CN114301546A - 时变nlos场景下卫星导航信道仿真方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法、装置及系统，方法包括基于多点散射体模型构建时变NLOS虚拟仿真场景；基于接收机确定性运动模型及接收机离散坐标更新方程推演当前仿真时刻的接收机坐标；结合当前仿真时刻的接收机坐标和基于多点散射体模型构建时变NLOS虚拟仿真场景的几何关系，计算多径分量的传播路径长度和时延；根据多径分量传播路径长度和时延，生成时变离散信道冲击响应。本发明能够体现时变NLOS场景下卫星导航信道的关键信道特性，尤其有助于开发先进的卫星导航NLOS误差抑制算法，可以为卫星导航系统设计、性能评估提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航领域，具体的涉及一种时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法、装置及系统。
背景技术
全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)的目标是在全球范围内提供随时随地的精确定位服务。可是在城市街区环境中，其中的建筑物会阻挡和反射来自导航卫星的直射(line of sight,LOS)信号，此时就会发生非视距(non line ofsight,NLOS)接收。NLOS接收与多径接收是两个相互联系又有显著区别的场景，事实上两者的效果是不同的，而研究者经常会不对二者加以区分。在卫星导航信道模型研究领域，现有研究中关于多径接收的建模仿真研究较多，却较少关注构建NLOS接收仿真模型。NLOS接收环境会导致接收机产生较大的定位误差。因此，需要先进的信道仿真技术，用于提供可控的无线信道场景再现，目的就是建立能够代表物理世界的内场性能测试和评估环境，以开发出抑制或改善NLOS误差的技术。
另一方面，传统的信道仿真所用信道模型大多假设所仿真的信道满足时不变或广义平稳条件。近年来，随着对高速运动或快时变移动场景下信道测量活动的增多和研究的持续深入开展，研究者们发现这些运动场景下的无线信道具有显著的时变特性。时变信道与传统的时不变或广义平稳信道的区别在于其信道参数的时变性，而最需要关注的时变信道参数就是多普勒频移。目前针对多普勒频移建模仿真，主流的方法是用正弦曲线求和(sum of sinusoid,SOS)方法对有限数量的多普勒频移建模仿真，从原理上来说该方法适用于有色高斯随机过程建模。然而，在卫星导航领域期望通过确定性的方式来仿真信道传播场景，得到与可预测的运动模型相对应的时变仿真信号，因此无线衰落信号仿真方法并不适合GNSS的仿真需求。并且这些方法还存在仿真多径时变多普勒频率非平滑过渡、精确度不高的问题。
此外，传统的高动态卫星导航信号多普勒模拟算法通过三阶数控振荡器(numerical controlled oscillator,NCO)方案计算高动态的直射卫星信号。尽管这些方法可模拟非常高动态的信号，但其针对的主要是卫星导航直射信号的伪码和载波多普勒频率偏移模拟。并不适用于移动接收机在地面局部动态散射环境中所接收到的大量散射多径信号的多普勒频移模拟。而且由于所需仿真模拟的多径信号数量比较多，采用多阶NCO方案对每一路多径分量分别模拟所耗费的硬件资源会非常多，且参数控制和更新过程复杂。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法、装置及系统，能够解决在卫星导航定位时变NLOS接收场景下，现有仿真方法对多径分量时变仿真存在多普勒频率非平滑过渡、精确度不高的问题，满足精确呈现与接收机运动模型相对应的动态NLOS信道的需求。
根据本发明第一方面实施例的时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法，包括以下步骤：
S100、基于多点散射体模型构建时变NLOS虚拟仿真场景；
S200、基于接收机确定性运动模型及接收机离散坐标更新方程推演当前仿真时刻的接收机坐标；
S300、结合当前仿真时刻的接收机坐标和时变NLOS虚拟仿真场景的几何关系，计算多径分量的传播路径长度和时延；
S400、根据多径分量传播路径长度和时延，生成时变离散信道冲击响应。
根据本发明第一方面实施例的时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法，至少具有如下技术效果：本发明实施方式基于多点散射体模型构建的时变NLOS虚拟仿真场景，模拟了移动接收机的局部地面动态环境，可以精确产生时变运动更新参数；其次，通过将连续时变运动速度映射为时变多普勒频率，利用高效复合梯形积分法则计算更新的信号传播路径长度，不仅可以精确仿真信道多径分量连续相位和多普勒频移时变特性，具有较小的仿真误差，而且与瑞利统计分布理论值的符合程度较好，可以有效近似接收机传播物理模型，从而有效再现时变NLOS卫星导航信道；再者，在本发明的方案仿真建模的移动接收机不限制为匀速运动条件，而是放松这种条件，支持移动接收机的非线性变速度运动，实现在时变NLOS传播环境中跟踪多径信道的瞬时多普勒频率，体现更加符合实际和灵活的时变散射仿真效果。
