基于3d建模場(chǎng)景動(dòng)態(tài)指紋的衛(wèi)星信號(hào)定位方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種衛(wèi)星信號(hào)定位技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種運(yùn)用三維射線跟 蹤模型對(duì)實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行建模并追蹤信號(hào)的傳播路徑的衛(wèi)星信號(hào)指紋定位方法及系統(tǒng)，用于 計(jì)算和分析衛(wèi)星接收信號(hào)的特性以實(shí)現(xiàn)定位，并且可以用來(lái)提高衛(wèi)星信號(hào)的定位精度以及 減小定位誤差。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前三維射線跟蹤模型被廣泛應(yīng)用在移動(dòng)通信和個(gè)人通信的無(wú)線電波預(yù)測(cè)中，通 過(guò)對(duì)實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行建模，就可以用來(lái)預(yù)測(cè)出發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間所有可能的射線路徑。射 線跟蹤法是基于電磁理論、幾何光學(xué)理論和一致性繞射理論，通過(guò)模擬信號(hào)的傳播路徑來(lái) 確定從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間的所有路徑。信號(hào)在傳播過(guò)程中，遇到障礙物會(huì)發(fā)生反射或繞 射，根據(jù)鏡面反射原理和一致性繞射原理計(jì)算出在反射點(diǎn)或者繞射點(diǎn)出信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)或者多徑 延遲等。最后將所有到達(dá)接收范圍的信號(hào)進(jìn)行矢量相加。射線跟蹤法具有易于程序化、預(yù) 測(cè)精度高、省時(shí)省力等優(yōu)點(diǎn)，因此，本發(fā)明將三維射線跟蹤法應(yīng)用在衛(wèi)星信號(hào)的傳播預(yù)測(cè)及 定位技術(shù)中。
[0003] 定位技術(shù)是根據(jù)被測(cè)信號(hào)的相關(guān)參數(shù)來(lái)估計(jì)目標(biāo)點(diǎn)的位置坐標(biāo)的方法。目前定位 方法主要包括三角定位、指紋定位和基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)。三角定位技術(shù)具有方便快 捷、工作量小等優(yōu)點(diǎn)，但其很大程度依賴(lài)于信號(hào)傳輸損耗模型，然而不同位置的信號(hào)損耗差 異很大且難以確定，因此在實(shí)施過(guò)程中困難重重?；谝苿?dòng)網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)根據(jù)移動(dòng)終端 采集到的所處小區(qū)的標(biāo)識(shí)號(hào)來(lái)確定用戶(hù)的位置，而這種定位技術(shù)在小區(qū)密集的地區(qū)易于實(shí) 現(xiàn)，但定位誤差較大。指紋定位技術(shù)不僅定位準(zhǔn)確度高而且易于實(shí)現(xiàn)。所以本發(fā)明采用指 紋技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)的定位。
[0004] 基于指紋技術(shù)的定位系統(tǒng)通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，建立位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，將需要定 位的目標(biāo)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)與位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配來(lái)確定目標(biāo)的實(shí)際位置。指紋定位方法 的實(shí)施一般分為兩個(gè)階段：離線階段和在線定位階段。離線階段又稱(chēng)數(shù)據(jù)采集階段，它的主 要任務(wù)是采集所需定位區(qū)域的各位置的信號(hào)信息，形成指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，每一個(gè)指紋信息代表 一個(gè)固定的位置。在線階段是通過(guò)匹配算法，將某一位置的信號(hào)信息與指紋數(shù)據(jù)庫(kù)相匹配， 最后估計(jì)出目標(biāo)位置的坐標(biāo)。由于指紋定位方法在離線階段的數(shù)據(jù)采集工作量較大，本發(fā) 明使用三維射線跟蹤模型，先對(duì)所需定位區(qū)域的實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行建模，再利用射線跟蹤法對(duì) 該區(qū)域的信號(hào)傳播進(jìn)行預(yù)測(cè)并計(jì)算其位置信息，以此來(lái)代替實(shí)際的數(shù)據(jù)采集工作，大大降 低了工作量。
[0005]目前，指紋定位技術(shù)主要采用接收信號(hào)強(qiáng)度作為指紋信息進(jìn)行匹配定位，但接收 信號(hào)強(qiáng)度很容易受到外界噪聲等因素的干擾，只采用接收信號(hào)強(qiáng)度一個(gè)參數(shù)定位誤差相對(duì) 較大。
