方案，取得了不错的结果，但遗传算法存在进化次数多、出现局部最优或者种群规模大、导致运行时间相对较长的缺点[3]。而模拟退火能以概率1向全局最优值收敛[4]，若将模拟退火应用于遗传算法中，便能克服遗传算法易陷入局部极小点的缺点，使搜索沿全局最优化方向发展。仿真结果表明，基于模拟退火遗传算法的GPS弱信号检测方法，运行速度快，误码率低。

1问题描述

传统的手持GPS接收机射频前端和信号处理部分均由专用定制的芯片来实现，硬件接收机的信号处理由芯片在内部定制实现[5]。GPS软件接收机可为研究人员提供丰富的评估和验证平台，GPS软件接收机由射频前端硬件设备和PC机中的GPS信号处理程序两部分组成。根据GPS信号的模型特征

精确的林业数据采集，如森林土壤类型分析、森林病虫害管理、森林资源调查、林火面监测、遥感样地定位、森林生物量估测、木材收获等依赖精确的位置信息，手持GPS主要实现对采集的林间信息进行空间定位，实时、快速地提供包括各类传感器和运载平台目标的空间位置[6]。在GPS信号传输过程中，由于障碍物遮挡，例如林区高大乔木或复杂电磁环境的干扰，GPS信号强度较大地衰弱。当信号载噪比低于38DB时，普通的并行码捕获算法将无法检测到信号。因此，对GPS弱信号的捕获是GPS应用领域的研究热点。

2系统模型

为了实现GPS弱信号的接收，可以采用基于模拟退火的遗传算法，其既能使优良个体得以保留又能维持群体的多样性，减少遗传算法的选择压力。该研究利用模拟退火算法的Boltzman体制来控制接收交配和变异的个数。

4实例验证

研究区域在东北林业大学帽儿山实验林场已知控制点。在实地找到控制点后，首先将手持式GPS调整到WGS-84坐标系下，并用经纬度读数将GPS接收机放在控制点上，持续观测3 h以上得到数据。再将控制点转换成空间直角坐标，结算出来的坐标结果与实际结果的数据对比如表1所示。算法的计算参数种群数为10，变异概率为0.9，交叉概率为0.1。图2比较了最佳用户检测（OMD）、遗传算法检测（GA）和模拟退火遗传算法检测（SAGA）的抗干扰能力。由图2可见，模拟退火遗传算法检测最优。图3为迭代次数与误码率的关系，可以看出，随着迭代次数的增加，两种检测的误码率降低，但在相同次数情况下，SAGA算法误码率比GA算法误码率小。这说明，SAGA算法更加接近最优解，在相同误码率的前提下，SAGA算法的计算量较少。

参考文献

[1]

胡斌，陈林. 全球定位系统（GPS）技术浅谈[J]. 内蒙古科技与经济， 2009（S1）：2008-2009.

[2] EVA H，CARBONI S，ACHARD F.Monitoring forest areas from continental to territorial levels using a sample of medium spatial resolution satellite imagery[J]. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing， 2010， 65（2）：191-197.

[3] 苏征凯，林静然，彭启琮. 一种低SNR环境下的跟踪环路[J]. 信息安全与通信保密，2010，23（2）：35-37.

[4] 高帅和，赵琳，郭丽姝. 引入微分控制思想的辅助GPS载波跟踪环路设计[J].电子学报， 2012，3（2）：817-820.

[5] 苗剑峰，周贵荣，赵媛媛. 基于WL（软件接收机平台的弱信号捕获算法研究[J]. 现代电子技术， 2013，35（17）：63-66.

[6] 张慧春，郑加强，周宏平. 精确林业 GPS 信标差分定位精度分析[J]. 农业工程学报， 2011，27（7）：210-213.