本发明实施方式在高速移动场景的时变NLOS卫星导航信道建模仿真和系统性能评估中都具有很高的应用价值，尤其有助于开发先进的卫星导航NLOS误差抑制算法；本发明实施方式能够体现时变NLOS场景下卫星导航信道的关键信道特性，能够以较小的误差准确模拟时变信道的时间非平稳特性，可以为卫星导航系统设计、性能评估提供理论和技术支撑。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S100的详细步骤为：
S101、建立一个平面坐标系作为参考坐标系；
S102、设定接收机在所述参考坐标系中的坐标；
S103、在接收机周围设置多个点散射体，并设定多个所述点散射体的坐标；
S104、设置来自导航卫星的平面波信号相对于多个所述点散射体保持平行；
S105、设定直射信号被完全阻塞，移动接收机处的信号能量全部由来自多点散射体的散射信号所贡献。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S103中多个所述点散射体的坐标通过随机方式生成或人工输入。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S104中的平面波信号的相位服从均匀分布。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S200的具体步骤为：
S201、对接收机的时变速度进行插值得到插值速度；
S202、根据接收机确定性运动模型，将所述插值速度分解为x轴线速度和y轴线速度；
S203、根据接收机离散坐标更新方程，分别对仿真时间步长内接收机沿着x轴和y轴的线速度进行积分，得到接收机沿着x轴和y轴的坐标增量；
S204、用上一个仿真时刻接收机的坐标加上所述坐标增量，得到当前仿真时刻的接收机坐标。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S201中的插值采用修正Akima分段三次Hermite插值方法。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S202中将所述插值速度分解为x轴线速度和y轴线速度的计算公式为
其中，
和
为接收机沿着x轴和y轴的线速度，
为接收机的角速度，v(t)和
分别是插值后的接收机时变速度和角速度，θ为接收机与x轴正方向的方向夹角。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S202中接收机离散坐标更新方程的表达式为
其中，x[k]和y[k]为接收机在离散时刻k的横坐标和纵坐标。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S203中的积分采用复合梯形积分法则。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S300中第p条路径的第k个仿真时刻传播路径长度dp[k]的计算公式为
其中，Dp为卫星发射机到第p个点散射体的距离，xp与yp是第p个散射体坐标，x[k]和y[k]是第k个仿真时刻接收机的坐标；
多径分量传播路径时延τ′p[k]的计算公式为
其中，c0为光速。
根据本发明的一些实施例，所述步骤S400中时变离散信道冲击响应的计算公式为
其中，τ′为时间延迟变量；多径分量数P与传播场景中的散射体数量相等；第p路多径分量的增益cp在仿真的短时间段内被认为是不变的；相位φp设置为在0到2π区间上均匀分布的随机变量；kc＝2π/λc表示与信号载波频率对应的传播常数，λc是载波波长；dp[k]为所述多径分量传播路径长度；τ′p[k]为所述多径分量传播路径延迟。
根据本发明第二方面实施例的时变NLOS场景下卫星导航信道仿真装置，包括：场景构建模块；所述场景构建模块用于基于多点散射体模型构建时变NLOS虚拟仿真场景；
动态场景推演模块，所述动态场景推演模块包括时变速度插值单元、时变速度分解单元、时变速度积分单元和坐标更新单元，所述时变速度插值单元用于对接收机的时变速度进行插值得到插值速度，所述时变速度分解单元用于根据接收机确定性运动模型，将插值速度分解为x轴线速度和y轴线速度，所述时变速度积分单元用于根据接收机离散坐标更新方程，分别对仿真时间步长内接收机沿着x轴线速度和y轴线速度进行积分，得到接收机沿着x轴和y轴的坐标增量；所述坐标更新单元用于将上一个仿真时刻接收机的坐标加上对应的坐标增量，得到当前仿真时刻的接收机坐标；