[0006] 通過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)檢索發(fā)現(xiàn)，一種基于接收信號(hào)時(shí)間延遲（或相位延遲）的單 參數(shù)指紋定位方法（Kumar，Rakesh，Petovello，MarkG.，〃ANovelGNSSPositioning TechniqueforImprovedAccuracyinUrbanCanyonScenariosUsing3DCityModel，''Proceedingsofthe27thInternationalTechnicalMeetingofTheSatellite DivisionoftheInstituteofNavigation(IONGNSS+2014)，Tampa，F(xiàn)lorida，September 2014,pp. 2139 - 2148.)提出了以相位延遲作為指紋信息實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)定位，但其定位結(jié)果 也不甚理想。
[0007] 中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)號(hào)CNCN101529956公開(kāi)（公告）日2009. 09. 09公開(kāi)了一種利用無(wú) 線設(shè)備檢測(cè)的信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度確定該無(wú)線設(shè)備的位置的系統(tǒng)和方法。通常比較從可識(shí)別源 接收的信號(hào)的強(qiáng)度與在已知位置收集或估計(jì)的參考信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果。通常從在信號(hào)中提 供的數(shù)據(jù)獲得信號(hào)的源。測(cè)繪儀使參考信號(hào)強(qiáng)度的組合與幾何成形的地理區(qū)域相關(guān)聯(lián)，使 得信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果可被用作定位能夠在其中找到無(wú)線設(shè)備的區(qū)域的索引。描述了用于從 已知位置接收信號(hào)強(qiáng)度信息的系統(tǒng)和方法，其中該信息可被用于更新和改善測(cè)繪系統(tǒng)數(shù)據(jù) 庫(kù)。但該技術(shù)只采用信號(hào)強(qiáng)度作為參考量，定位精度不高，并且信號(hào)強(qiáng)度容易受到環(huán)境的干 擾，因此只利用信號(hào)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)定位，其定位精度并不理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，提出一種基于3D建模場(chǎng)景動(dòng)態(tài)指 紋的衛(wèi)星信號(hào)定位方法及系統(tǒng)，用于進(jìn)一步提高衛(wèi)星信號(hào)定位精度，減小定位誤差。在指紋 定位離線階段中，利用三維射線跟蹤模型估計(jì)信號(hào)參數(shù)代替實(shí)際測(cè)量過(guò)程，很大程度上減 少了工作量，而且其方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
[0009] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0010] 本發(fā)明通過(guò)對(duì)實(shí)際接收?qǐng)鼍斑M(jìn)行3D建模，生成射線跟蹤模型并設(shè)置模型參數(shù)信 息，利用射線跟蹤法對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的傳播路徑進(jìn)行預(yù)測(cè)，將接收區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每個(gè)網(wǎng)格 的中心點(diǎn)作為一個(gè)采樣點(diǎn)，并計(jì)算到達(dá)各采樣點(diǎn)的各條信號(hào)的參數(shù)信息構(gòu)成指紋數(shù)據(jù)庫(kù)， 然后獲得某一目標(biāo)點(diǎn)的特征向量，最后將此特征向量與指紋數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配，找出歐氏距 離最小的采樣點(diǎn)，其位置坐標(biāo)即為估計(jì)出的目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)。
[0011] 所述的方法具體包括以下步驟：
[0012] 第一步，對(duì)實(shí)際接收?qǐng)鼍斑M(jìn)行3D建模，生成射線跟蹤模型并設(shè)置模型參數(shù)信息： 在MATLAB中對(duì)一個(gè)實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行建模，然后設(shè)置模型中各個(gè)反射面的介電常數(shù)、反射系 數(shù)、發(fā)射衛(wèi)星信號(hào)的頻率以及入射方向、反射次數(shù)的上限值以及所追蹤的路徑總數(shù)等模型 參數(shù)信息。
