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专利名称：一种多系统兼容接收机频点选择方法
技术领域：
本发明属于卫星导航通信领域，具体涉及一种多系统兼容接收机频点选择方法。

背景技术：
目前，世界上各个全球导航卫星定位系统都处于发展或更新换代的阶段，只依靠单一的某个全球导航卫星定位系统来实现授时与定位，不论从国家安全的战略层面还是从系统可靠性的技术层面来考虑，都存在很大的安全隐患；因此，多系统兼容已经日渐成为一种降低风险、提高系统可靠性的有效手段及国际全球导航卫星定位产业的发展趋势。
对于多系统兼容接收机而言，涉及的频点数量众多，如果频点选择不利，容易导致各系统频点之间的交互调干扰严重，给接收机的系统设计带来极大的困难，对于接收机各项性能指标的实现产生非常不利的影响。因此，多系统兼容接收机的频点选择问题日渐突出，在多系统兼容接收机的系统设计中占有越来越重要的先决地位。如何选择一套优良的频点，已经成为在多系统兼容接收机的系统级设计中需要认真考虑的首要问题。
目前获取多系统兼容接收机频点的传统优化方法主要有解析法、随机法和穷举法。解析法对问题性质有较高的要求，属于强方法，对于目标函数表现为非连续或非处处可微、非凸、多峰和带噪声等各种形式的复杂优化问题不适合于采用解析法。随机法是在问题空间中随机选择一定数量的点后从中择优，带有一定的盲目性，对于复杂问题不能保证解的质量，不能保证一定能得到问题的最优结果。穷举法是一种解空间的遍历搜索方法，虽然可以找到问题的全局最优解，但是计算效率太低，也不适用于计算量较大的优化问题。
而遗传算法(Genetic Algorithm，简称为GA)是一种典型的弱方法，是一种借鉴生物界自然选择和自然进化机制发展起来的高度并行、随机、自适应的搜索算法，是一种仿生算法，模拟生命演化的算法。许多传统的搜索方法都是单点搜索，这种点对点的搜索方法，对于多峰分布的搜索空间常常会陷于局部的某个单峰的极值点，得到所谓的“局部最优解”。而GA采用的是同时处理群体中多个个体的方法，从一个初始种群出发，不断重复执行选择、交叉和变异的过程，使种群进化越来越接近某一目标，同时对搜索空间中的多个解进行评估。GA具有较好的全局搜索性能，GA本身易于实现并行化；GA具有独特的算法形式和运行机理，以有限的代价解决复杂优化问题；GA具有健壮性，适合于处理复杂、非线性的多系统兼容接收机的频点选择问题。


