载体遮挡与多径信号的高速仿真方法、装置、介质及设备

技术领域

本申请涉及卫星导航模拟技术领域，特别地，涉及一种载体遮挡与多径信号的高速仿真方法、装置、介质及设备。

背景技术

在卫星导航技术中，遮挡与多径效应产生的误差是定位误差的重要原因之一，因此，在导航信号模拟领域中，遮挡与多径的模拟具有重要的意义。

有些场景比如火箭、导弹、卫星的飞行模拟、飞机飞行模拟、汽车自动测试、自动驾驶等，需提供一种根据外部输入实时生成导航信号的半物理仿真系统，即实时闭环导航模拟系统，能以极低的时间延迟，根据外部输入的载体运动信息，生成对应的导航模拟信号；

特别是航空航天领域，一般都是大范围、高动态，因此实时闭环导航模拟对下列技术指标产生了非常高的要求:

低延迟,外部载体动态的改变与对应信号的输出延迟必须尽量小，例如10毫秒或更少；

高更新率,低延迟和载体高动态变化都要求模拟器在非常高的更新频率下运行，例如1000Hz；

在上述场景中，载体本身形状以及载体的姿态变化会对卫星信号产生非常大的影响：载体会遮挡某些方向的卫星直达信号，也会对信号进行反射而产生多径；特别是载体姿态变化例如飞机、导弹翻滚时，这种信号的遮挡、多径会随着载体姿态、卫星位置的变化而变化，甚至在某些情况下所有卫星信号都被遮挡，若不能模拟这些场景，则在模拟系统中得到的结果会与真实环境下显著不同。

因此，对载体的遮挡与多径模拟能显著的提高系统的模拟真实度，有着重要的意义；而在实时闭环中模拟遮挡与多径是非常有挑战性的任务，低延迟与高更新率的技术指标对其计算耗时提出下列要求：

1、每次更新，遮挡与多径的计算耗时必须远小于1/更频率（遮挡与多径耗时不能占光所有时间）, 例如在1000Hz更新率下，耗时必须远小于1毫秒，若计算耗时接近或超过此值，则信号输出延迟必然持续快速增加并立即产生信号中断；

2、每次更新的计算耗时需要较高的稳定性，即计算耗时方差较小，并与具体场景无关，例如不依赖于模型的复杂度。

实时闭环导航信号模拟已有相关技术和专利，但在实时闭环导航信号模拟中实现载体遮挡与多径仿真，当前并没有相关技术资料或专利；

专利CN202011251049.6提供了一种真实环境导航多径实时仿真方法、装置、介质及电子设备，该专利的方法能达到100Hz的更新率，并且计算耗时与场景复杂度有着很高的关联度，在耗时与稳定性方面，达不到高动态实时闭环模拟的1000Hz更新率的要求；

综上所述，现有技术在导航多径模拟中难以实现实时、高更新率计算。

发明内容

本申请一方面提供了一种载体遮挡与多径信号的高速仿真方法，以解决现有导航多径模拟中难以实现实时、高更新率计算的技术问题。

本申请采用的技术方案如下：

一种载体遮挡与多径信号的高速仿真方法，包括步骤：

通过设定的轨迹或者外部实时输入的轨迹设置载体地心坐标位置、姿态，并计算每个卫星和载体上所装天线当前时刻的地心坐标位置；

根据卫星和天线当前时刻的地心坐标位置计算卫星与天线之间的信号方向向量，将所述信号方向向量转换到载体局部坐标系后，根据角度编号与空间每一个俯仰角、方位角的映射关系计算所述信号方向向量对应的角度编号；

通过所述角度编号，从加载到内存中的遮挡关系表格和多径关系表格中分别查找信号可见性和多径路径，其中，所述遮挡关系表格和多径关系表格分别预先存储有所有角度编号对应的信号方向向量与载体所有三角形网格的遮挡关系和多径关系；

根据所述信号可见性和多径路径分别计算对应卫星的直达通道的功率开关以及多径通道的伪距、功率开关和功率衰减作为控制数据发送给导航信号生成器的对应通道合成模拟导航信号；

