CN111337954A - 三维场景卫星遮挡及多径信号模拟方法和模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三维场景卫星遮挡及多径信号模拟方法和模拟装置，属于卫星导航的信号技术领域。包括由三维场景多径仿真装置、导航信号仿真控制装置和导航多径信号模拟源组成，三维场景多径仿真装置和导航多径信号模拟源分别与导航信号仿真控制装置连接。本发明的有益效果在于，结合对天真实信号测试和导航信号模拟源测试的优点，减少定位中的误差，特别是高楼林立的街道、高架桥、峡谷等环境中，由于卫星遮挡和多径信号的影响造成的误差。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维场景卫星遮挡及多径信号模拟方法和模拟装置，属于卫星导航的信号技术领域。
背景技术
随着我国北斗导航系统技术不断发展和成熟，北斗导航在无人驾驶、5G等各行各业应用会日益深入，对高精度导航定位有更多的需求。然而在高楼林立的街道、高架桥、峡谷等环境中，卫星信号经过周围物体表面会产生反射的多径信号，卫星信号经过周围物体边缘时，会产生绕射的多径信号，卫星信号还会被物体遮挡住，由于卫星遮挡和多径信号的影响，造成高精度定位结果偏差较大，无法满足智能驾驶和万物互联所需的全程无死角车道级别高精度导航需求。目前对于高精度导航定位测试都是采用实际对天真实信号测试和导航信号模拟源测试两种，对天真实信号测试测试条件不可控，易受环境影响，不能定量测试指标，这些缺点导航信号模拟源测试都没有，但是模拟源不能模拟真实三维场景的卫星遮挡和多径效应，造成导航信号模拟源测试通过的产品在实际环境使用过程中定位误差大。因此迫切需要对真实三维场景建模，并仿真三维环境中的卫星遮挡和由于周围物体面反射、物体边缘绕射引起的多径信号，在导航信号模拟源中实现，这样就能结合对天真实信号测试和导航信号模拟源测试的优点。
专利US9562976则是利用3D环境建模信息，结合接收机的位置和解算的卫星位置，区分出多径反射信号和直达信号，以减去多径信号对定位误差的影响。专利US9945956提出一种利用三维建筑信息处理GNSS定位结果的方法，其思路是利用手机GNSS定位结果和三维环境之间的关系给出定位结果不确定度的下限值。这两个美国专利都不是关于多径信号仿真的，不能用于指导真实三维场景下的多径信号仿真。专利CN105372676A提出了一种三维场景导航多径信号预测方法，但是没有考虑到多系统多卫星都存在多个多径信号路径实时计算的复杂度，也没考虑到多径信号仿真生成的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维场景卫星遮挡及多径信号模拟方法和模拟装置，从而克服现有技术中的不足。
本发明通过以下技术方案实现，通过导航信号仿真控制装置，将仿真参数发送给三维场景多径仿真装置；三维场景多径仿真装置再将仿真计算出的多径参数和卫星遮挡信息反馈给导航信号仿真控制装置；导航信号仿真控制装置计算生成导航直达信号和多径信号的快变参数（快变参数包括伪距、伪距变化率、载波相位和载波相位变化率），连同电文参数一并发送给导航多径信号模拟源；最终由导航多径信号模拟源根据导航直达信号和多径信号快变参数，以及电文参数生成导航直达射频信号和多径射频信号。
本发明包括以下步骤：
步骤一：基于三维地图计算多径参数和卫星遮挡；
步骤二：仿真生成直达信号快变参数和多径信号快变参数；
步骤三：生成导航直达射频信号和导航多径射频信号。
所述的步骤一包括：
11）获得三维场景地图数据：通过借助无人机倾斜摄影针对真实场景进行三维高精度建模，或者从已有三维地图导入数据；
