權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于模擬退火粒子群算法的網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化方法，其特征在于：在空間測量 定位系統(tǒng)中，為了獲得最優(yōu)的測站布局，建立由測站定位誤差，覆蓋范圍及使用成本組成的 多目標(biāo)數(shù)學(xué)關(guān)系模型，即測站布局優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用歸一化方法將空間測量定位系統(tǒng)的 布局優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，并利用基于模擬退火的粒子群算法獲取最優(yōu)的測站 布局。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模擬退火粒子群算法的網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化方法，其 特征在于：具體步驟如下： 步驟1)、在空間定位測量系統(tǒng)中，建立測站布局優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，包括系統(tǒng)定位誤差模 型、系統(tǒng)覆蓋范圍模型、成本模型； 步驟2)、運(yùn)用歸一化方法將空間測量定位系統(tǒng)的布局多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu) 化問題求解； 步驟3)、使用基于模擬退火的粒子群算法對測站布局優(yōu)化模型進(jìn)行求解。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于模擬退火粒子群算法的網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化方法，其 特征在于：所述步驟1)中， 系統(tǒng)定位誤差模型的建立過程如下： 在空間定位測量系統(tǒng)中，包括發(fā)射站，接收器，比例尺，全向矢量棒，其直接觀測量為光 平面從零位掃描至被測點(diǎn)的時(shí)間；在發(fā)射站的局部坐標(biāo)系下，時(shí)間信息和水平角及垂直角 建立一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系；因此對于發(fā)射站的每次測量，均有下列式子成立：式中Tn= (X。，y。，Zn)，n= 1，N表示為第n個(gè)發(fā)射站坐標(biāo)原點(diǎn)坐標(biāo)，P=(種，Yt,Zt) 表示待測點(diǎn)坐標(biāo)，R。是被測點(diǎn)在第n個(gè)發(fā)射站坐標(biāo)系下的水平投影距離坐標(biāo)原點(diǎn)的距離， a。表示第n個(gè)發(fā)射站的水平角，0。表示第n的發(fā)射站的垂直角； 若HIm表示第n個(gè)發(fā)射站的第i次水平角和垂直角的測量，Hii表示實(shí)測值，e。1表示測 量誤差，則有： IHi=f1燈1，Tz, . . .Tn,巧=Hini+e…n= 1，2...N 將函數(shù)經(jīng)泰勒級數(shù)展開并去掉所有非線性分量后，得到方位角誤差傳播矩陣H，表示 為：式中 為被測點(diǎn)到第n個(gè)發(fā)射站原點(diǎn)距離，為被測點(diǎn)水平投影到第n個(gè)發(fā)射站原點(diǎn)距離，此時(shí)對應(yīng)的 測量誤差協(xié)方差矩陣為Vm:式中(tJ和巧!分別表示水平角和垂直角測量方差；根據(jù)協(xié)方差矩陣進(jìn)行加權(quán)處理，此 時(shí)定位估計(jì)協(xié)方差矩陣D為： D=化Tym喃1 根據(jù)矩陣D，布站幾何對于空間上的任意一點(diǎn)Pk的精度幾何稀釋因子GDOP表示為：式中，表示Pk點(diǎn)的定位估計(jì)協(xié)方差矩陣； 對所有測站的布局優(yōu)化是為了達(dá)到對被測點(diǎn)的最高定位精度，則系統(tǒng)定位誤差模型 為： 〇1二GDOPpk。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于模擬退火粒子群算法的網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化方法，其 特征在于：所述步驟1)中， 系統(tǒng)覆蓋范圍模型的建立過程如下： 定義發(fā)射站兩個(gè)光平面傾角分別為41和42，令4m。、=max(<1)1，(62);則WZ軸為對 稱軸，錐角為2 (K。、的上下兩個(gè)倒立圓錐為發(fā)射站激光平面的掃描盲區(qū)；接收器與發(fā)射站 距離不同，光脈沖的脈寬將會發(fā)生變化，因此接收器將工作在有限的距離范圍內(nèi)； 在水平面區(qū)域0 上隨機(jī)布撒的被測目標(biāo)Pi,其坐標(biāo)為（Xi，yi)，對于任 意測站T，，其坐標(biāo)為（X,，y,)，則被測目標(biāo)Pi與任意測站T,之間的歐式距離為：因此只需要(1化，Tj)在接收器的有效工作距離[LRmi。，LRmJ之間即可，其中LRmm,LRmax分別表示接收器的最小，最大接收范圍；而對于有高度H的平面區(qū)域，發(fā)射站能測量的方位 角范圍表示為：其中a為水平角，0為垂直角；則測站的覆蓋面積模型表示為：式中，Total表示所有的待測點(diǎn)的個(gè)數(shù)； 若被測目標(biāo)徑向距離及垂直角大小在測站可測范圍之內(nèi)，認(rèn)為測站測得該點(diǎn)的概率為 1，若被測目標(biāo)徑向距離或垂直角大小中有一項(xiàng)超過測站可測范圍，則認(rèn)為測得該點(diǎn)的概率 為0。