CN105372676A - 一种三维场景导航信号多径预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维场景导航信号多径预测方法，用于解决现有导航信号多径预测方法精度差的技术问题。技术方案是建立三维场景模型，以发射源/接收源为中心，扫描得到可见反射墙面和可见绕射棱，并作为一级虚拟源；然后，依次遍历一级虚拟源内所有反射面和绕射棱，在可视区域内再次进行扫描，确定反射源的所有二级虚拟源；找出所有虚拟源，以树形结构进行存储。该方法在建立三维场景模型的基础上，利用卫星、接收机真实位置进行反射射线追踪，通过求解反射、绕射路径及信号强度，最终实现导航多径参数包括时延、频移、衰落和相移的准确预测。

Description

一种三维场景导航信号多径预测方法

技术领域

本发明涉及一种导航信号多径预测方法，特别是涉及一种三维场景导航信号多径预测方法。

背景技术

随着卫星导航系统的发展，其接收机已集成到许多设备用以提供高精度的授时、定位，卫星导航系统的应用范围拓展到了人类生产生活的各个方面，对其性能也提出了更多要求,其中对精度的进一步需求要求我们更深入地去探讨卫星导航系统的各种误差源以及削弱其影响的方法。多径是卫星导航系统的一项主要误差来源，会对导航、定位系统造成严重危害。

文献“3DEnvironmentModelingforGPSMultipathDetectioninUrbanAreas[C]9^thInternationalMulti-conferenceonSystems,SignalsandDevices,2012.”公开了一种通过OSM(OpenStreetMap)及GeoSN(geoinformationoftheSaxonlandsurveyoffice)数据建立三维建筑模型的方法。该方法利用基本射线追踪算法检测导航信号的遮挡情况，为提高接收机性能奠定基础。但该方法对经建筑反射、绕射的多径信号参数没有实现准确模拟，如传播时延、来向、相移、频移等，因此，难以实现与真实三维场景相匹配的多径预测。

发明内容

为了克服现有导航信号多径预测方法精度差的不足，本发明提供一种三维场景导航信号多径预测方法。该方法通过建立三维场景模型，以发射源/接收源为中心，扫描得到可见反射墙面和可见绕射棱，并作为一级虚拟源；然后，依次遍历一级虚拟源内所有反射面和绕射棱，在可视区域内再次进行扫描，确定反射源的所有二级虚拟源；找出所有虚拟源，以树形结构进行存储。该方法在建立三维场景模型的基础上，利用卫星、接收机真实位置进行反射射线追踪，通过求解反射、绕射路径及信号强度，最终实现导航多径参数包括时延、频移、衰落和相移的准确预测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种三维场景导航信号多径预测方法，其特点是采用以下步骤：

步骤一、基于三维场景的反射面、绕射棱搜索。

首先，建立三维场景模型，建筑物通过几何参数与电参数表征，可见卫星位置、速度通过星历、接收点坐标计算。

其次，以发射源/接收源为中心，先水平后垂直进行扫描，得到可见反射墙面和可见绕射棱，作为一级虚拟源；

然后，依次遍历一级虚拟源内所有反射面和绕射棱，在可视区域内再次进行扫描，确定反射源的所有二级虚拟源；

最后，找出所有虚拟源，以树形结构进行存储。

步骤二、多径反射、绕射点预测。

①通过镜像法求解反射点R₀坐标：

$R_0=T+\frac{d_R(R^{\′}-T)}{(d_T+d_R)|R^{\′}-T|}---\left(1\right)$

其中，T、R为发射点，d_T、d_R分别为T、R到反射面v·(x,y,z)+D＝0的距离，R’为接收点R关于反射平面的镜像，且R′＝R+kv，

②平行尖劈绕射，通过坐标变换将尖劈转换至平行于Z轴方向，求解绕射点D_i坐标(x_i,y_i,z_i)：

$(x_i,y_i,z_{n+1}+(z_0-z_{n+1}\left)\frac{\underset{1}{\overset{n}{\Σ}}\sqrt{{(x_i-x_{i+1})}^2+{(y_i-y_{i+1})}^2}}{\underset{0}{\overset{n}{\Σ}}\sqrt{{(x_i-x_{i+1})}^2+{(y_i-y_{i+1})}^2}}\right)---\left(2\right)$

