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3D城市環(huán)境下的實(shí)時(shí)GNSS仿真測(cè)試

2019-02-19 10:49:20·  來源：上海北斗導(dǎo)航創(chuàng)新研究院  
　
自1985年以來，思博倫通信科技有限公司一直在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的演進(jìn)中扮演著重要角色。從最初的信號(hào)生成，到如今伴隨著日益發(fā)展的新技術(shù)，不斷研發(fā)先進(jìn)的模擬器
自1985年以來，思博倫通信科技有限公司一直在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的演進(jìn)中扮演著重要角色。從最初的信號(hào)生成，到如今伴隨著日益發(fā)展的新技術(shù)，不斷研發(fā)先進(jìn)的模擬器和記錄與回放系統(tǒng)。為了滿足行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域的需求，公司的產(chǎn)品和解決方案一直在幫助制造商、集成商和開發(fā)商充分發(fā)揮其系統(tǒng)潛能。
 
一、多徑環(huán)境
基于GNSS信號(hào)的高度仿真模擬器芯片已能達(dá)到1厘米的精度，但在山澗、峽谷、溝壑地區(qū)信號(hào)被遮擋時(shí)，定位精度誤差達(dá)到幾十米。這是大家經(jīng)常會(huì)遇到的路徑，但由于接收信號(hào)不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致更大的誤差。一般情況下，出現(xiàn)多徑時(shí)，遮擋建筑物的表面和邊緣會(huì)產(chǎn)生散射和反射等現(xiàn)象。在多數(shù)定位、導(dǎo)航和授時(shí)解決方案中，這些誤差的出現(xiàn)會(huì)帶來至關(guān)重要的影響。具體是什么原因造成的？主要是遮擋和多徑。仿真城市真實(shí)環(huán)境下存在的多徑問題，尤其是在衛(wèi)星、接收機(jī)持續(xù)運(yùn)動(dòng)的情況下，通過深入分析才能推斷出可能的路徑。
因此，我們關(guān)注新的解決方案，即如何仿真包括建筑、玻璃、鋼筋混泥土及其他情況，如車流、人流密集或有植物（植物可以大大減弱衛(wèi)星信號(hào)功率）存在的城市環(huán)境和一般環(huán)境條件下遇到的多徑情況。
 
二、Sim 3D建模系統(tǒng)
我們使用了一個(gè)新的軟件SIM3D。它是一種富于創(chuàng)新的3D建模系統(tǒng)，可以為多徑和遮擋效應(yīng)測(cè)試創(chuàng)建出真實(shí)環(huán)境。模擬GNSS信號(hào)能夠與完全可定制的模型和環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)，創(chuàng)造出在其它解決方案中根本無法實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。
 
首先通過3D建模，把衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳遞到軟件中，計(jì)算處理可能收到的多徑信號(hào)，如直射信號(hào)、反射信號(hào)、散射信號(hào)等，某些特殊材質(zhì)還會(huì)有穿透信號(hào)。各種材質(zhì)電磁波的信號(hào)不同，所以需要對(duì)材質(zhì)本身進(jìn)行定義，有了定義才能保證電磁波打到建筑物上能產(chǎn)生正確的延遲或衰減。
軟件在運(yùn)行的過程中主要使用了英偉達(dá)(nvidia)GPU算法，直接通過GPV的方式計(jì)算實(shí)現(xiàn)即時(shí)性。首先需要通過SIM3D把數(shù)據(jù)導(dǎo)入衛(wèi)星，它會(huì)把衛(wèi)星信號(hào)包括載體或天線位置全部傳送至SIM3D軟件端，主要計(jì)算功率和信號(hào)延遲，還會(huì)有多徑反射信號(hào)，將算好的數(shù)據(jù)返回模擬器仿真。
除直射信號(hào)外，Sim3D還會(huì)產(chǎn)生一路、二路、甚至三路的信號(hào)進(jìn)行仿真，并根據(jù)直射信號(hào)計(jì)算出多普勒信號(hào)及尾距增加和信號(hào)衰減情況的分析結(jié)果。Sim3D給我們帶來的利好是：縮短現(xiàn)場的測(cè)試過程，因?yàn)槟M器在整個(gè)研發(fā)過程經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，所以實(shí)際操作中可以減少測(cè)試次數(shù)，甚至還可以進(jìn)行一些誤差應(yīng)用。SIM3D主要用于3D地圖。由于3D地圖有一定的容量，該模擬器可以幫助3D地圖制作效果達(dá)到更佳，還可以把衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳遞至SIM3D進(jìn)行計(jì)算處理，所以也是多星座仿真。
林蔭道的折射和反射信號(hào)
三、動(dòng)態(tài)場景測(cè)試
接受機(jī)實(shí)地進(jìn)行輸出信號(hào)的采集，包括觀測(cè)量、信息、尾距、定位精度及信號(hào)等，然后通過使用SIM3D多次仿真相同的軌跡運(yùn)動(dòng)來接收信號(hào)，再對(duì)比接收結(jié)果的差異。下圖中藍(lán)色部分為實(shí)地采集的數(shù)據(jù)信息，紅色為仿真后同一臺(tái)接收機(jī)接收信號(hào)的結(jié)果。載道比的變化是尾距誤差，還有多普勒信息。
在一些有變化的地方，一般由于載體或者天線在某一個(gè)建筑物旁，衛(wèi)星被遮擋而導(dǎo)致無法進(jìn)行正常可用性仿真，少了直射現(xiàn)象就無法接收信號(hào)。通過衛(wèi)星信號(hào)輻射到的建筑會(huì)產(chǎn)生邊緣散射，信號(hào)會(huì)非常弱。誤差現(xiàn)象來源的主要因素為：第一，3D模型的準(zhǔn)確度是否良好；第二，室外接收機(jī)和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)衛(wèi)星天線的方向是否良好；第三，系統(tǒng)自身的不確定性，即使同樣的信號(hào)通過同一個(gè)接收機(jī)反應(yīng)出來也是有區(qū)別的。
四、基于PNT的模擬測(cè)試系統(tǒng)
下面這套系統(tǒng)僅用于接收機(jī)測(cè)試，系統(tǒng)本身的模擬器是一個(gè)實(shí)時(shí)仿真的過程。下圖為駕駛模擬器，用于汽車自動(dòng)駕駛測(cè)試。根據(jù)汽車駕駛模擬器進(jìn)行駕駛軟件產(chǎn)生軌跡實(shí)時(shí)傳輸?shù)侥M器端，再同時(shí)驅(qū)動(dòng)SIM3D系統(tǒng)，即可進(jìn)行有效的環(huán)境測(cè)試。
 
 
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