12）对地图中不同材质进行区分，设置不同的反射系数；
13）在三维地图中编辑生成用户轨迹，设置仿真起始时间，选择仿真的卫星导航系统及频点；
14）设置多径最大反射/绕射次数、多径最大时延、多径最大衰减功率，以减少多径计算数量，提高多径计算的实时性；
15）从仿真起始时间开始，以一定频度在GPU中计算当前用户轨迹点到每颗可见卫星的所有信号传播路径，找出所有的反射、绕射路径；
16）如果可见卫星到当前用户轨迹点的连线穿过三维地图中的物体，说明该可见卫星被物体遮挡，卫星直达信号对于用户而言不可见；
17）根据步骤15）找出的反射和绕射路径距离，结合路径上不同材质的反射系数，计算得到反射、绕射引起的多径相对于直达信号的功率衰减和伪距时延；
18）只选择满足不大于多径最大时延和多径最大衰减功率的多径信号，计算其由于周围运动物体引起的额外多普勒频移；
19）将步骤16）和步骤18）计算得到的所有多径信号参数和被遮挡的卫星号及持续时间信息发给导航信号仿真控制装置。
所述的步骤二包括：
21）将同一颗卫星的多路多径信号合成为一路多径，得到此路多径信号相对于直达信号的多径参数，包括伪距时延、功率衰减、多普勒频移；
22）根据仿真时间和星历参数计算卫星位置，以一定频度，根据用户轨迹和卫星位置计算伪距，加上卫星钟差，电离层和对流层误差，地球自转效应后得到每个频点所有直达信号的快变参数；
23）被遮挡的卫星的直达信号功率设置为关闭（关闭的意思就是直达信号不再输出），其余卫星信号功率设置为期望功率（期望功率就是用户期望导航信号源输出的功率）；
24）根据多径信号参数和对应的直达信号快变参数，得到多径信号的快变参数；
25）将直达信号和多径信号的快变参数，以及电文参数发送给导航多径信号模拟源。
所述的步骤三包括：
31）根据直达信号的快变参数和电文参数，生成直达数字信号；
32）根据多径信号快变参数和电文参数，生成多径数字信号；
33）直达数字信号可以和多径数字信号合路后经过同一个DA和上变频、滤波通道后变成导航直达和多径射频信号输出，也可以分别经过不同的DA和上变频、滤波通道后变成导航直达射频信号、多径射频信号。
三维场景卫星遮挡及多径信号模拟装置由三维场景多径仿真装置、导航信号仿真控制装置和导航多径信号模拟源组成，三维场景多径仿真装置和导航多径信号模拟源分别与导航信号仿真控制装置连接。
所述的三维场景多径仿真装置包括三维场景建模及导入模块、轨迹编辑模块、卫星位置计算模块、信号传播路径仿真模块、多径参数计算模块、卫星遮挡判断模块；三维场景建模及导入模块、轨迹编辑模块、卫星位置计算模块一端与卫星遮挡判断模块连接，另一端与信号传播路径仿真模块连接，信号传播路径仿真模块与多径参数计算模块连接。
三维场景建模及导入模块完成三维地图数据的生成，包括不同材质材料的区分以及反射系数的确定；轨迹编辑模块根据载体类型、天线安装位置和轨迹设置生成每个仿真时刻的用户位置和速度信息；卫星位置计算模块根据仿真时间和星历参数计算当前时刻的卫星位置；信号传播路径仿真模块根据三维地图数据，当前时刻的卫星位置，用户位置，查找每颗可见卫星因为反射、绕射引起的多径信号路径；多径参数计算模块根据多径信号路径计算多径信号相对于直达信号的伪距时延、功率衰减、多普勒频移参数；卫星遮挡判断模块根据当前时刻的卫星位置和用户位置连线是否穿过三维地图中的物体来判断，如果穿过则是卫星被遮挡，否则直达卫星信号。
本发明的有益效果在于，通过对真实三维场景建模，并仿真三维环境中的卫星遮挡和多径效应，在导航信号模拟源中实现，从而结合对天真实信号测试和导航信号模拟源测试的优点，减少定位中的误差，特别是高楼林立的街道、高架桥、峡谷等环境中，由于卫星遮挡和多径信号的影响造成的误差。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为三维场景多径仿真装置结构图。
