基于三维场景的导航多径信号仿真方法及系统与流程

1.本发明涉及卫星导航领域，尤其涉及一种基于三维场景的导航多径信号仿真方法及系统。


背景技术：

2.随着卫星导航系统的发展，卫星导航定位技术已在多个领域广泛应用，在城市、峡谷等复杂地理环境中，由于多径效应普遍存在，接收机天线接收的信号通常包括los(line of sight)卫星信号和nlos(not line of sight)卫星信号，并且无论是否存在los信号，nlos信号分量可能为零或任意数量。如果天线载体正在移动或反射物体正在移动，则los和nlos之间也可能存在速率误差。
3.多路径效应会带来时延不同步、信号衰减、极化改变、链路不稳定等一系列问题，直接影响接收机定位精度，是卫星导航系统的重要误差源之一，多径信号对码跟踪造成的误差可达几米甚至几十米的量级，多径建模与多径消除技术一直是卫星导航领域的研究热点。
4.而对于接收机的性能测试，大部分都为室内检测，其检测结果无法真实反映接收机在复杂实景环境中的定位性能，因此产生了大量基于光线追踪的多径仿真方法，典型算法是设定一个以用户为中心的射线集，任意相邻射线的夹角小于指定角度，然后通过光线追踪算法通过gpu并行计算全部射线获取全部的多径路径。这种算法的缺点在于未考虑多径仿真和卫星导航模拟器的硬件通道能力，导致了大量无效计算，对于复杂场景无法进行高频率的仿真计算，且由与多径边界条件引入的误差，可能导致一个反射面与单个卫星及载体间形成大量多径，导致失去多径的多样性；因此，亟需一种更为高效且逼真的多路径仿真测试技术。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供一种基于三维场景的导航多径信号仿真方法及系统，实现高逼真的多径信号，可视，及提高接收机性能检测准确度，具体采用以下技术方案：
6.基于三维场景的导航多径信号仿真方法，包括：
7.步骤s1：导入三维场景模型，设定导航多径路径总数n和多径的边界条件；
8.步骤s2：确定时刻t用户及导航卫星在三维场景中的位置；
9.步骤s3：根据设定的导航多径路径总数n，构建以用户位置为起点的射线集r，并将射线集r分为m个射线子集r
i
，其中，i∈[1,m]，各子集之间无交集，全部射线子集的并集等于射线集r；
[0010]
步骤s4：选取某一未进行多径计算的子集r
i
进行射线追踪，获得所有用户位置到导航卫星的满足边界条件的多径路径集合m
i
，m
i
中包含的多径路径数量为n
i
；
[0011]
步骤s5：累加已计算完毕的多径路径总数量若n
k
≥n或k＝m中任一
条件满足，则退出计算，进行多径路径信号仿真参数计算，否则返回s4步骤，其中k≤m，k为已经完成计算的射线组数；
[0012]
步骤s6：更新时刻t，返回步骤s2，重新计算用于多径路径信号仿真的参数。
[0013]
进一步地，所述边界条件包括：第一边界条件，包括所述多径路径的最终反射或透射的方向，和最终反射点或透射点与任意一颗导航卫星的连线的方向形成的夹角θ，判断所述夹角θ是否小于设定的门限值，所述连线的方向为最终反射点或透射点指向任意一颗导航卫星；若该条件成立，则计算该多径路径的总距离与导航卫星到接收机天线位置的距离之差小于设定的第一距离门限值或者大于设定的第二距离门限值时，则可视该多径路径；
[0014]
和/或第二边界条件，包括：计算多径路径由于反射或透射引入的功率衰减值，若功率衰减值小于设定的功率衰减门限值，则保留该多径路径。
[0015]
进一步地，在所述步骤s5中：还可以当所述某一未进行多径计算的子集r
i
进行射线追踪，将所述子集r
i
中全部射线计算完毕后进行累加,若不满足条件，返回步骤s4。
[0016]
进一步地，所述设定用户轨迹包括选择所述天线载体的行进路径，所述行进路径包括步行、驾车、飞行，或者在所述三维仿真场景中选择多个点绘制天线载体的漫游轨迹，天线载体根据所述漫游轨迹进行运动。
[0017]
