一种基于物理的卫星定位模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种新型的基于物理的卫星定位模拟方法。通过导航卫星的星图，模拟出卫星的位置，根据卫星发射定位信号的电磁波特性与环境中遮挡物材质的电磁波吸收特性，求出卫星定位点偏移的公式解。本发明专利技术能够发现并通过计算重现卫星定位点偏移现象；本发明专利技术使用基于物理的方法还原了从卫星发射信号到接收机接收解算的过程；本发明专利技术在保证精度的同时，没有对卫星定位算法增加过大的计算量。

A Physical-based Satellite Positioning Simulation Method

【技术实现步骤摘要】
一种基于物理的卫星定位模拟方法
本专利技术属于模拟仿真
，特别是涉及到一种基于物理的卫星定位模拟方法。
技术介绍
当前，卫星定位技术广泛应用于各个领域，如：自主驾驶，抢险救援，资产管理等。然而，在城市高层建筑密集区域及山区经常会出现卫星定位点偏移现象。卫星定位点偏移，是卫星定位过程中出现的定位坐标与真实坐标之间的定位误差，这种误差一般是由卫星定位算法产生，是连续非阶跃的。常用的卫星定位算法，多是根据发射时延计算卫星与信号接收器之间的距离，来实现定位。但是，如果卫星发射的电磁波在高大建筑物表面发生反射，将导致计算得到的距离大于卫星与信号接收器之间的实际距离，这即为定位点偏移。为了消除卫星定位点偏移产生的误差，须基于电磁波物理对卫星定位的过程进行模拟和计算。目前，业界主流的仿真软件中，对卫星定位点偏移问题并无解决方案。一般方法是通过标定数值或经验公式在仿真中对卫星定位点进行强制移动，而非基于物理的模拟。这种方案虽较为简单，但并不准确，需要消耗大量人力物力进行测量，且当外部环境改变时，无法做出相应修正。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出一种新型的基于物理的卫星定位模拟方法，通过导航卫星的星图，模拟出卫星的位置，根据卫星发射定位信号的电磁波特性与环境中遮挡物材质的电磁波吸收特性，求出卫星定位点偏移的公式解。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种基于物理的卫星定位模拟方法，包括：S1、卫星位置模拟，由卫星导航系统发布的导航卫星的星图得到该系统中每一颗导航卫星在任意时刻相对于地球的位置Ps[i](i＝1,2,…,n)；S2、直射检测，采用射线碰撞检测方法判断接收机与卫星之间是否存在直线通路；S3、接收机与卫星之间不存在直线通路时，模拟卫星信号反射过程，计算反射能量以及接收机得到的信号信噪比；S4、遍历计算全部卫星后，依据接收机接收得到的卫星信号信噪比对卫星进行排序，选择信噪比更高的卫星进行卫星定位计算，计算方法依据所仿真的不同型号的卫星导航接收机内置算法而定。进一步的，步骤S2的具体步骤包括：S201、由导航卫星信号接收机位置Pr计算卫星到接收机的方向的单位向量Dir[i](i＝1,2,…,n)；S202、从接收机位置Pr，沿Dir方向对场景中模型的每一个三角面进行射线碰撞检测；S203、若未与任何三角面发生碰撞，则认为接收机与该卫星存在直线通路。更进一步的，步骤S2的具体步骤还包括：S204、检测Dir与地面法线方向夹角θ是否大于阈值，如小于该阈值则视为卫星信号被电离层吸收；如卫星信号被电离层吸收，则认为该卫星对于卫星信号接收机不可见，在后续计算中将排除此卫星。优选的，所述阈值的取值方法为：其中，α为所述阈值；Trans1为大气电离层对电磁波吸收曲线函数；Trans2为大气平流层对电磁波吸收曲线函数；Trans3为大气对流层对电磁波吸收曲线函数；t为电磁波在大气中的穿透距离；t1为该电磁波在大气电离层中穿透的距离；t2为该电磁波在大气平流层中穿透的距离；t3为该电磁波在大气对流层中穿透的距离；SNR为接收机信噪比。进一步的，步骤S3所述模拟卫星信号反射过程包括：S301、对仿真环境中的建筑和山体的模型进行粗略计算，得到其包络盒；S302、当卫星Ps未能通过步骤S2的直射检测时，可获取由卫星Ps到接收机的射线与仿真环境中建筑物包络盒某个面F的交点；计算Ps相对于该面F的镜像Ps`；S303、由Pr向Ps`进行射线碰撞检测，如该射线与面F相交，得到交点P0；S304、由P0向Ps`进行射线碰撞检测，如该射线上没有任何三角面，则和之间形成通路。进一步的，步骤S3所述反射能量计算方法为：其中：Eout为出射电磁波的能量；p为该点的三维坐标；ωo为出射电磁波的方向；f(p,ωo,ωi)为反射分布函数；Ein为入射电磁波的能量；ωin为入射电磁波的方向；N为表面法线向量；∫s为对于分布表面s的曲面积分。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1.本专利技术能够发现并通过计算重现卫星定位点偏移现象；2.本专利技术使用基于物理的方法还原了从卫星发射信号到接收机接收解算的过程；3.本专利技术在保证精度的同时，没有对卫星定位算法增加过大的计算量；4.本专利技术可应用于自动驾驶仿真平台，模拟卫星定位系统，也可用于实际卫星定位领域，根据高精度地图反算出卫星定位的反射偏移，从而抵消由于反射造成的误差项。附图说明图1为本专利技术实施例的卫星相对于地球的位置示意图；图2为本专利技术实施例中当接收机处于密集建筑群中时出现定位误差的原理示意图；图3为本专利技术实施例的卫星信号反射的模拟办法示意图；图4(a)为本专利技术实施例的粗糙表面对电磁波的反射分布函数示意图；图4(b)为本专利技术实施例的类镜面对电磁波的反射分布函数示意图；具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：本专利技术提出了一种新型的基于物理的卫星定位模拟方法。通过导航卫星的星图，模拟出卫星的位置，根据卫星发射定位信号的电磁波特性与环境中遮挡物材质的电磁波吸收特性，求出卫星定位点偏移的公式解。一、卫星位置模拟当前，各类卫星导航系统(如GPS、北斗)均会定时发布其导航卫星的星图。由星图可得该系统中每一颗卫星在任意时刻相对于地球的位置，Ps[i](i＝1,2,…,n)，如图1所示。二、直射检测已知卫星位置Ps[i](i＝1,2,…,n)，则由导航卫星信号接收机位置Pr可计算出卫星到接收机的方向的单位向量Dir[i](i＝1,2,…,n)：从接收机位置Pr，沿Dir方向对场景中模型的每一个三角面进行射线碰撞检测。当代三维场景中，所有三维模型均由若干三角面构成。三角面即为空间中三个点按顺序组成的三角形。射线碰撞检测即Raycast，检测空间中一条射线与空间中一个三角面是否有交点。射线碰撞检测的方法为：对于三角形ABC，以及空间中一条射线(原点为O，射线方向单位向量为dir)：计算向量dir与向量C-A的叉乘，记为v。计算向量B-A与向量v的点乘，记为d。计算向量O-A与向量v的点乘，除以d，记为u。计算向量O-A与向量B-A的叉乘，即为q。计算向量dir与向量q的点乘，除以d，记为v。计算向量C-A与向量q的点乘，除以d，记为t。如u、v均大于0且小于1，且u+v<1，则该射线与三角形ABC有交点，交点坐标为O+dir*t。如若未与任何三角面发生碰撞，则认为接收机可直接看到该卫星。同时，考虑到电离层问题，需要检测Dir与地面法线方向夹角θ是否大于某个固定值(该值取决于天气、接收机灵敏度和场景环境)，以下仅给出该值的一种取值方法，其他方法依然在此专利保护范围中。其中，α为上述固定值。Trans1为大气电离层对电磁波吸收曲线函数。Trans2为大气平流层对电磁波吸收曲线函数。Trans3为大气对流层对电磁波吸收曲线函数。t为电磁波在大气中的穿透距离。t1为该电磁波在大气电离层中穿透的距离。t2为该电磁波在大气平流层中穿透的距离。t3为该电磁波在大气对流层中穿透的距离。SNR为接收机信噪比。如小于该值则视为卫星信号被吸收。夹角计算方法为：θ＝arcsin(Dir×Nrm)即Dir方向与地面法线的外积(叉乘)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于物理的卫星定位模拟方法，其特征在于，包括：S1、卫星位置模拟，由卫星导航系统发布的导航卫星的星图得到该系统中每一颗导航卫星在任意时刻相对于地球的位置Ps[i](i＝1,2,…,n)；S2、直射检测，采用射线碰撞检测方法判断接收机与卫星之间是否存在直线通路；S3、接收机与卫星之间不存在直线通路时，模拟卫星信号反射过程，计算反射能量以及接收机得到的信号信噪比；S4、遍历计算全部卫星后，依据接收机接收得到的卫星信号信噪比对卫星进行排序，选择信噪比更高的卫星进行卫星定位计算，计算方法依据所仿真的不同型号的卫星导航接收机内置算法而定。