具体实施方式
本发明通过导航信号仿真控制装置2设置仿真时间、仿真频点、天线方向图，将仿真参数发送给三维场景多径仿真装置1；三维场景多径仿真装置1再根据仿真时间、用户轨迹、星历，基于三维地图数据仿真计算多径信号参数（多径信号参数包括每路多径的时延、功率、多普勒）和卫星遮挡信息（卫星遮挡信息包括被遮挡的卫星号和持续时间），并反馈给导航信号仿真控制装置2；导航信号仿真控制装置2计算生成导航信号和多径信号快变参数，连同电文参数一并发送给导航多径信号模拟源3；最终由导航多径信号模拟源3根据导航和多径信号快变参数，以及电文参数生成导航直达射频信号和多径射频信号。
本发明具体包括下述三个步骤：
步骤一：基于三维地图计算多径参数和卫星遮挡，
11）获得三维实景地图数据：包括借助无人机倾斜摄影针对真实场景进行三维高精度建模，或者从谷歌地球、高德等三维地图导入数据；
12）对地图中混凝土、玻璃、金属、水泥地材质进行区分，不同材质设置不同的反射系数；
13）在三维地图中编辑用户轨迹：设置载体类型、天线安装位置和轨迹设置，设置天线方向图，设置仿真起始时间，选择仿真的卫星导航系统及频点，生成每个仿真时刻的用户位置和速度信息；
14）设置多径最大反射/绕射次数（可以理解，最大是个相对值，如果某个多径的反射和绕射次数之和超过这个最大反射/绕射次数，那么这个多径信号就不再仿真了，本领域技术人员可以结合接收机的抗多径技术需要，设定最大反射/绕射次数）、多径最大时延（可以理解，最大是个相对值，超过这个最大时延值的多径信号就不再仿真了，本领域技术人员可以结合接收机的抗多径技术需要，设定多径最大时延值），多径最大衰减功率（可以理解，最大是个相对值，超过这个最大衰减功率值的多径信号就不再仿真了，本领域技术人员可以结合接收机的抗多径技术需要，设定多径最大衰减功率值）；
15）从仿真起始时间开始，以一定频度（具体频度值由技术人员根据仿真计算的实际需要而定，通常是10Hz到1KHz之间）在GPU中计算当前用户轨迹点到每颗可见卫星的所有信号传播路径，找出所有的反射、绕射路径；
16）如果可见卫星到当前用户轨迹点的连线穿过三维地图中的物体，则该可见卫星被遮挡；
17）根据步骤15）找出的反射和绕射路径距离，结合路径上不同材质的反射系数，计算得到反射、绕射引起的多径相对于直达信号的功率衰减和伪距时延；
18）只选择满足不大于多径最大时延和多径最大衰减功率的多径信号，计算其由于周围运动物体引起的额外多普勒频移；
19）将步骤16）和步骤18）计算得到的所有多径信号参数和被遮挡的卫星号及遮挡持续时间发给导航信号仿真控制装置2。
步骤二：仿真生成直达信号快变参数和多径信号快变参数，
21）将同一颗卫星的所有路多径信号合成为一路多径，得到此路多径信号相对于直达信号的多径参数，包括伪距时延、功率衰减、多普勒频移；也可以不合成，直接发送多路多径信号参数；
22）根据仿真时间和星历参数计算卫星位置，以一定频度（具体频度值由技术人员根据仿真计算的实际需要而定，通常是10Hz到1KHz之间），根据用户轨迹和卫星位置计算伪距，加上卫星钟差，电离层和对流层误差，地球自转效应后得到每个频点所有直达信号的快变参数，包括伪距、伪距变化率、载波相位和载波相位变化率；
23）被遮挡的卫星信号功率设置为0，其余卫星信号功率设置为期望功率；
24）根据多径信号参数和对应的直达信号快变参数，得到多径信号的快变参数；
25）将直达信号和多径信号的快变参数，以及电文参数发送给导航多径信号模拟源3。
步骤三：生成导航直达射频信号和多径射频信号，