进一步地，所述射线集r的大小根据所述导航多径路径总数n调整，两者为正比关系；将所述射线集分为m组射线子集，每组射线子集包含的射线数量近似或相等。
[0018]
进一步地，所述导航多径路径的种类包括直射、反射、透射、折射、漫反射中的至少一种类别，根据多径路径的类别设置各多径路径的不同延迟参数。
[0019]
进一步地，根据所述计算用于多径路径信号仿真的参数，生成导航多径仿真信号，所述参数至少包括各多径路径坐标、卫星位置、卫星速度、接收机天线速度、接收机天线坐标。
[0020]
进一步地，参数还包括相位翻转因子、功率衰减、时延、多普勒数据。
[0021]
进一步地，各所述射线子集采用gpu并行计算。
[0022]
本发明还提供实现基于三维场景的导航多径仿真方法的系统，包括导航多径可视装置与导航信号模拟器连接，所述导航信号模拟器通过所述导航多径可视装置获取用户轨迹、场景信息、射线集，所述导航多径可视装置通过所述导航信号模拟器获取卫星星历信息、多径信息，并将多径可视化，所述导航信号模拟器通过可视化的多径计算多径路径信号仿真参数并生成多径路径的仿真信号。
[0023]
与现有技术相比，本发明的优点及积极效果在于：
[0024]
1.通过三维仿真场景，设定所需的多径路径，构建射线集并进行分组，依次计算各组子集的射线多径路径，依据设定的边界条件，当满足所需边界条件的多径路径，就停止射线计算，本发明通过分组计算，通过已满足设定的多径路径，再通过最终反射和/或折射的方向，以及反射点或透射点计算多径路径信号仿真所需的参数，本发明计算量小，快速提高多径路径信号仿真效率，且提高多径路径的多样性；
[0025]
2.算出满足出满足条件的多样性多径路径最终的反射点和/或折射点等参数，对满足的多径路径进行可视化显示和/或管理，计算各多径路径的参数，本发明计算量小，且多径路径的误差小，通过多样性的多径仿真参数，生成高逼真的多径路径信号，并输出，提高多径仿真测试效率，提高接收机测试的抗多径路径效应性能的准确度、可靠度、可信度；
[0026]
3.本发明多径路径可视不但支持导航信号模拟器的模拟环境仿真，还能根据实景实时星历进行可视化仿真，还可以保留多径路径的参数进行离线多径路径仿真，为接收机检测提供验证溯源依据。
附图说明
[0027]
图1为本发明实施例的多径信号仿真方法流程示意图；
[0028]
图2为本发明实施例的边界条件夹角示意图。
具体实施方式
[0029]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0030]
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0031]
以下介绍本发明提供的基于三维场景的导航多径信号仿真方法的实施例，图1示出了该实施例的方法流程示意图；包括：在步骤s1中，导入场景模型：包括预设三维仿真场景或采集实景环境构建的三维仿真场景，三维仿真场景包括三维模型、用户、无线电信号传播路径；具体地说，用户指接收机天线，和/或天线载体，所述三维模型包括城市郊区、城市市区、高速公路、山区、机场、暗室环境，还可以设定用户轨迹，及设定导航多径路径总数n，所述导航多径路径的种类包括反射、透射、折射、漫反射中的至少一种类别；设定导航多径路径总数n和多径的边界条件；步骤s2：确定时刻t用户及导航卫星在三维场景中的位置；
[0032]
步骤s3：根据设定的导航多径路径总数n，构建以用户位置为起点的射线集r，其中射线集r包括r条射线，具体地说，r≧n，可以根据射线方向进行分组，也可以根据射线角度进行分组，将r条射线分为m个射线子集r
i
，i∈[1,m]，优选地，各射线子集r
i
中的射线，在每个反射和/或折射的各个面上(此处说的面是指镜面，比如某建筑物、玻璃等遮挡物上，不同的角度的面上)都有相应的射线，提高各射线子集r
i
中的射线的多样性，而不是各射线子集r
i