发明内容
本发明的目的是提供一种多系统兼容接收机频点选择方法。可用于卫星导航通信领域，尤其适用于卫星导航多系统兼容接收机的设计，在军用和民用方面都有良好的应用前景。
如果将所有频点视为一个频点超空间，那么频点超空间中的某一频点集就可视为一个种群，选择、交叉和变异的过程是在频点超空间中进行不同频点集之间的某种变换，通过频点空间算子使频点集不断进化，从源频点集最终映射到目标频点集，该目标频点集中的目标频点为该频点选择问题的最优结果。
所述的频点空间算子由选择算子、交叉算子和变异算子依次组成，频点空间算子完成的信息交换过程是通过选择算子、交叉算子和变异算子依次完成的。
对于多系统兼容接收机的频点选择这类复杂的优化问题，遗传算法采用概率搜索技术，直接以目标函数值作为搜索信息，以频点字符串作为运算对象，同时处理频点集中的多个频点，同时对多个频点的适应度进行评价，确保得到全局最优结果。
本发明方法包括如下步骤 步骤一定义参数值 将问题中涉及到的参数进行赋值，所述参数包括频点集规模、最大进化代数、变量数目、频点的链长、编码方式、代沟、交叉概率和变异概率。
所述的频点是指由0和1组成的字符串，对应于遗传学术语中的染色体(chromosome)；字符串中的每一位称为频点分量，对应于遗传学术语中的基因(gene)，频点分量的取值对应于遗传学术语中的等位基因(allele)；该字符串的长度为频点的链长。频点的全体为频点空间。
所述的频点集是指由N个频点组成的集合，频点集中允许重复频点的存在；N为频点集规模，N为正整数。
步骤二编码及创建初始频点集 对频点进行编码，可以采用格雷码(Gray Code)或二进制编码方式；按照步骤一中规定的频点集规模创建初始频点集。
步骤三获取各频点适应度 建立频点适应度函数，通过该频点适应度函数获取各频点适应度。
所述的频点适应度函数是频点空间到正实数空间的映射，是频点选择过程中的依据，它的设计直接影响到遗传算法的性能，因此频点适应度函数的设计要结合频点选择问题的目标函数而定。所述的频点适应度是指由一组频点集产生的效益，具体表现为该组频点集中的频点通过频点适应度函数得到的一组函数值。
步骤四判断是否满足终止条件 如果经过若干代进化后，频点集中的频点适应度函数的最大值未发生变化，频点适应度稳定，或达到了最大遗传进化代数，则视为满足终止条件，转入步骤五； 否则，则视为尚未满足终止运算条件，进入新频点产生流程，经过选择、交叉和变异过程产生新的频点，重插入频点集，返回步骤三。
步骤五输出全局最优结果 将满足终止条件的全局最优结果输出。
本发明的优点在于 (1)对问题性质的要求较低； (2)计算效率较高，能够以有限的代价解决复杂的优化问题，适用于计算量较大的情况； (3)具有较好的全局搜索性能，使得解决问题的过程便于并行化，提高处理效率。



图1是本发明方法流程图； 图2是本发明中一双系统兼容接收机的拓扑结构示意图； 图3是本发明经过200代遗传进化后最佳频点适应度及平均频点适应度的仿真结果图； 图4是本发明初始频点集的频点适应度函数值分布图； 图5是本发明经过1次遗传进化的频点适应度函数值分布图； 图6是本发明经过10次遗传进化的频点适应度函数值分布图； 图7是本发明经过100次遗传进化的频点适应度函数值分布图； 图8是本发明变异概率降低时，经过100次遗传进化的频点适应度函数值分布图； 图9是本发明变异概率降低时，经过200代遗传进化后最佳频点适应度及平均频点适应度的仿真结果图。

