陳 茜，馬 煦，李春霞

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京100094)

1 引 言

國(guó)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(guó)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(guó)的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Beidou Satellite Navigation System，BDS)，每個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)內(nèi)都部署了數(shù)十個(gè)導(dǎo)航監(jiān)測(cè)站，這些監(jiān)測(cè)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(cè)定、電離層修正、廣域差分改正與系統(tǒng)完好性監(jiān)測(cè)等主要業(yè)務(wù)處理提供實(shí)時(shí)高質(zhì)量的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)站選址決定了原始觀測(cè)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(guó)的GPS 是在全球建設(shè)導(dǎo)航監(jiān)測(cè)站，布局合理但建設(shè)昂貴;俄羅斯的GLONASS 監(jiān)測(cè)站分布受國(guó)家地理位置限制，對(duì)我國(guó)的BDS 有一定的借鑒意義。BDS 監(jiān)測(cè)站選址需要考慮的因素主要包括視場(chǎng)、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(guó)的遼闊幅員，又要盡量節(jié)約開(kāi)支。針對(duì)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(píng)價(jià)方法，建立了導(dǎo)航監(jiān)測(cè)站選址評(píng)價(jià)模型。該評(píng)價(jià)方法與模型既簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)因子，又通過(guò)硬判決與軟判決相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了BDS 監(jiān)測(cè)站地址的先篩選、后優(yōu)選。最后通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了評(píng)估模型的合理性和評(píng)估方法的有效性。

2 監(jiān)測(cè)站站址影響因素分析

衛(wèi)星導(dǎo)航監(jiān)測(cè)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(zhǎng)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(cè)站選址不僅要考慮視場(chǎng)因素、電磁干擾、多路徑干擾，還要考慮監(jiān)測(cè)站的可用性、監(jiān)測(cè)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(zhǎng)度等安裝維護(hù)方便程度。

視場(chǎng)大小通常以監(jiān)測(cè)接收機(jī)接收導(dǎo)航衛(wèi)星的觀測(cè)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(cè)站的視場(chǎng)范圍，衛(wèi)星導(dǎo)航監(jiān)測(cè)站選址應(yīng)考慮監(jiān)測(cè)站周邊建筑物與監(jiān)測(cè)站天線的位置關(guān)系。視場(chǎng)是監(jiān)測(cè)站選址的重要評(píng)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(cè)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(chǎng)信號(hào)、移動(dòng)通信基站和廣播電視發(fā)射塔發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)、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(hào)。監(jiān)測(cè)站選址應(yīng)盡量遠(yuǎn)離這些干擾信號(hào)。

多路徑干擾因素是導(dǎo)航監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)接收機(jī)偽距測(cè)量中的主要誤差源［3－4］，直接影響接收機(jī)的偽碼測(cè)距、載波相位和多普勒等觀測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)量精度，降低原始觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。從監(jiān)測(cè)站選址的角度，應(yīng)遠(yuǎn)離樹(shù)木、建筑物等容易反射造成多徑信號(hào)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(jí)，大于5 的地區(qū)的導(dǎo)航信號(hào)可用性差。

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

氣象條件主要是考慮臺(tái)風(fēng)、冰雹等極端天氣對(duì)導(dǎo)航監(jiān)測(cè)站設(shè)備的影響，極端天氣也會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量，從而影響監(jiān)測(cè)站回傳給主控站的原始觀測(cè)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(huì)影響天線相位中心坐標(biāo)變化，從而影響測(cè)距精度，影響原始觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。監(jiān)測(cè)站地址宜選擇在地殼運(yùn)動(dòng)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(huì)治安、民意民情等社會(huì)安全形勢(shì)。

工作環(huán)境因素主要考慮監(jiān)測(cè)站長(zhǎng)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(cè)站選址模糊綜合評(píng)價(jià)方法