[0013] 第二步，利用射線跟蹤模型對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的傳播路徑進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體為：首先對(duì)場(chǎng)景 進(jìn)行3D建模，然后利用射線跟蹤法對(duì)每一條信號(hào)路徑進(jìn)行追蹤，得到到達(dá)某一點(diǎn)的信號(hào)的 全部路徑，最后對(duì)每條路徑的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)已知衛(wèi)星信號(hào)的入射方向，按照鏡面反 射原理即可得到衛(wèi)星信號(hào)的傳播路徑。
[0014] 第三步，選定實(shí)際場(chǎng)景中需要實(shí)現(xiàn)定位的區(qū)域作為接收區(qū)域，并對(duì)接收區(qū)域進(jìn)行 網(wǎng)格劃分：將接收區(qū)域劃分為均勻的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格的中心點(diǎn)作為采樣點(diǎn)。接收區(qū)域網(wǎng)格的 個(gè)數(shù)決定這指紋數(shù)據(jù)庫(kù)的大小，并且網(wǎng)格的密度也與定位準(zhǔn)確率及定位誤差有著密切的聯(lián) 系。
[0015] 第四步，計(jì)算接收區(qū)域中到達(dá)各個(gè)采樣點(diǎn)的每條信號(hào)的參數(shù)信息，即接收信號(hào)強(qiáng) 度、到達(dá)角（仰角和方向角）、到達(dá)相位差、時(shí)間延遲，并將這些參數(shù)信息組成一個(gè)特征向 量，每個(gè)采樣點(diǎn)的特征向量即可構(gòu)建指紋數(shù)據(jù)庫(kù)；然后根據(jù)射線跟蹤法的原理，計(jì)算出到達(dá) 某一采樣點(diǎn)的每條信號(hào)的這五個(gè)參數(shù)以組成一個(gè)特征向量，每個(gè)采樣點(diǎn)的特征向量構(gòu)成指 紋庫(kù)。
[0016] 所述的特征向量可表示為：
[0017] 其中：LOSsignal …J.,. 為直射信號(hào)，NLOSsignal為反射信號(hào)，匕為接收信號(hào)強(qiáng)度、A0A為到達(dá)角，在三維情況下到 達(dá)角包括一個(gè)仰角EA和一個(gè)方向角AA、H)0A為到達(dá)相位差、Td為時(shí)間延遲。
[0018] 在衛(wèi)星信號(hào)定位中，假設(shè)信號(hào)發(fā)射機(jī)的功率為Pt單位為dBW，則到達(dá)接收區(qū)域的 信號(hào)功率密度Pd=Pt+Ai+Pi，其中夂為大氣衰減，大約為-2.OdBW，巧=切xl〇gl〇 為路徑損耗，則接收信號(hào)強(qiáng)度匕等于信號(hào)功率密度與天線有效接收面積的乘積，即P^ = Pd+101og1(：Sant，其中為天線有效接收面積，GR為天線接收增益，A為衛(wèi)星信號(hào)波 長(zhǎng)。
[0019] 當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)遇到障礙物發(fā)生反射時(shí)，反射信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度與反射面的反射系數(shù)& 有密切的聯(lián)系，
其中0為信號(hào)到達(dá)角，e為反射面的相對(duì)介電常 數(shù)。
[0020] 到達(dá)相位差ro〇A即到達(dá)接收區(qū)域的所有直射路徑（或者反射路徑）中最短的一 條與其他路徑之間的相位差，第i條路徑的到達(dá)相位差冷=￥xkLi表示第i條路徑 相對(duì)于最短路徑的距離差，A表示衛(wèi)星信號(hào)的波長(zhǎng)。
[0021] 第五步，將待定位目標(biāo)點(diǎn)的特征向量與指紋數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配得出目標(biāo)點(diǎn)位置坐 標(biāo)：即尋找待定位目標(biāo)點(diǎn)的特征向量壬與所有采樣點(diǎn)特征向量€之間歐氏距離的最小值， 具體為：計(jì)算待定位目標(biāo)點(diǎn)的特征向量節(jié)到指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中的每一個(gè)采樣點(diǎn)特征向量茇的 歐氏距離，歐氏距離最小時(shí)對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)的坐標(biāo)即認(rèn)為是估計(jì)出的目標(biāo)點(diǎn)的位置坐標(biāo)
[0022] 本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)上述方法的系統(tǒng)，包括：建模模塊、網(wǎng)格化模塊、指紋數(shù)據(jù)庫(kù) 以及匹配模塊，其中：建模模塊將對(duì)應(yīng)真實(shí)場(chǎng)景的3D模型中選定接收區(qū)域并輸出至網(wǎng)格 化模塊，網(wǎng)格化模塊對(duì)接收區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分選定采樣點(diǎn)，并根據(jù)每個(gè)采樣點(diǎn)的特征向量 生成指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，匹配模塊根據(jù)待定位目標(biāo)點(diǎn)的特征向量與指紋數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配以實(shí)現(xiàn)定 位。 技術(shù)效果
[0023] 與現(xiàn)有方法和技術(shù)相比，本發(fā)明將三