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于模擬退火粒子群算法的網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化方法，其 特征在于：所述步驟1)中， 成本模型的建立過程如下： 在所有測站都被部署完畢后，每種布局下測站的成本消耗模型表示為： 〇3二ON 式中C表示單個(gè)測站的成本，N表示測站的個(gè)數(shù)；在測量區(qū)域內(nèi)選擇測站數(shù)量，使得區(qū) 域最大覆蓋，滿足測量系統(tǒng)精度同時(shí)使用成本少，轉(zhuǎn)換為多目標(biāo)優(yōu)化問題求解； 根據(jù)測站定位誤差D和覆蓋范圍F及測站成本C，得到測站布局多目標(biāo)優(yōu)化模型：Min〇3二ON。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于模擬退火粒子群算法的網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化方法，其 特征在于：所述步驟2)中， 由于目標(biāo)函數(shù)量綱不同，運(yùn)用歸一化方法將空間測量定位系統(tǒng)的布局多目標(biāo)優(yōu)化問題 轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題求解，具體過程如下： 定位誤差數(shù)學(xué)模型表示為：其中，PDOPiim是用戶提出的測量精度要求； 覆蓋面積模型：使用成本模型：式中，N。。,是實(shí)際使用的測站數(shù)目，Nmax是可使用的測站數(shù)目； 因此該空間測量定位系統(tǒng)的布局優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為如下帶權(quán)重系數(shù)的單目標(biāo)最優(yōu)化問 題： maxf(X) =K1O1+K2O2+K3O3 式中，Ki，K2，K3表示權(quán)重，且= 1。 1=17.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于模擬退火粒子群算法的網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化方法，其 特征在于：所述步驟3)中， 使用基于模擬退火的粒子群算法對測站布局優(yōu)化模型進(jìn)行求解，按如下步驟進(jìn)行： 采用浮點(diǎn)數(shù)編碼方式對粒子進(jìn)行編碼，在一個(gè)m維的捜索空間內(nèi)，n個(gè)粒子組成種群： X=化，X2,X3,Xi,. . .XJ 第i個(gè)粒子表示一個(gè)m維向量： Xi - (x ii, Xj2, ? ? ? Xjij) 則第i個(gè)粒子的取值范圍為： Xi=a+(b-a) ?rand 其中a和b分別代表測量區(qū)域的上邊界和下邊界，rand是[0,1]空間上的一個(gè)隨機(jī)數(shù)； 根據(jù)編碼的染色體，計(jì)算相應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)FF: FF=K1O1+K2O2+K3O3 3 其中，Ki，K2，K3表示權(quán)重，且E馬=1;: 1=1 粒子的速度更新公式采用下式： Vi(k+1) =W?Vi似 +。江1 化似-Xi似]町似-Xi似] 式中，Vi(k+1)是粒子在k+1時(shí)刻的速度，Vi(k)是粒子在k時(shí)刻的速度，ri和r2為（0,1) 之間的隨機(jī)數(shù)，Pi化）表示個(gè)體極值，Xi化）表示粒子的當(dāng)前位置，Pg化）表示粒子的全局極 值，W代表慣性權(quán)重，Cl和C2為加速因子，分別代表粒子的認(rèn)知和社會權(quán)重，并且W，C1，C2的 取值根據(jù)迭代次數(shù)的增加而遞減：式中，Wm。濟(jì)Wmm分別代表最大和最小慣性權(quán)重，Cm。濟(jì)Cmi。分別代表加速因子的最大個(gè) 最小值，t代表當(dāng)前迭代次數(shù)，T代表總迭代次數(shù)； 粒子的速度限制采用下式： 二吃化i巧>^偷 代二吃n 式中，Vm。、和Vmm分別表示速度的最大和最小值； 粒子的位置公式采用下式： Xi化+1) =Xi(k)+Vi(k+1) 粒子的位置限制采用下式： 片.=幻 ifX..<a X二AifX>/? \ZZ 其中a和b分別代表測量區(qū)域的上邊界和下邊界； 初始化退火溫度為： T〇= -Fitness (P g)/log (0. 2) 式中，Pg表示粒子的全局極值； 退火溫度為： Tw=C-Tk 其中，Tk表示K時(shí)刻的退火溫度，TW表示K+1時(shí)刻的退火溫度，CG化1)。
【專利摘要】測站優(yōu)化部署問題是空間測量定位系統(tǒng)使用中面臨的重要問題之一。本發(fā)明提供了一種基于模擬退火粒子群算法的wMPS網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化方法，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的測站布局能在一定成本下對被測區(qū)域的全面覆蓋，且能滿足測量精度的要求。本發(fā)明建立了合理的定位誤差模型，定義了多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，采用模擬退火粒子群算法實(shí)現(xiàn)了空間測量定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布局的優(yōu)化。該發(fā)明利用粒子群算法的快速收斂能力和模擬退火算法的全局收斂能力，有效地解決了空間測量定位系統(tǒng)在工程應(yīng)用中測站網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署問題。隨著測站數(shù)目的增加，該方法具有良好的擴(kuò)展性，可為基于角度交匯原理的多站組網(wǎng)測量布局優(yōu)化問題提供具有高適應(yīng)性的新方法，具有重要理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
【IPC分類】G01C21/20
【公開號】CN105203106
【申請?zhí)枴緾N201510504348
【發(fā)明人】熊芝, 岳翀, 宋小春, 李冬林, 楊懷玉, 涂君
【申請人】湖北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年8月17日