具体实施例方式 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种多系统兼容接收机频点选择方法，该方法流程如图1所示，该方法包括如下步骤 步骤一定义参数值 将问题中涉及到的参数进行赋值，所述参数包括频点集规模、最大进化代数、变量数目、频点的链长、编码方式、代沟、交叉概率和变异概率。
所述的频点是指由0和1组成的字符串，对应于遗传学术语中的染色体(chromosome)；字符串中的每一位称为频点分量，对应于遗传学术语中的基因(gene)，频点分量的取值对应于遗传学术语中的等位基因(allele)；该字符串的长度为频点的链长。频点的全体为频点空间。
所述的频点集是指由N个频点组成的集合，频点集中允许重复频点的存在；N为频点集规模，N为正整数。
步骤二编码及创建初始频点集 对频点进行编码，可以采用格雷码(Gray Code)或二进制编码方式；按照步骤一中规定的频点集规模创建初始频点集。
步骤三获取各频点适应度 建立频点适应度函数，通过该频点适应度函数获取各频点适应度。
所述的频点适应度函数是频点空间到正实数空间的映射，是频点选择过程中的依据，它的设计直接影响到遗传算法的性能，因此频点适应度函数的设计要结合频点选择问题的目标函数而定。所述的频点适应度是指由一组频点集产生的效益，具体表现为该组频点集中的频点通过频点适应度函数得到的一组函数值。
步骤四判断是否满足终止条件 如果经过若干代进化后，频点集中的频点适应度函数的最大值未发生变化，频点适应度稳定，或达到了最大遗传进化代数，则视为满足终止条件，转入步骤五； 否则，则视为尚未满足终止运算条件，进入新频点产生流程，经过选择、交叉和变异过程产生新的频点，重插入频点集，返回步骤三。
所述的选择是通过选择算子来完成的，根据频点的适应度大小在已知频点集中选择一定数量的频点，相当于在遗传进化过程中选择生命力强的个体，进行“优胜”的操作。在该选择过程中会产生代沟，整个频点集在每一代中没有被完全选择复制，在重插入过程中使用均匀的随机数重新插入新频点。
所述的交叉是通过交叉算子来完成的，按照步骤一中确定的交叉概率从已知频点集中选择一对频点，交换这两个频点所对应的字符串的某个或某些频点分量，而产生后代新频点的过程。由于随着交叉点数的增多，频点的结构被破坏的可能性也逐渐增大，可能会破坏一些好的频点模式，导致很难有效地保存较好的频点模式，从而影响遗传算法的性能。本发明中采用单点交叉算子，在频点字符串中只随机设置一个交叉点，然后在该交叉点相互交换两个频点的部分频点分量。
所述的变异是通过变异算子来完成的，将频点所对应字符串中的某些频点分量用该频点分量的其他取值来替换，从而形成一个新的频点。变异算子与选择算子和交叉算子结合起来能够避免由于选择和交叉过程而导致的某些信息丢失，保证频点选择问题的有效性，决定了频点选择问题的全局搜索能力，防止出现早熟现象。
步骤五输出全局最优结果 将满足终止条件的全局最优结果输出。
实施例 多系统兼容接收机指兼容双系统及两个以上卫星导航系统的接收机，确定一个多系统兼容接收机的频点选择问题的目标函数需要考虑多方面的约束条件，经过大量的仿真实验才可以获得。以一种采用两级下变频结构的双系统兼容接收机为例，该接收机的拓扑结构示意图如图2所示输入高频混频器1的第一路信号L1和第二路信号B1的频点分别为fL1和fB1，输入高频混频器1的高频本振信号LO1的频点为fLO1；从高频混频器1输出的频点为fL1-fLO1的第一高中频输出信号L11输入第一低频混频器2，第一低频混频器2的第一低频本振信号LO21的频点为

则从第一低频混频器2输出的第一中频输出信号L12的频点为

从高频混频器1输出的频点为fB1-fLO1的第二高中频输出信号B11输入第二低频混频器3，第二低频混频器3的第二低频本振信号LO22的频点为

则从第二低频混频器3输出的第二中频输出信号B12的频点为
结合图2，进行该双系统兼容接收机的频点选择时，通常需要考虑的四条主要约束条件如下，根据不同需求还可以进一步添加其他约束条件 1)从第一低频混频器2输出的第一中频输出信号L12的频点

与从第二低频混频器3输出的第二中频输出信号B12的频点

要尽可能地接近，使得中频输出信号的频点相对集中，以利于信号的后续处理，假如各路中频输出信号的频点之间最大频差不大于1MHz，有 2)出于某些特殊需求的考虑，将第一中频输出信号L12的频点

和第二中频输出信号B12的频点

限定于某一范围[a，b]内，其中a和b均为正数，且a＜b，有 3)因为该双系统兼容接收机由两级下变频混频器组成，由高频混频器1、第一低频混频器2和第二低频混频器3组成，基于降低系统复杂度的考虑，应尽可能使第一低频混频器2的第一低频本振信号LO21和第二低频混频器3的第二低频本振信号LO22均由高频混频器1的高频本振信号LO1进行整数分频得到。若高频混频器1的高频本振信号LO1的频点为fLO1，则第一低频混频器2的第一低频本振信号LO21的频点为