按设定的仿真更新频率更新载体的位置和姿态、卫星当前时刻的位置，重复执行前述步骤，直到仿真结束。

进一步地，所述遮挡关系表格和多径关系表格的生成过程包括步骤：

建立载体和天线的数据模型，构建方位角、俯仰角与方向向量之间的转换关系，将载体放入预设的载体局部坐标系后，转换成三角形网格列表并设置每个三角形网格的反射系数f

将空间每一个俯仰角、方位角与角度编号建立映射关系，根据所述转换关系和所述映射关系得到包括若干探测射线向量的探测向量集；

根据天线类型在所述天线上设定采样点，分别计算所述探测向量集中所有探测射线向量与载体所有三角形网格的遮挡关系、多径关系得到所述采样点的遮挡关系表格和多径关系表格，所述遮挡关系表格和多径关系表格均以所述角度编号为索引。

进一步地，构建方位角、俯仰角与方向向量之间的转换关系，包括步骤：

构建直角坐标系O

构建方位角、俯仰角与方向向量之间的转换关系，其中：

进一步地，所述将空间每一个俯仰角、方位角与角度编号建立映射关系，根据所述转换关系和所述映射关系得到包括若干探测射线向量的探测向量集，包括步骤：

建立角度编号映射到俯仰角、方位角的映射关系：

(θ，φ) =

其中，θ∈[-π，π)，φ∈[-π/2，π/2)，

建立俯仰角、方位角映射到角度编号的映射关系：

(

计算探测向量集：

其中，

进一步地，根据天线类型在所述天线上设定采样点，计算所述探测向量集中所有探测射线向量与载体所有三角形网格的遮挡关系得到所述采样点的遮挡关系表格，具体包括：

根据天线类型设定天线采样点P

建立遮挡关系表格Table

对探测向量集中的所有探测射线向量

进一步地，根据天线类型在所述天线上设定采样点，计算所述探测向量集中所有探测射线向量与载体所有三角形网格的多径关系得到所述采样点的多径关系表格，具体包括：

根据天线类型设定天线采样点P

建立多径表格Table

{(路径点

将探测向量集中的所有探测射线向量

判断路径

根据转换关系计算透射射入方向的角度为

将探测向量集中的所有探测射线向量

得到反射点P

判断路径

根据转换关系计算最后反射的反射方向

进一步地，根据天线类型在所述天线上设定采样点时，

若天线类型为点状，取天线中心点为采样点，且只计算一次遮挡关系表格和多径关系表格；

若天线类型为球状或者网格，则在球体表面或网格表面均匀取S个采样点，然后分别对每一个采样点计算遮挡关系表格和多径关系表格，接着将每个采样点的遮挡关系表格和多径关系表格中对应角度编号的元素合并作为当前天线最终的遮挡关系表格和多径关系表格。

本申请另一方面还提供了一种载体遮挡与多径信号的高速仿真装置，包括：

位置获取模块，用于通过设定的轨迹或者外部实时输入的轨迹设置载体地心坐标位置、姿态，并计算每个卫星和载体上所装天线的当前时刻的地心坐标位置；

角度编号计算模块，用于根据卫星和天线当前时刻的地心坐标位置计算卫星与天线之间的信号方向向量，将所述信号方向向量转换到载体局部坐标系后，根据角度编号与空间每一个俯仰角、方位角的映射关系计算所述信号方向向量对应的角度编号；

表格查询模块，用于通过所述角度编号，从加载到内存中的遮挡关系表格和多径关系表格中分别查找信号可见性和多径路径，其中，所述遮挡关系表格和多径关系表格分别预先存储有所有角度编号对应的信号方向向量与载体所有三角形网格的遮挡关系和多径关系；

模拟导航信号生成模块，用于根据所述可见性和多径路径分别计算对应卫星的直达通道的功率开关以及多径通道的伪距、功率开关和功率衰减作为控制数据发送给信号生成器的对应通道合成模拟导航信号；

周期推进模块，按设定的仿真更新频率更新载体的位置和姿态、卫星当前时刻的位置，重复执行前述步骤，直到仿真结束。

本申请另一方面还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述载体遮挡与多径信号的高速仿真方法的步骤。

本申请另一方面还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行所述的载体遮挡与多径信号的高速仿真方法的步骤。