所述场景构建模块的输出端与所述时变速度插值单元的输入端相连接，所述时变速度插值单元的输出端与所述时变速度分解单元的输入端相连接，所述时变速度分解单元的输出端与所述时变速度积分单元的输入端相连接，所述时变速度积分单元的输出端与所述坐标更新单元相连接；
信道冲击响应生成模块，所述信道冲击响应生成模块包括多径分量传播路径长度与延迟计算单元和信道冲击响应计算单元，所述路径长度与延迟计算单元用于结合基于多点散射体模型构建的时变NLOS虚拟仿真场景的几何关系，计算导航卫星信号经多个点散射体散射后传播至接收机的多径分量传播路径长度，所述信道冲击响应计算单元用于根据所述多径分量的传播路径长度和时延，计算接收机处的信道冲击响应并输出；
所述坐标更新单元的输出端与所述多径分量传播路径长度与延迟计算单元的输入端相连接，所述多径分量传播路径长度与延迟计算单元的输出端与所述信道冲击响应计算单元输入端相连接。
根据本发明第二方面实施例的时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法，至少具有如下技术效果：本发明实施方式基于多点散射体模型构建的时变NLOS虚拟仿真场景，模拟了移动接收机的局部地面动态环境，可以精确产生时变运动更新参数；其次，通过将连续时变运动速度映射为时变多普勒频率，利用高效复合梯形积分法则计算更新的信号传播路径长度，不仅可以精确仿真信道多径分量连续相位和多普勒频移时变特性，具有较小的仿真误差，而且与瑞利统计分布理论值的符合程度较好，可以有效近似接收机传播物理模型，从而有效再现时变NLOS卫星导航信道；再者，在本发明的方案仿真建模的移动接收机不限制为匀速运动条件，而是放松这种条件，支持移动接收机的非线性变速度运动，实现在时变NLOS传播环境中跟踪多径信道的瞬时多普勒频率，体现更加符合实际和灵活的时变散射仿真效果。
本发明实施方式在高速移动场景的时变NLOS卫星导航信道建模仿真和系统性能评估中都具有很高的应用价值，尤其有助于开发先进的卫星导航NLOS误差抑制算法；本发明实施方式能够体现时变NLOS场景下卫星导航信道的关键信道特性，能够以较小的误差准确模拟时变信道的时间非平稳特性，可以为卫星导航系统设计、性能评估提供理论和技术支撑。
根据本发明第三方面实施例的时变NLOS场景下卫星导航信道仿真系统，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如上述的时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法。
根据本发明第三方面实施例的时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法，至少具有如下技术效果：本发明实施方式基于多点散射体模型构建的时变NLOS虚拟仿真场景，模拟了移动接收机的局部地面动态环境，可以精确产生时变运动更新参数；其次，通过将连续时变运动速度映射为时变多普勒频率，利用高效复合梯形积分法则计算更新的信号传播路径长度，不仅可以精确仿真信道多径分量连续相位和多普勒频移时变特性，具有较小的仿真误差，而且与瑞利统计分布理论值的符合程度较好，可以有效近似接收机传播物理模型，从而有效再现时变NLOS卫星导航信道；再者，在本发明的方案仿真建模的移动接收机不限制为匀速运动条件，而是放松这种条件，支持移动接收机的非线性变速度运动，实现在时变NLOS传播环境中跟踪多径信道的瞬时多普勒频率，体现更加符合实际和灵活的时变散射仿真效果。
本发明实施方式在高速移动场景的时变NLOS卫星导航信道建模仿真和系统性能评估中都具有很高的应用价值，尤其有助于开发先进的卫星导航NLOS误差抑制算法；本发明实施方式能够体现时变NLOS场景下卫星导航信道的关键信道特性，能够以较小的误差准确模拟时变信道的时间非平稳特性，可以为卫星导航系统设计、性能评估提供理论和技术支撑。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例中时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法流程图；
图2为本发明实施例中基于多点散射体模型构建时变NLOS虚拟场景示意图；
图3为本发明实施例中时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法步骤S1的具体步骤流程图；
图4为本发明实施例中时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法步骤S2的具体步骤流程图；
图5为本发明实施例中变速运动的离散速度例子；
图6为本发明实施例中变速运动的离散速度插值后的速度曲线；
图7为本发明实施例中时变NLOS场景下卫星导航信道仿真装置框图；
图8为本发明实施例中用三阶非匀加速运动模型产生的时变速度曲线图；