第二低频混频器3的第二低频本振信号LO22的频点为

其中m和n均为正整数。
基于降低硬件实现难度角度考虑，高频混频器1的本振信号LO1的频点fLO1的取值范围也取为正整数。
4)由于本振信号是整个系统内能量最大的信号，因此，本振信号的能量泄露对于系统内其他有用信号产生的影响也最大——基于此考虑，系统内所有本振信号的K阶以下交互调分量Y均不能落在高频混频器1输出的第一高中频输出信号L11或第二高中频输出信号B11的频带内，且要尽量远离高频混频器1输出的第一高中频输出信号L11的中心频点fL1-fLO1和第二高中频输出信号B11的中心频点fB1-fLO1； 若高频混频器1输出的第一高中频输出信号L11的信号带宽为1MHz，第二高中频输出信号B11的信号带宽为2MHz；所有本振信号的K阶以下交互调分量其中M为第一低频混频器2的第一低频本振信号LO21的谐波次数，N为第二低频混频器3的第二低频本振信号LO22的谐波次数，P为高频混频器1的高频本振信号LO1的谐波次数，且3≤|M|+|N|+|P|≤K，K为不小于3的正整数，本发明中取3≤K≤30；则当满足 时，有目标函数 式(4)表示一个多目标优化问题，基于降低问题复杂度的考虑，结合对式(4)中所示两个函数的性质的分析，引入权重系数ωL1，ωB1，将式(4)转化为一个单目标优化问题 f(fLO1，m，n)＝max(ωL1yL1+ωB1yB1)，ωL1，ωB1＞0且ωL1+ωB1＝1 (5) 式中yL1是交互调分量Y与高频混频器1输出的第一高中频输出信号L11的频点间距，yB1是交互调分量Y与高频混频器1输出的第二高中频输出信号B11的频点间距；ωL1，ωB1为权重系数。
综上所述，该双系统兼容接收机的频点选择问题最终转化为式(5)所示的多元多峰目标函数的优化问题。
结合式(5)，此处的频点适应度函数定义如下 F＝Cmin+f(fLO1，m，n) (6) 式(6)中Cmin为合适的常数输入值，是f(fLO1，m，n)的最小值估计，目的是使频点适应度函数为正值。F值越大，表明所对应的频点在遗传算法中越能达到或越有助于找到最优频点。
本发明中式(6)所示的频点适应度函数中权重系数ωL1＝ωB1＝0.5；结合式(3)可知，式(5)所示的目标函数为正值，则式(6)中的常数Cmin可取为0。
表1 参数 参数值 频点集规模50 最大进化代数 200 频点的链长9 编码方式 格雷码 代沟 0.9 交叉概率 0.7 变异概率 0.01 当步骤一中所述的参数如表1中所定义时，经过200代遗传进化后最佳频点适应度及平均频点适应度的仿真结果如图3所示。由图3所示的仿真结果可知经过20代遗传进化后，最佳频点适应度趋于稳定。
从图4可见，初始频点集的频点分布具有很大的随机性，因此初始频点集的频点适应度函数值分布图呈现很大的随机性。比较图5、图6以及图7可见，随着遗传进化代数的增加，频点集的频点适应度函数值的分布逐渐收敛，这一特点随着遗传进化代数的增加而愈发显著。
从图7可见，由于较高的频点交叉概率0.7和频点变异概率0.01，趋于稳定的频点适应度函数值分布中仍时有适应度相差很大的频点出现，但并不会影响最终选取的频点最优解。
当频点变异概率降低为0.001时，会明显降低频点适应度函数值分布图中适应度相差很大的频点出现的概率，频点集的频点适应度函数值分布的收敛性明显提高，如图8所示。但频点变异概率的降低会对收敛速度造成一定的影响，如图9所示与图3中的最佳频点适应度曲线相比，图9中的最佳频点适应度曲线的收敛速度明显降低，大约90代以后才趋于稳定。
权利要求
1.一种多系统兼容接收机频点选择方法，其特征在于，
将所有频点视为一个频点超空间，将频点超空间中的某一频点集视为一个种群，选择、交叉和变异的过程是在频点超空间中进行不同频点集之间的某种变换，通过频点空间算子使频点集不断进化，从源频点集最终映射到目标频点集，该目标频点集中的目标频点为该频点选择问题的最优结果；
