基于3d建模场景动态指纹的卫星信号定位方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种卫星信号定位技术领域的方法，具体是一种运用三维射线跟 踪模型对实际场景进行建模并追踪信号的传播路径的卫星信号指纹定位方法及系统，用于 计算和分析卫星接收信号的特性以实现定位，并且可以用来提高卫星信号的定位精度以及 减小定位误差。
【背景技术】
[0002] 目前三维射线跟踪模型被广泛应用在移动通信和个人通信的无线电波预测中，通 过对实际场景进行建模，就可以用来预测出发射机与接收机之间所有可能的射线路径。射 线跟踪法是基于电磁理论、几何光学理论和一致性绕射理论，通过模拟信号的传播路径来 确定从发射机到接收机之间的所有路径。信号在传播过程中，遇到障碍物会发生反射或绕 射，根据镜面反射原理和一致性绕射原理计算出在反射点或者绕射点出信号场强或者多径 延迟等。最后将所有到达接收范围的信号进行矢量相加。射线跟踪法具有易于程序化、预 测精度高、省时省力等优点，因此，本发明将三维射线跟踪法应用在卫星信号的传播预测及 定位技术中。
[0003] 定位技术是根据被测信号的相关参数来估计目标点的位置坐标的方法。目前定位 方法主要包括三角定位、指纹定位和基于移动网络的定位技术。三角定位技术具有方便快 捷、工作量小等优点，但其很大程度依赖于信号传输损耗模型，然而不同位置的信号损耗差 异很大且难以确定，因此在实施过程中困难重重。基于移动网络的定位技术根据移动终端 采集到的所处小区的标识号来确定用户的位置，而这种定位技术在小区密集的地区易于实 现，但定位误差较大。指纹定位技术不仅定位准确度高而且易于实现。所以本发明采用指 纹技术来实现卫星信号的定位。
[0004] 基于指纹技术的定位系统通过对信号进行测量，建立位置指纹数据库，将需要定 位的目标点的测量数据与位置指纹数据库进行匹配来确定目标的实际位置。指纹定位方法 的实施一般分为两个阶段：离线阶段和在线定位阶段。离线阶段又称数据采集阶段，它的主 要任务是采集所需定位区域的各位置的信号信息，形成指纹数据库，每一个指纹信息代表 一个固定的位置。在线阶段是通过匹配算法，将某一位置的信号信息与指纹数据库相匹配， 最后估计出目标位置的坐标。由于指纹定位方法在离线阶段的数据采集工作量较大，本发 明使用三维射线跟踪模型，先对所需定位区域的实际场景进行建模，再利用射线跟踪法对 该区域的信号传播进行预测并计算其位置信息，以此来代替实际的数据采集工作，大大降 低了工作量。
[0005]目前，指纹定位技术主要采用接收信号强度作为指纹信息进行匹配定位，但接收 信号强度很容易受到外界噪声等因素的干扰，只采用接收信号强度一个参数定位误差相对 较大。
[0006] 通过对现有技术检索发现，一种基于接收信号时间延迟（或相位延迟）的单 参数指纹定位方法（Kumar，Rakesh，Petovello，MarkG.，〃ANovelGNSSPositioning TechniqueforImprovedAccuracyinUrbanCanyonScenariosUsing3DCityModel，''Proceedingsofthe27thInternationalTechnicalMeetingofTheSatellite DivisionoftheInstituteofNavigation(IONGNSS+2014)，Tampa，Florida，September 2014,pp. 2139 - 2148.)提出了以相位延迟作为指纹信息实现卫星信号定位，但其定位结果 也不甚理想。
[0007] 中国专利文献号CNCN101529956公开（公告）日2009. 09. 09公开了一种利用无 线设备检测的信号的信号强度确定该无线设备的位置的系统和方法。通常比较从可识别源 接收的信号的强度与在已知位置收集或估计的参考信号强度测量结果。通常从在信号中提 供的数据获得信号的源。测绘仪使参考信号强度的组合与几何成形的地理区域相关联，使 得信号强度测量结果可被用作定位能够在其中找到无线设备的区域的索引。描述了用于从 已知位置接收信号强度信息的系统和方法，其中该信息可被用于更新和改善测绘系统数据 库。但该技术只采用信号强度作为参考量，定位精度不高，并且信号强度容易受到环境的干 扰，因此只利用信号强度实现定位，其定位精度并不理想。
【发明内容】