31）根据直达卫星信号的快变参数和电文参数，生成直达卫星数字信号；
32）根据多径信号快变参数和电文参数，生成多径数字信号；
33）直达卫星数字信号可以和多径数字信号合路后经过同一个DA和上变频、滤波通道后变成导航直达和多径射频信号输出，也可以分别经过不同的DA和上变频、滤波通道后变成导航直达射频信号、多径射频信号。根据步骤21）的多径是否合路，多径射频输出可以是一路或者多路；多路多径射频输出的每一路多径信号在微波暗室内通过与多径来向角度相近的天线辐射，以模拟不同来向的多径信号。
下面结合附图1至2对本发明的优选实施例作进一步说明，包括由三维场景多径仿真装置1、导航信号仿真控制装置2和导航多径信号模拟源3组成，三维场景多径仿真装置1和导航多径信号模拟源3分别与导航信号仿真控制装置2连接。
所述的三维场景多径仿真装置1包括三维场景建模及导入模块11、轨迹编辑模块12、卫星位置计算模块13、信号传播路径仿真模块14、多径参数计算模块15、卫星遮挡判断模块16；
三维场景建模及导入模块11、轨迹编辑模块12、卫星位置计算模块13一端与卫星遮挡判断模块16连接，另一端与信号传播路径仿真模块14连接，信号传播路径仿真模块14与多径参数计算模块15连接。
其中的三维场景建模及导入模块11完成三维地图数据的生成，包括不同材质材料的区分以及反射系数的确定；轨迹编辑模块12根据载体类型、天线安装位置和轨迹设置生成每个仿真时刻的用户位置和速度信息，卫星位置计算模块13根据仿真时间和星历参数计算当前时刻的卫星位置；信号传播路径仿真模块14根据三维地图数据，当前时刻的卫星位置，用户位置，查找每颗可见卫星因为反射、绕射引起的多径信号路径；多径参数计算模块15根据多径信号路径计算多径信号相对于直达信号的伪距时延、功率衰减、多普勒频移参数；卫星遮挡判断模块16根据当前时刻的卫星位置和用户位置连线是否穿过三维地图中的物体来判断，如果穿过则是卫星被遮挡，否则直达卫星信号；上述的六个模块形成包括仿真时间、用户轨迹、星历等多径参数反馈给导航信号仿真控制装置2。
Claims (7)
1.三维场景卫星遮挡及多径信号模拟方法，
其特征在于包括以下步骤：
步骤一：基于三维地图计算多径参数和卫星遮挡；
步骤二：仿真生成直达信号快变参数和多径信号快变参数；
步骤三：生成导航直达射频信号和导航多径射频信号。
2.根据权利要求1所述的三维场景卫星遮挡及多径信号模拟方法，其特征在于，所述的步骤一包括：
11）获得三维场景地图数据：通过借助无人机倾斜摄影针对真实场景进行三维高精度建模，或者从已有三维地图导入数据；
12）对地图中不同材质进行区分，设置不同的反射系数；
13）在三维地图中编辑生成用户轨迹，设置仿真起始时间，选择仿真的卫星导航系统及频点；
14）设置多径最大反射/绕射次数、多径最大时延、多径最大衰减功率；
15）从仿真起始时间开始，以一定频度在GPU中计算当前用户轨迹点到每颗可见卫星的所有信号传播路径，找出所有的反射、绕射路径；
16）如果可见卫星到当前用户轨迹点的连线穿过三维地图中的物体，则该可见卫星被遮挡；
17）根据步骤15）找出的反射和绕射路径距离，结合路径上不同材质的反射系数，计算得到反射、绕射引起的多径相对于直达信号的功率衰减和伪距时延；
18）只选择满足不大于多径最大时延和多径最大衰减功率的多径信号，计算其由于周围运动物体引起的额外多普勒频移；
19）将步骤16）和步骤18）计算得到的所有多径信号参数和被遮挡的卫星号及持续时间信息发给导航信号仿真控制装置。
3.根据权利要求1所述的三维场景卫星遮挡及多径信号模拟方法，其特征在于，所述的步骤二包括：