本申请具有以下有益效果：

本申请提供了一种载体遮挡与多径信号的高速仿真方法、装置、介质及电子设备，所述方法在获取信号遮挡和多径时，只需要将卫星、载体和天线的位置经过相关的映射得到角度编号后，即可从预先生成的遮挡关系表格和多径关系表格中分别查找信号可见性和多径路径，由于遮挡、多径数据已经预先算好并存于表格，因此获取过程为内存的数据寻址，计算时只需根据角度编号快速定位数据，加上矩阵变换、路径距离与功率衰减计算，大幅降低了计算耗时且每次计算的耗时稳定无波动，因此计算耗时在整个过程中基本可以忽略不计，对更新率和信号延迟没有影响，将此方法应用于实时闭环导航模拟领域，可支持模拟器以1000Hz或更高更新率计算卫星信号的遮挡与多径，实现了实时闭环导航模拟的低延迟(10毫秒或更少)、高更新率(1000Hz)，可满足高更新率实时闭环载体遮挡与多径模拟需求。此方法也可用于非实时导航模拟或者其他需要高速计算载体遮挡与多径的场合。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本申请还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本申请作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请实施例提供的一种实施环境的示意图；

图2是本申请优选实施例的载体遮挡与多径信号的高速仿真方法流程示意图。

图3是本申请优选实施例中遮挡关系表格和多径关系表格的生成步骤示意图。

图4是本申请优选实施例中载体三角形网格与天线安装示意图。

图5是本申请优选实施例中构建方位角、俯仰角与方向向量之间的转换关系步骤示意图。

图6是本申请优选实施例中直角坐标系与方向、角度转换示意图。

图7是本申请优选实施例中步骤S12的子步骤示意图。

图8是本申请优选实施例中步骤S13的子步骤示意图。

图9是本申请优选实施例中天线的遮挡表格结构示意图。

图10是本申请优选实施例所得的天线的遮挡表格数据在球面坐标显示下的图形化显示示意图。

图11是本申请优选实施例所得的天线的遮挡表格数据在平面坐标显示下的图形化显示示意图。

图12是本申请优选实施例中天线的多径表格结构示意图。

图13是本申请优选实施例所得的天线的多径表格数据在球面坐标显示下的图形化显示示意图。

图14是本申请优选实施例所得的天线的多径表格数据在平面坐标显示下的图形化显示示意图。

图15是本申请优选实施例的载体遮挡与多径信号的高速仿真装置示意框图。

图16是本申请优选实施例的电子设备实体示意框图。

图17是本申请优选实施例的计算机设备的内部结构图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1是本申请实施例提供的一种实施环境的示意图，参见图1，该实施环境包括：第一设备、第二设备和被测系统，三者形成实时闭环测试。可选地，第一设备是平板电脑、笔记本电脑、台式计算机、服务器等，但并不局限于此。第二设备是导航信号生成器，被测系统一般是导航接收设备与实时轨迹生成设备。

其中，第一设备和第二设备可以通过有线或无线通信方式进行直接或间接地连接，本申请在此不做限制。

参照图2，本申请的优选实施例提供了一种载体遮挡与多径信号的高速仿真方法，包括步骤：

S1、通过设定的轨迹或者外部实时输入的轨迹设置载体地心坐标位置、姿态，并计算每个卫星和载体上所装天线当前时刻的地心坐标位置。

S2、根据卫星和天线当前时刻的地心坐标位置计算卫星与天线之间的信号方向向量，将所述信号方向向量转换到载体局部坐标系后，根据角度编号与空间每一个俯仰角、方位角的映射关系计算所述信号方向向量对应的角度编号。

S3、通过所述角度编号，从加载到内存中的遮挡关系表格和多径关系表格中分别查找信号可见性和多径路径，其中，所述遮挡关系表格和多径关系表格分别预先存储有所有角度编号对应的信号方向向量与载体所有三角形网格的遮挡关系和多径关系。

S4、根据所述信号可见性和多径路径分别计算对应卫星的直达通道的功率开关以及多径通道的伪距、功率开关和功率衰减作为控制数据发送给导航信号生成器的对应通道合成模拟导航信号。

S5、按设定的仿真更新频率更新载体的位置和姿态、卫星当前时刻的位置，重复执行前述步骤，直到仿真结束。

本实施例提供了一种载体遮挡与多径信号的高速仿真方法，本实施例设载体上的天线为信号接收端，天线的尺寸足够小；另有一个信号发射源，如卫星，发射的电磁波的频率为高频，载体和发射源的位置、姿态根据时序连续变化，且发射源到载体的距离远远大于载体本身的尺寸。

本实施例将需模拟的载体的遮挡关系表格和多径关系表格载入内存；设置卫星轨道参数；仿真系统与外部载体轨迹输入设备建立连接，以便实时获取外部轨迹输入；每个卫星分配一个直达通道和