其中，(x₀,y₀,z₀)、(x_n+1,y_n+1,z_n+1)分别为发射、接收点坐标。

③求解非平行尖劈绕射点D_i坐标。

…

其中，A_iB_i(i＝1,2,…)为绕射尖劈。

步骤三、多径信号到达场预测。

①直射场预测。

电波传播过程中，计算直射场：

式中，P为发射功率，G为天线增益，r为收发点间距离，F为发射天线方向图。

②反射场预测。

在射线基坐标下，计算反射场：

其中，E_⊥，E_□为反射末场垂直、水平极化分量，为入射波在反射点处垂直、水平极化分量，A_d为振幅扩散因子，e^jks为相位累积，R为反射系数，且θ为掠射角。

③绕射场预测。

在射线基坐标下，计算绕射场：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_e^d\left(F\right)=D_e{E}_e^i\left(D\right)A\left(S_2\right)e^{{\mathrm{jkS}}_2}\\ E_m^d\left(F\right)=D_m{E}_m^{i}A\left(S_2\right)e^{{\mathrm{jkS}}_2}\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，i表示入射，d表示绕射，D_e，D_m分别为垂直、平行于入射面极化的电场分量的自绕射系数。A(S₂)为振幅扩散因子，为电波相位积累。

通过多径反射、绕射点及信号场预测，实现导航信号多径预测。

本发明的有益效果是：该方法通过建立三维场景模型，以发射源/接收源为中心，扫描得到可见反射墙面和可见绕射棱，并作为一级虚拟源；然后，依次遍历一级虚拟源内所有反射面和绕射棱，在可视区域内再次进行扫描，确定反射源的所有二级虚拟源；找出所有虚拟源，以树形结构进行存储。该方法在建立三维场景模型的基础上，利用卫星、接收机真实位置进行反射射线追踪，通过求解反射、绕射路径及信号强度，最终实现导航多径参数包括时延、频移、衰落和相移的准确预测。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明三维场景导航信号多径预测方法的流程图。

图2是本发明方法构建的坐标系，设置接收发射点，Tx＝[454830]；Rx＝[108302]，射线追踪结果，显示多径空间分布图。

图3是本发明方法构建的坐标系，设置接收发射点，Tx＝[454830]；Rx＝[108302]，射线追踪结果，多径功率-延迟分布图。

具体实施方式

参照图1-3。本发明三维场景导航信号多径预测方法具体步骤如下：

步骤一、基于三维场景的反射面、绕射棱搜索。

首先，建立三维场景模型，以城市场景为例，建筑物通过几何参数与电参数表征，可见卫星位置、速度通过星历、接收点坐标计算。

其次，以发射源(卫星)/接收源(接收机)为中心，先水平后垂直进行扫描，得到可见反射墙面、可见绕射棱，作为一级虚拟源；

然后，依次遍历一级虚拟源内所有反射面、绕射棱，在可视区域内再次进行扫描，确定反射源的所有二级虚拟源；

最后，依此类推，找出所有虚拟源(反射面、绕射棱)，以树形结构进行存储，方便多径预测。

步骤二、多径反射、绕射点预测。

①通过镜像法求解反射点R₀坐标：

$R_0=T+\frac{d_R(R^{\′}-T)}{(d_T+d_R)|R^{\′}-T|}---\left(1\right)$

其中，T、R为发射点，d_T、d_R分别为T、R到反射面v·(x,y,z)+D＝0的距离，R’为接收点R关于反射平面的镜像，且R′＝R+kv，

②平行尖劈绕射，通过坐标变换(平移、旋转)将尖劈转换至平行于Z轴方向，求解绕射点D_i坐标(x_i,y_i,z_i)：

$(x_i,y_i,z_{n+1}+(z_0-z_{n+1}\left)\frac{\underset{1}{\overset{n}{\Σ}}\sqrt{{(x_i-x_{i+1})}^2+{(y_i-y_{i+1})}^2}}{\underset{0}{\overset{n}{\Σ}}\sqrt{{(x_i-x_{i+1})}^2+{(y_i-y_{i+1})}^2}}\right)---\left(2\right)$