所述的频点空间算子由选择算子、交叉算子和变异算子依次组成，频点空间算子完成的信息交换过程是通过选择算子、交叉算子和变异算子依次完成的；
该方法包括如下步骤
步骤一定义参数值
将问题中涉及到的参数进行赋值，所述参数包括频点集规模、最大进化代数、变量数目、频点的链长、编码方式、代沟、交叉概率和变异概率；
所述的频点是指由0和1组成的字符串，对应于遗传学术语中的染色体；字符串中的每一位为频点分量，对应于遗传学术语中的基因，频点分量的取值对应于遗传学术语中的等位基因；该字符串的长度为频点的链长；频点的全体为频点空间；
所述的频点集是指由N个频点组成的集合，频点集中允许重复频点的存在；N为频点集规模，N为正整数；
步骤二编码及创建初始频点集
对频点进行编码，采用格雷码或二进制编码方式；按照步骤一中规定的频点集规模创建初始频点集；
步骤三获取各频点适应度
建立频点适应度函数，通过该频点适应度函数获取各频点适应度；
所述的频点适应度函数是频点空间到正实数空间的映射，是频点选择过程中的依据；
所述的频点适应度是指由一组频点集产生的效益，具体表现为该组频点集中的频点通过频点适应度函数得到的一组函数值；
步骤四判断是否满足终止条件
如果经过若干代进化后，频点集中的频点适应度函数的最大值未发生变化，频点适应度稳定，或达到了最大遗传进化代数，则视为满足终止条件，转入步骤五；
否则，则视为尚未满足终止运算条件，进入新频点产生流程，经过选择、交叉和变异过程产生新的频点，重插入频点集，返回步骤三；
步骤五输出全局最优结果
将满足终止条件的全局最优结果输出。
2.根据权利要求1所述的一种多系统兼容接收机频点选择方法，其特征在于所述的步骤四中的选择是通过选择算子来完成的，根据频点的适应度大小在已知频点集中选择一定数量的频点，相当于在遗传进化过程中选择生命力强的个体，进行“优胜”的操作；在该选择过程中会产生代沟，整个频点集在每一代中没有被完全选择复制，在重插入过程中使用均匀的随机数重新插入新频点。
3.根据权利要求1所述的一种多系统兼容接收机频点选择方法，其特征在于所述的步骤四中的交叉是通过交叉算子来完成的，是按照步骤一中确定的交叉概率从已知频点集中选择一对频点，交换这两个频点所对应的字符串的某个或某些频点分量，而产生后代新频点的过程。
4.根据权利要求3所述的一种多系统兼容接收机频点选择方法，其特征在于所述的交叉算子采用单点交叉算子，在频点字符串中只随机设置一个交叉点，然后在该交叉点相互交换两个频点的部分频点分量。
5.根据权利要求1所述的一种多系统兼容接收机频点选择方法，其特征在于所述的步骤四中的变异是通过变异算子来完成的，将频点所对应字符串中的某些频点分量用该频点分量的其他取值来替换，形成一个新的频点。
6.根据权利要求1所述的一种多系统兼容接收机频点选择方法，其特征在于所述的步骤三中建立频点适应度函数的方法，若采用两级下变频结构的双系统兼容接收机，
则该双系统兼容接收机的拓扑结构为输入高频混频器(1)的第一路信号(L1)和第二路信号(B1)的频点分别为fL1和fB1，输入高频混频器(1)的高频本振信号(LO1)的频点为fLO1；从高频混频器(1)输出的频点为fL1-fLO1的第一高中频输出信号(L11)输入第一低频混频器(2)，第一低频混频器(2)的第一低频本振信号(LO21)的频点为
则从第一低频混频器(2)输出的第一中频输出信号(L12)的频点为
从高频混频器(1)输出的频点为fB1-fLO1的第二高中频输出信号(B11)输入第二低频混频器(3)，第二低频混频器(3)的第二低频本振信号(LO22)的频点为
则从第二低频混频器(3)输出的第二中频输出信号(B12)的频点为
进行该双系统兼容接收机的频点选择时，主要约束条件如下
1)从第一低频混频器(2)输出的第一中频输出信号(L12)的频点