3.1 監(jiān)測(cè)站選址模糊綜合評(píng)價(jià)原理及流程

模糊綜合評(píng)價(jià)方法是應(yīng)用模糊理論對(duì)導(dǎo)航監(jiān)測(cè)站進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的一種方法，也是根據(jù)評(píng)價(jià)因子與加權(quán)系數(shù)經(jīng)過(guò)模糊變換后對(duì)監(jiān)測(cè)站站址作出評(píng)價(jià)的方法。模糊綜合評(píng)價(jià)先把影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的多種因素分類，然后對(duì)每一類因素進(jìn)行初級(jí)評(píng)價(jià)，最后對(duì)初級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行高一級(jí)的綜合評(píng)價(jià)。在確定評(píng)價(jià)因素、因子的評(píng)價(jià)等級(jí)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(píng)判矩陣，通過(guò)多層的復(fù)合運(yùn)算，最終確定評(píng)價(jià)對(duì)象所屬等級(jí)［5］。模糊綜合評(píng)價(jià)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(cè)站選址模糊綜合評(píng)價(jià)原理Fig.1 Principle of fuzzy synthetic evaluation for address choosing of monitoring station

監(jiān)測(cè)站選址綜合評(píng)價(jià)流程如圖2所示，具體描述如下:

步驟1:輸入候選的監(jiān)測(cè)站地址;

步驟2:對(duì)監(jiān)測(cè)站站址影響因素進(jìn)行逐一評(píng)價(jià);

步驟3:評(píng)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(píng)價(jià)打分;

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

圖2 監(jiān)測(cè)站選址模糊綜合評(píng)價(jià)流程Fig.2 Fuzzy synthetic evaluation processing for address choosing of monitoring station

3.2 監(jiān)測(cè)站選址模糊綜合評(píng)價(jià)模型

設(shè)監(jiān)測(cè)站打分因素共N 個(gè)，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(gè)評(píng)估因素的打分，則監(jiān)測(cè)站選址評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型為

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

3.3 監(jiān)測(cè)站選址評(píng)價(jià)權(quán)重與打分標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)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(lái)確定指標(biāo)權(quán)值，該方法只需請(qǐng)專家給出指標(biāo)兩兩之間的相對(duì)重要性比較，就可以計(jì)算出權(quán)值［5］。

研究調(diào)查表明，至多需要7 個(gè)標(biāo)度點(diǎn)來(lái)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(cè)站選址評(píng)價(jià)過(guò)程中，簡(jiǎn)化使用不超過(guò)3 個(gè)標(biāo)度來(lái)區(qū)分各個(gè)監(jiān)測(cè)站評(píng)價(jià)因素的權(quán)重的不同，即兩個(gè)因素相比同等重要、兩個(gè)因素相比一個(gè)因素比另一個(gè)因素明顯重要、兩個(gè)因素相比一個(gè)因素的一等狀態(tài)比另一因素重要但其二等狀態(tài)沒(méi)有另一個(gè)因素重要。

監(jiān)測(cè)站選址權(quán)重設(shè)計(jì)如下:首先根據(jù)監(jiān)測(cè)站選址因素的重要性程度，將視場(chǎng)、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(chǎng)、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(jì)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(cè)站選址模糊綜合評(píng)價(jià)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(cè)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(jiàn)表2。

表2 監(jiān)測(cè)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(cè)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(duì)這5 個(gè)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(chǎng)因素為例，DB1、DB2、DB3、DB4、DB5 的視場(chǎng)截止角曲線見(jiàn)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(chǎng)因素打分分別為2、1、1、0、1。依照此法，對(duì)余下8 項(xiàng)因素打分。匯總9 項(xiàng)因素打分結(jié)果見(jiàn)表3。

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

表3 五個(gè)候選地址打分表Table 3 Five spare address marking table

通過(guò)對(duì)5 個(gè)候選地點(diǎn)打分篩選，其中兩個(gè)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(gè)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(yǔ)

本文通過(guò)研究GPS 與GLONASS 監(jiān)測(cè)站以及BDS 早期的標(biāo)校站，得出GNSS 監(jiān)測(cè)站選址影響因素，即視場(chǎng)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(duì)影響監(jiān)測(cè)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(píng)價(jià)方法對(duì)GNSS 監(jiān)測(cè)站選址進(jìn)行評(píng)估。該方法通過(guò)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(cè)站地址優(yōu)選，達(dá)到了監(jiān)測(cè)站選址高效、精確的評(píng)估效果。采用的實(shí)例數(shù)據(jù)雖然說(shuō)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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