[0008] 本发明针对上述现有技术存在的缺陷和不足，提出一种基于3D建模场景动态指 纹的卫星信号定位方法及系统，用于进一步提高卫星信号定位精度，减小定位误差。在指纹 定位离线阶段中，利用三维射线跟踪模型估计信号参数代替实际测量过程，很大程度上减 少了工作量，而且其方法简单，易于实现。
[0009] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0010] 本发明通过对实际接收场景进行3D建模，生成射线跟踪模型并设置模型参数信 息，利用射线跟踪法对卫星信号的传播路径进行预测，将接收区域进行网格划分，每个网格 的中心点作为一个采样点，并计算到达各采样点的各条信号的参数信息构成指纹数据库， 然后获得某一目标点的特征向量，最后将此特征向量与指纹数据库进行匹配，找出欧氏距 离最小的采样点，其位置坐标即为估计出的目标点的坐标。
[0011] 所述的方法具体包括以下步骤：
[0012] 第一步，对实际接收场景进行3D建模，生成射线跟踪模型并设置模型参数信息： 在MATLAB中对一个实际场景进行建模，然后设置模型中各个反射面的介电常数、反射系 数、发射卫星信号的频率以及入射方向、反射次数的上限值以及所追踪的路径总数等模型 参数信息。
[0013] 第二步，利用射线跟踪模型对卫星信号的传播路径进行预测，具体为：首先对场景 进行3D建模，然后利用射线跟踪法对每一条信号路径进行追踪，得到到达某一点的信号的 全部路径，最后对每条路径的相关参数进行计算；当已知卫星信号的入射方向，按照镜面反 射原理即可得到卫星信号的传播路径。
[0014] 第三步，选定实际场景中需要实现定位的区域作为接收区域，并对接收区域进行 网格划分：将接收区域划分为均匀的网格，每个网格的中心点作为采样点。接收区域网格的 个数决定这指纹数据库的大小，并且网格的密度也与定位准确率及定位误差有着密切的联 系。
[0015] 第四步，计算接收区域中到达各个采样点的每条信号的参数信息，即接收信号强 度、到达角（仰角和方向角）、到达相位差、时间延迟，并将这些参数信息组成一个特征向 量，每个采样点的特征向量即可构建指纹数据库；然后根据射线跟踪法的原理，计算出到达 某一采样点的每条信号的这五个参数以组成一个特征向量，每个采样点的特征向量构成指 纹库。
[0016] 所述的特征向量可表示为：
[0017] 其中：LOSsignal …J.,. 为直射信号，NLOSsignal为反射信号，匕为接收信号强度、A0A为到达角，在三维情况下到 达角包括一个仰角EA和一个方向角AA、H)0A为到达相位差、Td为时间延迟。
[0018] 在卫星信号定位中，假设信号发射机的功率为Pt单位为dBW，则到达接收区域的 信号功率密度Pd=Pt+Ai+Pi，其中夂为大气衰减，大约为-2.OdBW，巧=切xl〇gl〇 为路径损耗，则接收信号强度匕等于信号功率密度与天线有效接收面积的乘积，即P^ = Pd+101og1(：Sant，其中为天线有效接收面积，GR为天线接收增益，A为卫星信号波 长。
[0019] 当卫星信号遇到障碍物发生反射时，反射信号的信号强度与反射面的反射系数& 有密切的联系，
其中0为信号到达角，e为反射面的相对介电常 数。
[0020] 到达相位差ro〇A即到达接收区域的所有直射路径（或者反射路径）中最短的一 条与其他路径之间的相位差，第i条路径的到达相位差冷=￥xkLi表示第i条路径 相对于最短路径的距离差，A表示卫星信号的波长。
[0021] 第五步，将待定位目标点的特征向量与指纹数据库进行匹配得出目标点位置坐 标：即寻找待定位目标点的特征向量壬与所有采样点特征向量€之间欧氏距离的最小值， 具体为：计算待定位目标点的特征向量节到指纹数据库中的每一个采样点特征向量茇的 欧氏距离，欧氏距离最小时对应的采样点的坐标即认为是估计出的目标点的位置坐标
[0022] 本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：建模模块、网格化模块、指纹数据库 以及匹配模块，其中：建模模块将对应真实场景的3D模型中选定接收区域并输出至网格 化模块，网格化模块对接收区域进行网格划分选定采样点，并根据每个采样点的特征向量 生成指纹数据库，匹配模块根据待定位目标点的特征向量与指纹数据库进行匹配以实现定 位。 技术效果
[0023] 与现有方法和技术相比，本发明将三