与从第二低频混频器(3)输出的第二中频输出信号(B12)的频点
尽量接近，使得中频输出信号的频点相对集中；假如各路中频输出信号的频点之间最大频差不大于1MHz，有
2)将第一中频输出信号(L12)的频点
和第二中频输出信号(B12)的频点
限定于某一范围[a，b]内，其中a和b均为正数，且a＜b，有
3)尽量使第一低频混频器(2)的第一低频本振信号(LO21)和第二低频混频器(3)的第二低频本振信号(LO22)均由高频混频器(1)的高频本振信号(LO1)进行整数分频得到；若高频混频器(1)的高频本振信号(LO1)的频点为fLO1，则第一低频混频器(2)的第一低频本振信号(LO21)的频点为
第二低频混频器(3)的第二低频本振信号(LO22)的频点为
其中m和n均为正整数；高频混频器(1)的高频本振信号(LO1)的频点fLO1的取值范围也取为正整数；
4)系统内所有本振信号的K阶以下交互调分量Y均不能落在高频混频器(1)输出的第一高中频输出信号(L11)或第二高中频输出信号(B11)的频带内，且要尽量远离高频混频器(1)输出的第一高中频输出信号(L11)的中心频点fL1-fLO1和第二高中频输出信号(B11)的中心频点fB1-fLO1；
若高频混频器(1)输出的第一高中频输出信号(L11)的信号带宽为1MHz，第二高中频输出信号(B11)的信号带宽为2MHz；所有本振信号的K阶以下交互调分量其中M为第一低频混频器(2)的第一低频本振信号(LO21)的谐波次数，N为第二低频混频器(3)的第二低频本振信号(LO22)的谐波次数，P为高频混频器(1)的高频本振信号(LO1)的谐波次数，且3≤|M|+|N|+|P|≤K，K为不小于3的正整数；则当满足
时，有目标函数
上式(4)表示一个多目标优化问题，将上式(4)转化为一个单目标优化问题
f(fLO1，m，n)＝max(ωL1yL1+ωB1yB1)，ωL1，ωB1＞0且ωL1+ωB1＝1(5)
上式(5)中yL1是交互调分量Y与高频混频器(1)输出的第一路信号L11的频点间距，yB1是交互调分量Y与高频混频器(1)输出的第二路信号B11的频点间距；ωL1，ωB1为权重系数；
该双系统兼容接收机的频点选择问题最终转化为上式(5)所示的多元多峰目标函数的优化问题；
结合上式(5)，此处的频点适应度函数为
F＝Cmin+f(fLO1，m，n) (6)
上式(6)中Cmin为合适的常数输入值，是f(fLO1，m，n)的最小值估计。
7.根据权利要求6所述的一种多系统兼容接收机频点选择方法，其特征在于所述的频点适应度函数F＝Cmin+f(fLO1，m，n)中F值越大，表明所对应的频点在遗传算法中越能达到或越有助于找到最优频点。
8.根据权利要求6所述的一种多系统兼容接收机频点选择方法，其特征在于所述的频点适应度函数F＝Cmin+f(fLO1，m，n)中的权重系数ωL1＝ωB1＝0.5，常数Cmin＝0。
9.根据权利要求6所述的一种多系统兼容接收机频点选择方法，其特征在于所述的3≤|M|+|N|+|P|≤K，其中K的取值范围是3≤K≤30。
全文摘要
本发明公开了一种多系统兼容接收机频点选择方法。该方法首先定义参数值，其次编码及创建初始频点集，然后获取各频点适应度，接着判断是否满足终止条件，最后输出全局最优结果。本发明对问题性质的要求较低；计算效率较高，能够以有限的代价解决复杂的优化问题，适用于计算量较大的情况；具有较好的全局搜索性能，使得解决问题的过程便于并行化，提高处理效率。本发明可用于卫星导航通信领域，尤其适用于卫星导航多系统兼容接收机的设计，在军用和民用方面都有良好的应用前景。
文档编号G01S19/48GK101776765SQ201010102309
公开日2010年7月14日 申请日期2010年1月28日 优先权日2010年1月28日
发明者张晓林, 宋丹, 夏温博, 张展, 刘文婷 申请人:北京航空航天大学