图9为本发明实施例中移动距离的仿真值与理论值的误差仿真曲线图；
图10为本发明实施例中复合梯形法则子区间数与多普勒频移误差值关系仿真曲线图；
图11为本发明实施例中仿真实验预设的基于多点散射体模型的时变NLOS场景仿真图；
图12为本发明实施例中以20log(|·|)转换后的对数单位表示的复数包络仿真信号幅度仿真图；
图13为本发明实施例中随着时间演进的仿真信号的绝对相位仿真图；
图14为本发明实施例中仿真信号多普勒谱仿真图；
图15为本发明实施例中仿真样本和理论瑞利分布CDF比较曲线仿真图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参考图1，一种时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法，包括以下步骤：
S100、基于多点散射体模型构建时变NLOS虚拟仿真场景；
S200、基于接收机确定性运动模型及接收机离散坐标更新方程推演当前仿真时刻的接收机坐标；
S300、结合当前仿真时刻的接收机坐标和时变NLOS虚拟仿真场景的几何关系，计算多径分量的传播路径长度和时延；
S400、根据多径分量传播路径长度和时延，生成时变离散信道冲击响应。
参考图3，步骤S100的具体步骤如下：
S101、建立一个平面坐标系作为参考坐标系；
S102、设定接收机在参考坐标系中的坐标；
S103、在接收机周围设置多个点散射体，并设定多个点散射体的坐标；
S104、设置来自导航卫星的平面波信号相对于多个点散射体保持平行；
S105、设定直射信号被完全阻塞，移动接收机处的信号能量全部由来自多点散射体的散射信号所贡献。
如图2所示，建立一个平面坐标系，图中示出的2维场景中，导航卫星星载发射机产生右旋圆极化信号。在接收机的周围设置P个点散射体，并设定点散射体在参考坐标系中的坐标。
设定P个点散射体的坐标具体有两种实施方式：一是使用随机产生的方式来自动化地定义点散射体的位置坐标；一是随机产生位置坐标；二是人工输入位置坐标。
来自导航卫星的平面波相对于移动接收机周围所有点散射体均保持平行。进一步的，设置平面波信号的相位为均匀分布、振幅相同。为了再现NLOS接收场景，进一步设定直射信号被完全阻塞，移动接收机处的信号能量全部由来自多点散射体的散射信号所贡献。
基于多点散射体模型构建时变NLOS虚拟仿真场景具有简化仿真复杂度，突出时变NLOS卫星导航散射接收环境的本质特点的技术效果。
参考图4，步骤S200的具体步骤如下：
S201、对接收机的时变速度进行插值，得到插值速度；
S202、根据接收机确定性运动模型，将插值速度分解为x轴线速度和y轴线速度；
S203、根据接收机离散坐标更新方程，分别对仿真时间步长内接收机沿着x轴和y轴的线速度进行积分，得到接收机沿着x轴和y轴的坐标增量；
S204、用上一个仿真时刻接收机的坐标加上坐标增量，得到当前仿真时刻的接收机坐标。
根据仿真时间步长，推演步骤S1中构建的仿真场景中接收机的动态变化，动态变化包括基于接收机确定性运动模型及接收机离散坐标更新方程更新接收机坐标。接收机坐标更新可由接收机速度对时间积分间接得到。
为了计算时变速度积分，首先需要对时变速度进行插值。其技术效果是可以提高接收机速度对时间积分的计算精度，针对已知关于速度的预设条件不同，分为下列两种情况：
a)已知速度解析计算公式时
例如，用三阶非匀加速运动模型来建模接收机的运动过程，其时变速度v(t)表示为v(t)＝v0+a0t+1/2jt2，其中v0和a0表示初始速度和加速度，j为加加速度(Jerk)，这三个运动参数控制生成平滑轨迹的三阶多项式运动模型。通过控制加加速度在特定的时间切换，并将分段运动串联起来，以组成整体轨迹。通过在线规划运动参数，可实现在毫秒内从任意初始条件重新规划速度沿路径动态变化及其时间演化的算法。
利用速度解析计算公式可对时变速度进行任意倍率的插值。
b)不具备速度解析计算公式，已知离散速度时
实际中大量的运动模型一般没有解析公式。下面将针对不具备速度解析计算公式的运动模型，但已知离散速度的情况进行讨论。
例如，设置移动接收机的初始速度为5m/s，仿真期间移动接收机进行“加速—匀速—减速”运动，图5显示了该变速运动的离散速度，图中“*”标记的是离散速度点。
针对已知离散速度的情况，速度插值是在一组已知离散速度点的范围内添加新速度点的过程。速度插值的目的是填充缺失的速度数据、对现有速度数据进行平滑或预测等。可选的插值方法或技术包括但不限于线性插值、最近邻点插值、三次样条插值、分段三次Hermite插值、修正Akima分段三次Hermite插值等。
本发明实施例中采用修正Akima分段三次Hermite插值方法。图6示出了采用修正Akima分段三次Hermite插值方法对图5所示变速运动的离散速度进行插值的结果。
用q＝[x,y,θ]T表示移动接收机关于图1中参考坐标系的运动姿态，不妨设接收机从坐标原点开始，沿着与x轴正方向夹角θ的方向移动。