中的射线各自全部归类某一个镜面，以防止满足多径边界要求的射线大部分或全部为一个面发生的，导致一个面与单个卫星及载体间形成大量多径，从而失去多径的多样性，根据此类多径生成的多径路径信号，对于接收机的定位测试是没有意义的，各射线子集r
i
中的射线之间无任何交集，即无任何重复的射线，全部射线子集的并集等于射线集r；
[0033]
步骤s4：选取某一未进行多径计算的子集r
i
进行射线追踪，获得所有用户位置到导航卫星的满足边界条件的多径路径集合m
i
，m
i
中包含的多径路径数量为n
i
；满足边界条件的多径路径可以是所有导航卫星到用户的反射和/或透射多径路径；
[0034]
步骤s5：累加已计算完毕的多径路径总数量若n
k
≥n或k＝m中任一条件满足，则退出计算，进行多径路径信号仿真参数计算，其中k≤m，k为已经完成计算的射线组数；若不满足条件，返回步骤s4，当满足条件，退出计算，保留多径路径集合m
i
的多径路径，可以通过可视化在三维场景中进行显示，并对满足条件的多径路径信号仿真所需的参数进行计算。
[0035]
步骤s6：更新时刻t，返回步骤s2，重新计算用于多径路径信号仿真的参数。
[0036]
在本实施例，可以一边计算多径路径，一边进行累加满足边界条件的多径路径的数量，当数量n
k
＝n时，就退出该多径路径计算；执行之后的步骤；同理，如果是计算完一组子集r
i
，再进行累加，当数量n
k
≧n时，退出该多径路径计算，执行之后的步骤。
[0037]
步骤s6：更新时刻t，返回步骤s2，重新计算用于多径路径信号仿真的参数。在本实施例中，当所有射线子集的多径路径全部计算完毕时，退出计算，重新更新时间t，返回步骤s2。在另外的实施例中，更新时刻t后，还可以在步骤s3中，更新射线集r的大小，并进行合理的分组。
[0038]
其中，边界条件包括：第一边界条件，包括所述多径路径的最终反射或透射的方向，和最终反射点或透射点与任意一颗导航卫星的连线的方向形成的夹角θ，判断所述夹角θ是否小于设定的门限值，所述连线的方向为最终反射点或透射点指向任意一颗导航卫星；若该条件成立，则计算该多径路径的总距离与导航卫星到接收机天线位置的距离之差小于设定的第一距离门限值或者大于设定的第二距离门限值时，则保留该多径路径；如图2所示，最终反射点/投射点p，与卫星的连线所形成的θ夹角，判断θ是否在已设定的门限值内，为了降低多径的误差，一般门限值会设置的比较低，设置的条件越苛刻，多径的逼真度越高。
[0039]
和/或第二边界条件，包括：计算多径路径由于反射或透射引入的功率衰减值，若功率衰减值小于设定的功率衰减门限值，则保留该多径路径。
[0040]
根据功率衰减、时延、多普勒数据进行多径仿真，生成多径信号；在本发明中，导航卫星指可视卫星，可以是从互联网获取的导航卫星星历信息，也可以是导航信号模拟器仿真的星历信息，也可以是预存的星历信息。基于三维场景，根据用户位置、导航星历，以及三维场景中的遮挡物，进行多径路径的计算，从而高效获取逼真的多径路径信号仿真所需的参数，进而，导航信号模拟器根据此参数仿真可以高效高频率地生成可用于导航终端测试的多样性的多径路径信号。而不是现有技术中，任意生成一些对接收机终端抗多径性能测试无用的多径信号，也不是如现有技术中通过光线追踪算法通过gpu遍历计算全部射线获取全部的多径路径。这种做法未考虑多径仿真和卫星导航模拟器的硬件通道能力，导致了大量无效计算，对于复杂场景无法进行高频率的仿真计算，且由与多径边界条件引入的误差，可能导致一个反射面与单个卫星及载体间形成大量多径，导致失去多径的多样性；浪费计算工作量，效率低。
[0041]
在本实施例的步骤s5中：还可以当所述某一未进行多径计算的子集r
i
进行射线追踪，将该射线子集r
i
中全部射线计算完毕后进行累加。累加已计算完毕的射线子集r
i
的并满足设定的边界条件的多径路径总数量若n
k