本实施例设卫星的地心坐标为S, 则地心坐标为S的卫星与地心坐标为R的天线之间的对应的信号方向向量为

(

接着，通过角度编号(

通过角度编号(

Table

如果n>

对每一个多径路径

设：

多径路径

其中路径点已经从O

每一次仿真更新，将直达功率开关、多径功率开关、伪距、功率衰减等通道控制数据发送到信号生成器的对应通道，信号生成器合成对应的模拟导航信号；重复上述过程直到仿真结束。

综上所述，上述实施例在获取信号遮挡和多径时，只需要将卫星、载体和天线的位置经过相关的映射得到角度编号后，即可从预先生成的遮挡关系表格和多径关系表格中分别查找信号可见性和多径路径，由于遮挡、多径数据已经预先算好并存于表格，因此获取过程为内存的数据寻址，计算时只需根据角度编号快速定位数据，加上矩阵变换、路径距离与功率衰减计算，大幅降低了计算耗时且每次计算的耗时稳定无波动，因此计算耗时在整个过程中基本可以忽略不计，对更新率和信号延迟没有影响，将此方法应用于实时闭环导航模拟领域，可支持模拟器以1000Hz或更高更新率计算卫星信号的遮挡与多径，实现了实时闭环导航模拟的低延迟(10毫秒或更少)、高更新率(1000Hz)，可满足高更新率实时闭环载体遮挡与多径模拟需求。此方法也可用于非实时导航模拟或者其他需要高速计算载体遮挡与多径的场合。

如图3所示，在本申请的优选实施例中，所述遮挡关系表格和多径关系表格的生成过程包括步骤：

S11、建立载体和天线的数据模型，构建方位角、俯仰角与方向向量之间的转换关系，将载体放入预设的载体局部坐标系后，转换成三角形网格列表并设置每个三角形网格的反射系数f

如图4所示，载体模型所有属性被表示为三角形网格集合:

T={(t

S12、将空间每一个俯仰角、方位角与角度编号建立映射关系，根据所述转换关系和所述映射关系得到包括若干探测射线向量的探测向量集；

S13、根据天线类型在所述天线上设定采样点，分别计算所述探测向量集中所有探测射线向量与载体所有三角形网格的遮挡关系、多径关系得到所述采样点的遮挡关系表格和多径关系表格，所述遮挡关系表格和多径关系表格均以所述角度编号为索引。

如图5所示，在本申请的优选实施例中，构建方位角、俯仰角与方向向量之间的转换关系，包括步骤：

S110、构建直角坐标系O

S111、构建方位角θ、俯仰角φ与方向向量之间的转换关系，其中：

如图6所示，在构建的O

向量

如图7所示，在本申请的优选实施例中，所述将空间每一个俯仰角、方位角与角度编号建立映射关系，根据所述转换关系和所述映射关系得到包括若干探测射线向量的探测向量集，包括步骤：

S121、建立角度编号映射到俯仰角φ、方位角θ的映射关系：

(θ，φ) =

其中:

θ∈[-π，π)，θ=-π+2π/N*(

S122、建立俯仰角φ、方位角θ映射到角度编号的映射关系：

(

N控制计算精度，例如可设置为720，N越大计算精度越高，N的数量多少不影响仿真计算的耗时，只影响表格生成的耗时与表格大小；

S123、计算探测向量集：

其中，

如图8所示，在本申请的优选实施例中，根据天线类型在所述天线上设定采样点，计算所述探测向量集中所有探测射线向量与载体所有三角形网格的遮挡关系得到所述采样点的遮挡关系表格，具体包括：

S131、根据天线类型设定天线采样点P

S132、建立遮挡关系表格Table

S133、对探测向量集中的所有探测射线向量

图10和图11分别为所得的天线的遮挡表格数据在球面坐标显示和平面坐标显示下的图形化显示示意图，其中，深色部分表示此方向的信号被载体遮挡，可见，上述实施例中的遮挡表格能够准确反映信号到采样点的遮挡情况。

在本申请的优选实施例中，根据天线类型在所述天线上设定采样点，计算所述探测向量集中所有探测射线向量与载体所有三角形网格的多径关系得到所述采样点的多径关系表格，具体包括：

