时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法、装置及系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种时变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。本发明专利技术能够体现时变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。性能评估提供技术支撑。性能评估提供技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
时变NLOS场景下卫星导航信道仿真方法、装置及系统


[0001]本专利技术涉及卫星导航领域，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。

技术介绍

[0002]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 of sight,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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种时变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。
[0006]根据本专利技术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：
[0007]S100、基于多点散射体模型构建时变NLOS虚拟仿真场景；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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。
[0011]根据本专利技术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：本专利技术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，在本专利技术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。
[0012]本专利技术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；本专利技术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。
[0013]根据本专利技术的一些实施例，所述步骤S100的详细步骤为：
[0014]S101、建立一个平面坐标系作为参考坐标系；
[0015]S102、设定接收机在所述参考坐标系中的坐标；
[0016]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；
[0017]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；
[0018]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。
[0019]根据本专利技术的一些实施例，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。
[0020]根据本专利技术的一些实施例，所述步骤S104中的平面波信号的相位服从均匀分布。
[0021]根据本专利技术的一些实施例，所述步骤S200的具体步骤为：
[0022]S201、对接收机的时变速度进行插值得到插值速度；
[0023]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；
[0024]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；
[0025]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。
[0026]根据本专利技术的一些实施例，所述步骤S201中的插值采用修正Akima分段三次Hermite插值方法。
[0027]根据本专利技术的一些实施例，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
[0028][0029]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。
[0030]根据本专利技术的一些实施例，所述步骤S202中接收机离散坐标更新方程的表达式为
[0031][0032]其中，x[k]和y[k]为接收机在离散时刻k的横坐标本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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，T
ch
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d
p
[k]的计算公式为其中，D
p
为卫星发射机到第p个点散射体的距离，x
p
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：周顺，欧钢，唐小妹，牟卫华，李蓬蓬，袁木子，刘小汇，李柏渝，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：