其中，(x₀,y₀,z₀)、(x_n+1,y_n+1,z_n+1)分别为发射、接收点坐标。

③求解非平行尖劈绕射点D_i坐标。

…

其中，A_iB_i(i＝1,2,…)为绕射尖劈。

步骤三、多径信号到达场预测。

①直射场预测。

电波传播过程中，计算直射场：

式中，P为发射功率(W)，G为天线增益，r为收发点间距离(m)，F为发射天线方向图。

②反射场预测。

在射线基坐标下，计算反射场：

其中，E_⊥，E_□为反射末场垂直、水平极化分量，为入射波在反射点处垂直、水平极化分量，A_d为振幅扩散因子，e^jks为相位累积，R为反射系数，且θ为掠射角。

③绕射场预测。

在射线基坐标下，计算绕射场表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_e^d\left(F\right)=D_e{E}_e^i\left(D\right)A\left(S_2\right)e^{{\mathrm{jkS}}_2}\\ E_m^d\left(F\right)=D_m{E}_m^{i}A\left(S_2\right)e^{{\mathrm{jkS}}_2}\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，i表示入射，d表示绕射，D_e，D_m分别为垂直、平行于入射面极化的电场分量的自绕射系数。A(S₂)为振幅扩散因子，为电波相位积累。

通过多径反射、绕射点及信号场预测最终可实现导航信号多径预测。

1.参照表1，设定本地时间为2015年9月17日15时32分00秒，接收机纬经高坐标(34.2436,108.9089,400)，可计算可见卫星PRN位置、速度，为多径预测提供信号发送、接收点信息。

表1可见卫星位置、速度参数

PRN	2	5	6	9	12	17	25
								X	-1244741	1286137	-14444633	-20144634	10748427	-21170745	15417231
Y	15961818	25594618	10066074	2335088	22134719	15544139	10589613
								Z	21607242	6524385	19880554	17156184	10163057	-2767763	18821483
VX	-2570	-515	-2382	1464	78	128	430
								VY	-680	-743	-845	-1625	1302	-452	2364
VZ	317	3008	-1303	1938	-2868	-3192	-1657

2.以简易场景模型为例对多径预测方法进行说明。场景参数：建筑物1、2外形尺寸为55(长)×16(宽)×18(高)m，建筑物3、4外形尺寸为55(长)×10(宽)×18(高)m。建筑1与2及3与4间距离均为16m，建筑1与3及2与4间距离均为30米。源点Tx天线距地面30米高，发射功率为30dBm，天线极化方式为右旋圆极化，接收点Rx高2米，建筑物的等效电参数为ε_r＝4，σ＝0.05S/m。构建坐标系，设置接收发射点，Tx＝[454830]；Rx＝[108302]。

进行多径预测。首先搜索可见墙面、棱，建立虚拟源树；其实计算反射、绕射点，得到多径空间分布(参见图2)；最后计算信号场，实现多径信号的准确预测，其中多径时延-功率分布参见图3。

Claims (1)

1.一种三维场景导航信号多径预测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、基于三维场景的反射面、绕射棱搜索；