可选地，为接收机设置预定义轨迹，接收机跟随预定义轨迹移动。
x轴线速度和y轴线速度通过接收机确定性运动模型被计算为
上式中，
和
为接收机在时刻t沿着x轴和y轴的线速度，
为接收机的角速度，v(t)和
分别是移动接收机质心的线速度和角速度。
和
表示如下
本实施例中设角速度
当然，角速度取0只是本发明的一个优选实施例，本发明并不限制角速度的取值范围。
本发明实施例中采用移动接收机离散坐标更新方程来精确地表示离散运动坐标更新过程，表达式为
上述方程在每个仿真时间步长Tch内引入了时变速度的积分项，这样做实际上不再将运动模型限定为匀速运动，其技术效果是可实现相位平滑过渡的同时满足多普勒频移的时间连续渐变，可以体现信道的连续时变特性，保持信道相位的平滑过渡。
为了使本发明的方法以较小的计算复杂度获得引入速度积分带来的精度增益，本发明采用复合梯形积分法则计算速度积分，即将(k-1)Tch～kTch积分区间分成多个子区间，在每个子区间中使用梯形法则进行面积计算，最后将所有的梯形面积累加起来，复合成速度积分结果。积分区间的完整划分包括n+1个等距离的时间基点(t0,t1,…,tn)，相应地有n个等宽度的子区间，每个子区间的宽度等于
那么把各个分区合并为总的积分S表示为
式中，v′(t)可视作x轴线速度或y轴线速度，用梯形法则替换各个积分式，可得
对上式合并同类项后，得到利用复合梯形积分法则计算接收机离散坐标更新方程中积分项的计算式为
以上，采用复合梯形积分法则进行速度积分的技术效果是使本公开以较小的计算复杂度，获得引入速度积分带来的精度增益。
最后，步骤S200的输出结果是随着仿真时刻不断更新的接收机采样坐标序列(x[k],y[k])T，k＝0,1,…。
步骤S300中，多径分量传播路径长度指从导航卫星出发，经过多点散射体散射后，传播至接收机的传播路径长度。下面给出具体的实施例。
前述步骤S200中的移动接收机坐标更新方程等价于以仿真时间步长Tch为间隔对移动接收机路径进行采样，输出的结果就是接收机采样坐标序列(x[k],y[k])T，k＝0,1,…。该采样坐标序列中当前仿真时刻的接收机坐标结合步骤S1建立的基于多点散射体模型的时变NLOS虚拟仿真场景的几何关系，可以计算导航卫星经第p个点散射体散射后，传播至接收机的传播路径长度时间序列中的第k个值dp[k]为
其中，Dp为卫星发射机到第p个点散射体的距离，可根据导航星座的类型对应的轨道高度得到一个估计值，其在相对较短的运动过程中可以认为是不变的。观察式中第2个和项，其中xp与yp是第p个散射体坐标，由步骤S200计算得到的x[k]和y[k]是当前仿真时刻移动接收机在全局参考坐标系中的位置坐标。
在仿真过程中，首先根据步骤S200计算路径采样点坐标(x[k],y[k])T，然后计算P个多径分量传播路径长度d1[k],d2[k],...,dP[k]。
并且，根据电磁波速度乘时间等于传播距离的关系，c0为光速，第p路多径分量时延τ′p[k]表示为
步骤S400中，根据多径分量传播路径长度与时延，可得接收机处当前仿真离散k时刻的信道冲击响应为
其中，τ′为时间延迟变量；多径分量数P与传播场景中的散射体数量相等；第p路多径分量的增益cp在仿真的短时间段内被认为是不变的；相位φp设置为在0到2π区间上均匀分布的随机变量；kc＝2π/λc表示与GNSS信号载波频率对应的传播常数，λc是GNSS信号的载波波长；dp[k]为第p个多径分量传播路径长度，即从导航卫星经第p个点散射体散射至移动接收机的传播路径长度；τ′p[k]是第p条传播路径的延迟。
参考图7，本发明还涉及一种时变NLOS卫星导航仿真装置，包括：场景构建模块100、动态场景推演模块200和信道冲击响应生成模块300。
场景构建模块100用于基于多点散射体模型构建时变NLOS虚拟仿真场景，建立一个平面坐标系作为参考坐标系，设定接收机在参考坐标系中的坐标，在接收机的周围设置多个点散射体，并设定多个点散射体在参考坐标系中的坐标，设置来自导航卫星的平面波信号对于移动接收机周围所有点散射体均保持平，设置直射信号被完全阻塞，移动接收机处的信号能量全部由来自多点散射体的散射信号所贡献。
动态场景推演模块200包括时变速度插值单元210、时变速度分解单元220、时变速度积分单元230和坐标更新单元240；
其中，时变速度插值单元210用于对接收机的时变速度进行插值得到插值速度。
其中，时变速度分解单元220用于根据接收机确定性运动模型，将插值速度分解为x轴线速度和y轴线速度。
其中，时变速度积分单元230用于根据接收机离散坐标更新方程，分别对仿真时间步长内接收机沿着x轴线速度和y轴线速度进行积分，得到接收机沿着x轴和y轴的坐标增量。
其中，坐标更新单元240用于将上一个仿真时刻接收机的坐标加上对应的坐标增量，得到当前仿真时刻的接收机坐标。
信道冲击响应生成模块300包括多径分量传播路径长度与延迟计算单元310、信道冲击响应计算单元320。