S131、根据天线类型设定天线采样点P

S132、建立多径表格Table

{(路径点

S133、将探测向量集中的所有探测射线向量

S134、判断路径

S135、根据转换关系计算透射射入方向的角度为

S136、将探测向量集中的所有探测射线向量

S137、得到反射点P

S138、判断路径

S139、根据转换关系计算最后反射的反射方向

图13和图14分别为所得的天线的多径表格数据在球面坐标显示和平面坐标显示下的图形化显示示意图，其中，深色部分表示此方向的信号会在天线上形成多径，可见，上述实施例中的多径表格能够准确反映信号到采样点的多径情况。

经上述步骤，本实施例得到天线采样点P

对多径表格Table

将上述实施例所得的表格数据存于内存或文件，以便后续计算调用，存储在内存中的组织方式要便于通过角度编号(

具体地，根据天线类型在所述天线上设定采样点时，若天线类型为点状，取天线中心点为采样点，且只计算一次遮挡关系表格和多径关系表格；

若天线类型为球状或者网格，则在球体表面或网格表面均匀取S个采样点，然后遍历各采样点，分别对每一个采样点计算遮挡关系表格和多径关系表格，S的大小可以根据模拟精度进行调整；接着将每个采样点的遮挡关系表格和多径关系表格中对应角度编号的元素合并作为当前天线最终的遮挡关系表格和多径关系表格，合并时需消除相同的路径。

同一个载体上可安装多个天线，每一个天线可生成一份表格数据，当载体网格发生变化或者天线位置、姿态变化时，需重新生成表格数据。

如图15所示，本申请的优选实施例还提供了一种载体遮挡与多径信号的高速仿真装置，包括：

位置获取模块，用于通过设定的轨迹或者外部实时输入的轨迹设置载体地心坐标位置、姿态，并计算每个卫星和载体上所装天线的当前时刻的地心坐标位置；

角度编号计算模块，用于根据卫星和天线当前时刻的地心坐标位置计算卫星与天线之间的信号方向向量，将所述信号方向向量转换到载体局部坐标系后，根据角度编号与空间每一个俯仰角、方位角的映射关系计算所述信号方向向量对应的角度编号；

表格查询模块，用于通过所述角度编号，从加载到内存中的遮挡关系表格和多径关系表格中分别查找信号可见性和多径路径，其中，所述遮挡关系表格和多径关系表格分别预先存储有所有角度编号对应的信号方向向量与载体所有三角形网格的遮挡关系和多径关系；

模拟导航信号生成模块，用于根据所述可见性和多径路径分别计算对应卫星的直达通道的功率开关以及多径通道的伪距、功率开关和功率衰减作为控制数据发送给信号生成器的对应通道合成模拟导航信号；

周期推进模块，按设定的仿真更新频率更新载体的位置和姿态、卫星当前时刻的位置，重复执行前述步骤，直到仿真结束。

本实施例提供了一种载体遮挡与多径信号的高速仿真装置，所述装置在获取信号遮挡和多径时，只需要将卫星、载体和天线的位置经过相关的映射得到角度编号后，即可从预先生成的遮挡关系表格和多径关系表格中分别查找信号可见性和多径路径，由于遮挡、多径数据已经预先算好并存于表格，因此获取过程为内存的数据寻址，计算时只需根据角度编号快速定位数据，加上矩阵变换、路径距离与功率衰减计算，大幅降低了计算耗时且每次计算的耗时稳定无波动，因此计算耗时在整个过程中基本可以忽略不计，对更新率和信号延迟没有影响，将此方法应用于实时闭环导航模拟领域，可支持模拟器以1000Hz或更高更新率计算卫星信号的遮挡与多径，实现了实时闭环导航模拟的低延迟(10毫秒或更少)、高更新率(1000Hz)，可满足高更新率实时闭环载体遮挡与多径模拟需求。此方法也可用于非实时导航模拟或者其他需要高速计算载体遮挡与多径的场合。

上述仿真装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

如图16所示，本申请的优选实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述实施例中的载体遮挡与多径信号的高速仿真方法。

如图17所示，本申请的优选实施例还提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端或活体检测服务器，其内部结构图可以如图17所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的其他计算机设备通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现上述载体遮挡与多径信号的高速仿真方法。

本领域技术人员可以理解，图17中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

本申请的优选实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行上述实施例中的载体遮挡与多径信号的高速仿真方法。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本实施例方法所述功能若以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个或者多个计算设备可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算设备（可以是个人计算机，服务器，移动计算设备或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM， Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM， Random Access Memory），磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。