≥n时或k＝m时，k为完成计算的射线组数，则退出计算，进行多径路径信号仿真参数计算，并执行步骤s6，若不满足条件，返回步骤s4。也就是说对某一未进行多径计算的射线子集r
i
进行射线追踪算法时，是将该射线子集r
i
中全部射线计算完毕后进行累加，而不是一边计算一边累加，该累加的结果可能出现n
k
≥n，则退出该多径计算。
[0042]
具体地，在本发明中，通过三维场景，选择所需的三维场景模型，设定所需的多径路径的数量和满足多径的边界条件，比如设定多径路径的总数量n为64条；根据光线追踪算法原理，构建射线集r，例如射线集r可以包括10000条，将该射线集r中的全部射线r分为m组射线子集r
i
，假设分为10组，或者20组，或任意分组，射线子集r
i
的组数i大于等于1，少于等
于m，其中每组射线子集r
i
中的射线的方向、角度任意不同，错开选择不同的镜面的反射或折射的射线，每组射线子集的射线数量可以相似或者相等，按照任意次序，随机或者依次计算各组子集的射线的多径路径，比如可以任意选择第1组，射线子集r1开始计算，或者任意选择第3组，射线子集r3开始计算等，按照任意次序进行计算，通过已导入的三维场景模型，根据用户轨迹，场景模型中的各反射点和/或折射点，其中反射点还可以包括漫反射点、散射点、衍射点等，投射点是包括折射点等，计算各多径路径是否满足边界条件的要求，如果满足要求，则保留该多径路径，该多径路径可以通过可视装置在三维场景中进行显示，依据设定的边界条件进行保留，还可以进一步可视各多样性的多径路径，当本发明可能在计算第3组，射线子集r3后，就已经算出满足需要的64条多径路径了，则停止计算其他的射线子集r
i
了，保留已满足的64条多径路径，并且还可以在三维场景中可视，反推算出保留的各多径路径在三维场景中的最终的反射点和/或折射点等参数，本发明计算量小，能快速提高多径路径信号仿真效率，不需要全部遍历计算所有的射线，实现高效高频率的多样性多径路径信号的仿真，提高了接收机定位性能测试的准确性与可靠性。其中，多径路径参数至少包括各多径路径坐标、卫星位置、卫星速度、接收机天线速度、接收机天线坐标。更优选地是，参数还可以包括相位翻转因子、功率衰减、时延、多普勒数据。本发明计算成本低，只需要普通的cpu即可完成多径路径的仿真参数计算，从而高效的生成多径路径仿真信号，当然还可以根据现实条件，选择gpu进行并行计算，进一步提高计算效率，并且射线子集包含的射线数量根据gpu的硬件性能设定。当累加已计算完毕的射线子集r
i
的并满足设定的边界条件的多径路径总数量若n
k
≥n时，还可以从满足条件的多径路径中选择更多样性，作为多径路径仿真参数的计算，更加提高仿真多径路径信号的多样性，更利于接收机定位性能/抗多径性能测试。
[0043]
按照任意次序，得到各组射线子集中的全部射线经过三角形网格的多径路径，保留满足边界条件的多径路径，数量为n
i
；统计存在的多径路径总数量若n
k
≥n则退出计算，其中k为自然数，且k≤m为已经完成计算的射线组数，构建以用户位置为起点的射线集r；
[0044]
在本实施例中，可以是计算某射线子集时，以该射线子集的射线计算完毕，进行多径路径统计，也可以是一边计算射线，一边进行多径路径的边界条件判断及统计，此方式更为高效，也就是说可以不用计算完整的某射线子集r
i
，就可以提前结束计算，计算量更小。
[0045]
本发明根据射线追踪原理，对三维场景中确定时刻t，已知用户(接收机天线或天线载体)及导航卫星在三维场景中的位置，对以用户位置为起点的射线进行分组追踪计算，获取满足边界条件的多径路径，保留，还可以显示此类多径路径，在可视化装置中进行显示。
[0046]
在本实施例中，三维仿真场景库包括预设三维仿真场景或采集实景环境构建的三维仿真场景，三维模型可以包括城市郊区、城市市区、高速公路、山区、机场、暗室环境，不同的三维模型都有不同的建筑等遮挡物，这些遮挡物自身也可以移动，遮挡物的材质也是已知的，不同的遮挡物的材质会有不同的反射系数、折射系数、漫反射系数等，这些系数都是用于计算多径路径的必要参数。