首先，建立三维场景模型，建筑物通过几何参数与电参数表征，可见卫星位置、速度通过星历、接收点坐标计算；

其次，以发射源/接收源为中心，先水平后垂直进行扫描，得到可见反射墙面和可见绕射棱，作为一级虚拟源；

然后，依次遍历一级虚拟源内所有反射面和绕射棱，在可视区域内再次进行扫描，确定反射源的所有二级虚拟源；

最后，找出所有虚拟源，以树形结构进行存储；

步骤二、多径反射、绕射点预测；

①通过镜像法求解反射点R₀坐标：

$R_0=T+\frac{d_R\left(R^{\′}-T\right)}{(d_T+d_R)|R^{\′}-T|}---\left(1\right)$

其中，T、R为发射点，d_T、d_R分别为T、R到反射面v·(x,y,z)+D＝0的距离，R’为接收点R关于反射平面的镜像，且R'＝R+kv，

②平行尖劈绕射，通过坐标变换将尖劈转换至平行于Z轴方向，求解绕射点D_i坐标(x_i,y_i,z_i)：

$(x_i,y_i,z_{n+1}+(z_0-z_{n+1}\left)\frac{\underset{1}{\overset{n}{\Σ}}\sqrt{{(x_i-x_{i+1})}^2+{(y_i-y_{i+1})}^2}}{\underset{0}{\overset{n}{\Σ}}\sqrt{{(x_i-x_{i+1})}^2+{(y_i-y_{i+1})}^2}}\right)---\left(2\right)$

其中，(x₀,y₀,z₀)、(x_n+1,y_n+1,z_n+1)分别为发射、接收点坐标；

③求解非平行尖劈绕射点D_i坐标；

$\begin{array}{c}{D}_i=A_i+k_i\stackrel{\→}{A_i{B}_i}\left(0\≤k_i\≤1\right)\\ \frac{\stackrel{\→}{{\mathrm{TD}}_1}\·\stackrel{\→}{A_1{B}_1}}{\left|\stackrel{\→}{{\mathrm{TD}}_1}\right|\left|\stackrel{\→}{A_1{B}_1}\right|}=\frac{\stackrel{\→}{D_2{D}_1}\·\stackrel{\→}{A_1{B}_1}}{\left|\stackrel{\→}{D_2{D}_1}\right|\left|\stackrel{\→}{A_1{B}_1}\right|}\\ \frac{\stackrel{\→}{D_1{D}_2}\·\stackrel{\→}{A_2{B}_2}}{\left|\stackrel{\→}{D_1{D}_2}\right|\stackrel{\→}{A_2{B}_2}}=\frac{\stackrel{\→}{D_2{D}_3}\·\stackrel{\→}{A_2{B}_2}}{\left|\stackrel{\→}{D_2{D}_3}\right|\left|\stackrel{\→}{A_2{B}_2}\right|}\\ ...\\ \frac{\stackrel{\→}{D_{n-1}{D}_n}\·\stackrel{\→}{A_n{B}_n}}{\left|\stackrel{\→}{D_{n-1}{D}_n}\right|\stackrel{\→}{A_n{B}_n}}=\frac{\stackrel{\→}{D_{n}R}\·\stackrel{\→}{A_n{B}_n}}{\left|\stackrel{\→}{D_{n}R}\right|\left|\stackrel{\→}{A_n{B}_n}\right|}\end{array}---\left(3\right)$

其中，A_iB_i(i＝1,2,…)为绕射尖劈；

步骤三、多径信号到达场预测；

①直射场预测；

电波传播过程中，计算直射场：

式中，P为发射功率，G为天线增益，r为收发点间距离，F为发射天线方向图；

②反射场预测；

在射线基坐标下，计算反射场：

其中，E_⊥，为反射末场垂直、水平极化分量， 为入射波在反射点处垂直、水平极化分量，A_d为振幅扩散因子，e^jks为相位累积，R为反射系数，且θ为掠射角；

③绕射场预测；

在射线基坐标下，计算绕射场：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_e^d\left(F\right)=D_e{E}_e^i\left(D\right)A\left(S_2\right)e^{{\mathrm{jkS}}_2}\\ E_m^d\left(F\right)=D_m{E}_m^i\left(D\right)A\left(S_2\right)e^{{\mathrm{jkS}}_2}\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，i表示入射，d表示绕射，D_e，D_m分别为垂直、平行于入射面极化的电场分量的自绕射系数；A(S₂)为振幅扩散因子，为电波相位积累；

通过多径反射、绕射点及信号场预测，实现导航信号多径预测。