其中，多径分量传播路径长度与延迟计算单元310用于结合基于多点散射体模型构建的时变NLOS虚拟仿真场景的几何关系，计算导航卫星信号经多个点散射体散射后传播至接收机的多径分量传播路径长度。
其中，信道冲击响应计算单元320用于根据多径分量传播路径长度与时延，计算接收机处的信道冲击响应并输出。
下面结合仿真实验结果对本发明的技术效果作进一步的描述。
为了更加直观地说明本算法的误差特性，已经用本发明提出的方法并使用三阶非匀加速运动模型来建模移动接收机的运动过程。图8显示了用三阶非匀加速运动模型产生的时变速度曲线。令移动接收机从图1所示的多点散射体场景的坐标原点出发，航向夹角θ设为30度，则其初始运动姿态为[0,0,30]T。在移动接收机2s运动过程中，移动距离的仿真值与理论值的误差如图9所示，说明仿真值与理论值的误差相当小。
图10中结果显示随着复合梯形法则子区间数增加一倍，移动距离和多普勒频移误差值约减少为上一个误差值的四分之一。
实际中大量的运动模型一般没有解析公式。下面将针对不具备速度解析公式的运动模型，但已知离散速度的情况进行仿真复现。进一步验证并说明本发明所提出的时变NLOS卫星导航信道建模仿真方法的有效性。
以GPS L1频率1.57542GHz的信号为例。由多点散射体构成的NLOS接收仿真场景如图11所示，其中Δ标记了点散体在参考坐标系中的位置，接收机的轨迹用实线表示。因为通常来说，时变场景中主要是移动接收机进行高速移动，为简化场景的复杂度，暂不考虑散射体的移动。因此，设置移动接收机的初始速度为5m/s，仿真期间移动接收机进行“加速—匀速—减速”运动，图5显示了该变速运动的离散速度曲线，图5中“*”标记的是离散速度点。因为假设导航卫星和移动接收机之间不存在直射信号，而由图11所示场景预设的17个点散射体反射17个多径分量信号。仿真时间长度设置为4s。
图12显示了以20log(|·|)转换后的对数单位表示的复数包络信号幅度。图13显示了仿真中随着时间演进的信号绝对相位。图14显示了对应的仿真信号多普勒谱。
为了获得对这一仿真过程的更深入理解，本发明实施例对其产生的信道数据进行统计分析，用4s的仿真数据计算样本累积分布CDF，然后将其与理论瑞利分布CDF进行比较，检查仿真获得的复数包络幅度变化是否遵循瑞利分布。为了验证这一点，图15示出了本发明实施例仿真样本CDF和理论瑞利分布CDF有比较好的符合程度，说明使用本发明实施例可以较好地复现时变信道的统计特性。
本发明还涉及一种时变NLOS场景下卫星导航信道仿真系统，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如上述的时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法。
综上所述，本发明提出通过构建时变NLOS虚拟仿真场景，并结合接收机确定性运动模型及接收机离散坐标更新方程，推演动态接收场景变化，将连续运动速度变化映射为连续时变多普勒频率，采用高效数值积分计算信号传播路径长度，从而再现时变NLOS接收信道的相位和多普勒频移的精确变化。数值仿真实验结果显示，本发明所提仿真方法不仅可以精确模拟信道多径分量连续相位和多普勒频移时变特性，而且可以较好地复现时变信道的瑞利衰落统计特性，从而有效近似接收机传播物理模型，再现时变NLOS接收信道。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (13)
1.一种时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100、基于多点散射体模型构建时变NLOS虚拟仿真场景；
S200、基于接收机确定性运动模型及接收机离散坐标更新方程推演当前仿真时刻的接收机坐标；
S300、结合当前仿真时刻的接收机坐标和时变NLOS虚拟仿真场景的几何关系，计算多径分量的传播路径长度和时延；
S400、根据多径分量传播路径长度和时延，生成时变离散信道冲击响应。
2.根据权利要求1所述的时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法，其特征在于：所述步骤S100的详细步骤为：
S101、建立一个平面坐标系作为参考坐标系；
S102、设定接收机在所述参考坐标系中的坐标；
S103、在接收机周围设置多个点散射体，并设定多个所述点散射体的坐标；
S104、设置来自导航卫星的平面波信号相对于多个所述点散射体保持平行；
S105、设定直射信号被完全阻塞，移动接收机处的信号能量全部由来自多点散射体的散射信号所贡献。
3.根据权利要求2所述的时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法，其特征在于：所述步骤S103中多个所述点散射体的坐标通过随机方式生成或人工输入。