【技术特征摘要】
1.一种基于物理的卫星定位模拟方法，其特征在于，包括：S1、卫星位置模拟，由卫星导航系统发布的导航卫星的星图得到该系统中每一颗导航卫星在任意时刻相对于地球的位置Ps[i](i＝1,2,…,n)；S2、直射检测，采用射线碰撞检测方法判断接收机与卫星之间是否存在直线通路；S3、接收机与卫星之间不存在直线通路时，模拟卫星信号反射过程，计算反射能量以及接收机得到的信号信噪比；S4、遍历计算全部卫星后，依据接收机接收得到的卫星信号信噪比对卫星进行排序，选择信噪比更高的卫星进行卫星定位计算，计算方法依据所仿真的不同型号的卫星导航接收机内置算法而定。2.根据权利要求1所述的基于物理的卫星定位模拟方法，其特征在于，步骤S2的具体步骤包括：S201、由导航卫星信号接收机位置Pr计算卫星到接收机的方向的单位向量Dir[i](i＝1,2,…,n)；S202、从接收机位置Pr，沿Dir方向对场景中模型的每一个三角面进行射线碰撞检测；S203、若未与任何三角面发生碰撞，则认为接收机与该卫星存在直线通路。3.根据权利要求2所述的基于物理的卫星定位模拟方法，其特征在于，步骤S2的具体步骤还包括：S204、检测Dir与地面法线方向夹角θ是否大于阈值，如小于该阈值则视为卫星信号被电离层吸收，如卫星信号被电离层吸收，则认为该卫星对于卫星信号接收机不可见，在后续计算中将排除此卫星。4.根据权利要求3所述的基...

【专利技术属性】
技术研发人员：居阳，李明喜，
申请(专利权)人：北京奥特贝睿科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11