[0047]
在本实施例中，还包括编辑场景模型，可以对三维仿真场景进行编辑，编辑包括旋
转角度、位置变化、比例缩放中的至少一种；导入场景模型还包括选择场景界面，不同界面颜色，表示不同的天气，电离层环境不同；或者不同界面风格，适合用户体验。比如雨雪天气场景中，雨雪天气对多径的影响，通过设置雨/雪的反射、折射系数等计算真实的多径路径，更加逼真的实现接收机在真实环境下的抗多径性能测试；或者选择不同界面风格，提高操作者的体验度。
[0048]
在本实施例中，还包括选择所述天线载体的行进路径，行进路径包括步行、驾车、飞行，或者在所述三维仿真场景中选择多个点绘制天线载体的漫游轨迹，天线载体根据所述漫游轨迹进行运动，用户轨迹可以根据简便的步行、驾车、飞行或轮船等，也可通过绘制形成，算出天线载体的位置、速度，根据天线载体的位置、速度，以及星历信息，场景信息，计算各多径路径以及各多径路径的反射点或折射点等。
[0049]
在本实施例中，射线集r的大小根据导航多径路径总数n调整，两者为正比关系；将射线集r分为m个射线子集r
i
，每组射线子集r
i
包含的射线数量近似或相等，各组射线子集r
i
中的射线都有来自各个面的，通过分组计算，可有效降低计算量，提高导航多径信号仿真效率，而且不需要高成本的计算软件/硬件，因此效率高，且多径路径多样性、成本低。
[0050]
在本实施例中，导航多径路径种类包括反射、透射、折射、漫反射中的至少一种类别，根据多径路径的类别设置对应不同颜色，或设置各多径路径的不同延迟参数，便于清晰可视。
[0051]
在本发明中，根据以上所述多径路径的参数，计算模拟多径路径信号所需的多径仿真参数，生成导航多径仿真信号，其中参数至少包括各多径路径坐标、卫星位置、卫星速度、接收机天线速度、接收机天线坐标。导航信号模拟器根据这些参数，生成多径路径仿真信号。
[0052]
在本实施例中，参数还包括相位翻转因子、功率衰减、时延、多普勒数据，进一步提高多径路径仿真的精确性。
[0053]
在本发明中，还提供基于三维场景的导航多径信号仿真系统，包括：导航多径可视装置可通过无线/有线与导航信号模拟器连接，所述导航信号模拟器通过所述导航多径可视装置获取用户轨迹、场景信息、射线集，并计算多径信息，所述导航多径可视装置通过所述导航信号模拟器获取卫星星历信息、所述多径信息，并将多径可视化，所述导航信号模拟器通过可视化的多径路径的参数计算多径路径的仿真数据并生成多径路径的仿真信号，通过射频接口输出。多径路径可以通过导航多径可视装置进行可视化显示，便于操作者直观导航多径可视装置的屏幕，提高操作者体验度。
[0054]
与现有技术相比，本发明的优点及积极效果在于：
[0055]
1.通过三维仿真场景，设定所需的多径路径，根据光线追踪原理，构建射线集并进行射线分组，依次计算各组子集的射线多径路径，依据设定的边界条件，保留满足边界条件的并可视高逼真多径路径，当保留的多径路径数量满足所设定的多径路径数量时，就停止射线计算，通过已满足设定的多径路径，再通过最终反射和/或折射的方向，以及反射点或透射点计算多径路径信号仿真所需的参数，本发明计算量小，快速提高多径路径信号仿真效率，且提高多径路径的多样性；
[0056]
2.计算出满足条件的多样性多径路径最终的反射点和/或折射点等参数，对满足的多径路径进行可视化显示和/或管理，计算各多径路径信号的仿真参数，本发明的多径路
径的误差小，实现高逼真多样性的多径路径仿真信号，提高接收机的定位性能测试的准确度、可靠度、可信度；
[0057]
3.本发明多径路径信号仿真不仅支持导航信号模拟器的模拟环境仿真，还能根据实景星历进行实时仿真，还可以保留多径路径的参数进行离线多径路径信号仿真，为接收机定位性能测试提供验证溯源依据。
[0058]
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。