4.根据权利要求2所述的时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法，其特征在于：所述步骤S104中的平面波信号的相位服从均匀分布。
5.根据权利要求1所述的时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法，其特征在于：所述步骤S200的具体步骤为：
S201、对接收机的时变速度进行插值得到插值速度；
S202、根据接收机确定性运动模型，将所述插值速度分解为x轴线速度和y轴线速度；
S203、根据接收机离散坐标更新方程，分别对仿真时间步长内接收机沿着x轴和y轴的线速度进行积分，得到接收机沿着x轴和y轴的坐标增量；
S204、用上一个仿真时刻接收机的坐标加上所述坐标增量，得到当前仿真时刻的接收机坐标。
6.根据权利要求5所述的时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法，其特征在于：所述步骤S201中的插值采用修正Akima分段三次Hermite插值方法。
7.根据权利要求5所述的时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法，其特征在于：所述步骤S202中将插值速度分解为x轴线速度和y轴线速度的表达式为
其中，
和
分别为接收机沿着x轴和y轴的线速度，
为接收机的角速度，v(t)是插值后的接收机时变速度，
是插值后的接收机角速度，θ为接收机与x轴正方向的方向夹角。
8.根据权利要求5所述的时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法，其特征在于：所述步骤S202中接收机离散坐标更新方程的表达式为
其中，x[k]和y[k]分别为接收机在离散时刻k的横坐标和纵坐标，v(t)是插值后的接收机时变速度，Tch为仿真时间步长。
9.根据权利要求5所述的时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法，其特征在于：所述步骤S203中的积分采用复合梯形积分法则。
10.根据权利要求1所述的时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法，其特征在于：所述步骤S300中第p条路径的第k个仿真时刻传播路径长度dp[k]的计算公式为
其中，Dp为卫星发射机到第p个点散射体的距离，xp与
是第p个散射体的坐标，x[k]和y[k]分别为接收机在离散时刻k的横坐标和纵坐标；
多径分量传播路径时延τ′p[k]的计算公式为
其中，c0为光速。
11.根据权利要求1所述的时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法，其特征在于：所述步骤S400中时变离散信道冲击响应的计算公式为
其中，τ′为时间延迟变量；多径分量数P与传播场景中的散射体数量相等；第p路多径分量的增益cp在仿真的短时间段内被认为是不变的；相位φp设置为在0到2π区间上均匀分布的随机变量；kc＝2π/λc表示与信号载波频率对应的传播常数，λc是载波波长；dp[k]为多径分量传播路径长度；τ′p[k]为多径分量传播路径延迟。
12.一种时变NLOS场景下卫星导航信道仿真装置，其特征在于，包括：场景构建模块(100)，所述场景构建模块(100)用于基于多点散射体模型构建时变NLOS虚拟仿真场景；
动态场景推演模块(200)，所述动态场景推演模块(200)包括时变速度插值单元(210)、时变速度分解单元(220)、时变速度积分单元(230)和坐标更新单元(240)，所述时变速度插值单元(210)用于对接收机的时变速度进行插值得到插值速度，所述时变速度分解单元(220)用于根据接收机确定性运动模型，将插值速度分解为x轴线速度和y轴线速度，所述时变速度积分单元(230)用于根据接收机离散坐标更新方程，分别对仿真时间步长内接收机沿着x轴线速度和y轴线速度进行积分，得到接收机沿着x轴和y轴的坐标增量；所述坐标更新单元(240)用于将上一个仿真时刻接收机的坐标加上对应的坐标增量，得到当前仿真时刻的接收机坐标；
所述场景构建模块(100)的输出端与所述时变速度插值单元(210)的输入端相连接，所述时变速度插值单元(210)的输出端与所述时变速度分解单元(220)的输入端相连接，所述时变速度分解单元(220)的输出端与所述时变速度积分单元(230)的输入端相连接，所述时变速度积分单元(230)的输出端与所述坐标更新单元(240)相连接；
信道冲击响应生成模块(300)，所述信道冲击响应生成模块(300)包括多径分量传播路径长度与延迟计算单元(310)和信道冲击响应计算单元(320)，所述路径长度与延迟计算单元(310)用于结合基于多点散射体模型构建的时变NLOS虚拟仿真场景的几何关系，计算导航卫星信号经多个点散射体散射后传播至接收机的多径分量传播路径长度，所述信道冲击响应计算单元(320)用于根据多径分量的传播路径长度和时延，计算接收机处的信道冲击响应并输出；