21）将同一颗卫星的多路多径信号合成为一路多径，得到此路多径信号相对于直达信号的多径参数，包括伪距时延、功率衰减、多普勒频移；
22）根据仿真时间和星历参数计算卫星位置，以一定频度，根据用户轨迹和卫星位置计算伪距，加上卫星钟差、电离层和对流层误差、地球自转效应后得到每个频点所有直达信号的快变参数；
23）被遮挡的卫星的直达信号功率设置为关闭，其余卫星信号功率设置为用户的期望功率；
24）根据多径信号参数和对应的直达信号快变参数，得到多径信号的快变参数；
25）将直达信号和多径信号的快变参数，以及电文参数发送给导航多径信号模拟源。
4.根据权利要求1所述的三维场景卫星遮挡及多径信号模拟方法，其特征在于，所述的步骤三包括：
31）根据直达信号的快变参数和电文参数，生成直达数字信号；
32）根据多径信号快变参数和电文参数，生成多径数字信号；
33）直达数字信号可以和多径数字信号合路后经过同一个DA和上变频、滤波通道后变成导航直达和多径射频信号输出，也可以分别经过不同的DA和上变频、滤波通道后变成导航直达射频信号、多径射频信号。
5.一种基于权利要求1至4任意一项所述的三维场景卫星遮挡及多径信号模拟方法的模拟装置，其特征在于：由三维场景多径仿真装置、导航信号仿真控制装置和导航多径信号模拟源组成，
三维场景多径仿真装置和导航多径信号模拟源分别与导航信号仿真控制装置连接。
6.根据权利要求5所述的三维场景卫星遮挡及多径信号模拟方法的模拟装置，其特征在于：所述的三维场景多径仿真装置包括三维场景建模及导入模块、轨迹编辑模块、卫星位置计算模块、信号传播路径仿真模块、多径参数计算模块、卫星遮挡判断模块；
三维场景建模及导入模块、轨迹编辑模块、卫星位置计算模块一端与卫星遮挡判断模块连接，另一端与信号传播路径仿真模块连接，信号传播路径仿真模块与多径参数计算模块连接。
7.根据权利要求6所述的三维场景卫星遮挡及多径信号模拟方法的模拟装置，其特征在于：
三维场景建模及导入模块完成三维地图数据的生成，包括不同材质材料的区分以及反射系数的确定；
轨迹编辑模块根据载体类型、天线安装位置和轨迹设置生成每个仿真时刻的用户位置和速度信息；
卫星位置计算模块根据仿真时间和星历参数计算当前时刻的卫星位置；
信号传播路径仿真模块根据三维地图数据、当前时刻的卫星位置、用户位置，查找每颗可见卫星因为反射、绕射引起的多径信号路径；
多径参数计算模块根据多径信号路径计算多径信号相对于直达信号的伪距时延、功率衰减、多普勒频移参数；
卫星遮挡判断模块根据当前时刻的卫星位置和用户位置连线是否穿过三维地图中的物体来判断，如果穿过则是卫星被遮挡，否则是直达卫星信号。
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Denomination of invention: Simulation method and device of satellite occlusion and multipath signal in 3D scene Effective date of registration: 20210528 Granted publication date: 20200825 Pledgee: Changsha bank Limited by Share Ltd. Xiangjiang New District sub branch Pledgor: HUNAN SNR INFORMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2021980004116 |
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