3D城市環(huán)境下的實時GNSS仿真測試

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)的演進中扮演著重要角色。從最初的信號生成，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信號的高度仿真模擬器芯片已能達到1厘米的精度，但在山澗、峽谷、溝壑地區(qū)信號被遮擋時，定位精度誤差達到幾十米。這是大家經(jīng)常會遇到的路徑，但由于接收信號不穩(wěn)定，會導(dǎo)致更大的誤差。一般情況下，出現(xiàn)多徑時，遮擋建筑物的表面和邊緣會產(chǎn)生散射和反射等現(xiàn)象。在多數(shù)定位、導(dǎo)航和授時解決方案中，這些誤差的出現(xiàn)會帶來至關(guān)重要的影響。具體是什么原因造成的？主要是遮擋和多徑。仿真城市真實環(huán)境下存在的多徑問題，尤其是在衛(wèi)星、接收機持續(xù)運動的情況下，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)測試創(chuàng)建出真實環(huán)境。模擬GNSS信號能夠與完全可定制的模型和環(huán)境進行互動，創(chuàng)造出在其它解決方案中根本無法實現(xiàn)的細節(jié)。

首先通過3D建模，把衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳遞到軟件中，計算處理可能收到的多徑信號，如直射信號、反射信號、散射信號等，某些特殊材質(zhì)還會有穿透信號。各種材質(zhì)電磁波的信號不同，所以需要對材質(zhì)本身進行定義，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。

軟件在運行的過程中主要使用了英偉達(nvidia)GPU算法，直接通過GPV的方式計算實現(xiàn)即時性。首先需要通過SIM3D把數(shù)據(jù)導(dǎo)入衛(wèi)星，它會把衛(wèi)星信號包括載體或天線位置全部傳送至SIM3D軟件端，主要計算功率和信號延遲，還會有多徑反射信號，將算好的數(shù)據(jù)返回模擬器仿真。

除直射信號外，Sim3D還會產(chǎn)生一路、二路、甚至三路的信號進行仿真，并根據(jù)直射信號計算出多普勒信號及尾距增加和信號衰減情況的分析結(jié)果。Sim3D給我們帶來的利好是：縮短現(xiàn)場的測試過程，因為模擬器在整個研發(fā)過程經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)測試和實驗，所以實際操作中可以減少測試次數(shù)，甚至還可以進行一些誤差應(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地圖制作效果達到更佳，還可以把衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳遞至SIM3D進行計算處理，所以也是多星座仿真。

林蔭道的折射和反射信號

三、動態(tài)場景測試

接受機實地進行輸出信號的采集，包括觀測量、信息、尾距、定位精度及信號等，然后通過使用SIM3D多次仿真相同的軌跡運動來接收信號，再對比接收結(jié)果的差異。下圖中藍色部分為實地采集的數(shù)據(jù)信息，紅色為仿真后同一臺接收機接收信號的結(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建筑物旁，衛(wèi)星被遮擋而導(dǎo)致無法進行正?？捎眯苑抡?，少了直射現(xiàn)象就無法接收信號。通過衛(wèi)星信號輻射到的建筑會產(chǎn)生邊緣散射，信號會非常弱。誤差現(xiàn)象來源的主要因素為：第一，3D模型的準確度是否良好；第二，室外接收機和實驗室內(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，即使同樣的信號通過同一個接收機反應(yīng)出來也是有區(qū)別的。

四、基于PNT的模擬測試系統(tǒng)

下面這套系統(tǒng)僅用于接收機測試，系統(tǒng)本身的模擬器是一個實時仿真的過程。下圖為駕駛模擬器，用于汽車自動駕駛測試。根據(jù)汽車駕駛模擬器進行駕駛軟件產(chǎn)生軌跡實時傳輸?shù)侥M器端，再同時驅(qū)動SIM3D系統(tǒng)，即可進行有效的環(huán)境測試。