所述坐标更新单元(240)的输出端与所述多径分量传播路径长度与延迟计算单元(310)的输入端相连接，所述多径分量传播路径长度与延迟计算单元(310)的输出端与所述信道冲击响应计算单元(320)输入端相连接。
13.一种时变NLOS场景下卫星导航信道仿真系统，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如权利要求1至11任意一项所述的时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117674952A (zh) * | 2023-10-16 | 2024-03-08 | 中国人民解放军国防科技大学 | 星地传播混合信道模拟方法、装置、设备和存储介质 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107241797A (zh) * | 2017-06-02 | 2017-10-10 | 重庆邮电大学 | Nlos环境下基于散射体信息的单站定位方法 |
| CN107340518A (zh) * | 2017-07-19 | 2017-11-10 | 电子科技大学 | 一种用于信号缺失下的isar雷达成像方法 |
| CN107947840A (zh) * | 2017-11-06 | 2018-04-20 | 重庆邮电大学 | 基于毫米波大规模mimo的时间反演抗干扰方法 |
| CN111786921A (zh) * | 2020-06-01 | 2020-10-16 | 中国电子科技集团公司第七研究所 | 一种基于先验时延信息的航空通信系统基扩展信道估计方法 |
| CN111917498A (zh) * | 2020-08-14 | 2020-11-10 | 北京交通大学 | 实现毫米波信道空间一致性的仿真方法 |
| CN112865883A (zh) * | 2021-01-21 | 2021-05-28 | 西北工业大学 | 联合射线追踪法和时域有限差分法的信道建模方法 |
| CN112968743A (zh) * | 2021-02-25 | 2021-06-15 | 中国人民解放军陆军工程大学 | 基于可见区域划分的时变去蜂窝大规模mimo信道建模方法 |
-
2021
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107241797A (zh) * | 2017-06-02 | 2017-10-10 | 重庆邮电大学 | Nlos环境下基于散射体信息的单站定位方法 |
| CN107340518A (zh) * | 2017-07-19 | 2017-11-10 | 电子科技大学 | 一种用于信号缺失下的isar雷达成像方法 |
| CN107947840A (zh) * | 2017-11-06 | 2018-04-20 | 重庆邮电大学 | 基于毫米波大规模mimo的时间反演抗干扰方法 |
| CN111786921A (zh) * | 2020-06-01 | 2020-10-16 | 中国电子科技集团公司第七研究所 | 一种基于先验时延信息的航空通信系统基扩展信道估计方法 |
| CN111917498A (zh) * | 2020-08-14 | 2020-11-10 | 北京交通大学 | 实现毫米波信道空间一致性的仿真方法 |
| CN112865883A (zh) * | 2021-01-21 | 2021-05-28 | 西北工业大学 | 联合射线追踪法和时域有限差分法的信道建模方法 |
| CN112968743A (zh) * | 2021-02-25 | 2021-06-15 | 中国人民解放军陆军工程大学 | 基于可见区域划分的时变去蜂窝大规模mimo信道建模方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 何继勇: "室外微蜂窝毫米波信道测试与 射线追踪建模技术", 《电力信息与通信技术》, pages 38 - 45 * |
| 周顺: "卫星导航信道模型综述", 电 波 科 学 学 报 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117674952A (zh) * | 2023-10-16 | 2024-03-08 | 中国人民解放军国防科技大学 | 星地传播混合信道模拟方法、装置、设备和存储介质 |
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