3D城市环境下的实时GNSS仿真测试

自1985年以来，思博伦通信科技有限公司一直在全球卫星导航系统的演进中扮演着重要角色。从最初的信号生成，到如今伴随着日益发展的新技术，不断研发先进的模拟器和记录与回放系统。为了满足行业和应用领域的需求，公司的产品和解决方案一直在帮助制造商、集成商和开发商充分发挥其系统潜能。

一、多径环境

基于GNSS信号的高度仿真模拟器芯片已能达到1厘米的精度，但在山涧、峡谷、沟壑地区信号被遮挡时，定位精度误差达到几十米。这是大家经常会遇到的路径，但由于接收信号不稳定，会导致更大的误差。一般情况下，出现多径时，遮挡建筑物的表面和边缘会产生散射和反射等现象。在多数定位、导航和授时解决方案中，这些误差的出现会带来至关重要的影响。具体是什么原因造成的？主要是遮挡和多径。仿真城市真实环境下存在的多径问题，尤其是在卫星、接收机持续运动的情况下，通过深入分析才能推断出可能的路径。

因此，我们关注新的解决方案，即如何仿真包括建筑、玻璃、钢筋混泥土及其他情况，如车流、人流密集或有植物（植物可以大大减弱卫星信号功率）存在的城市环境和一般环境条件下遇到的多径情况。

二、Sim 3D建模系统

我们使用了一个新的软件SIM3D。它是一种富于创新的3D建模系统，可以为多径和遮挡效应测试创建出真实环境。模拟GNSS信号能够与完全可定制的模型和环境进行互动，创造出在其它解决方案中根本无法实现的细节。

首先通过3D建模，把卫星数据传递到软件中，计算处理可能收到的多径信号，如直射信号、反射信号、散射信号等，某些特殊材质还会有穿透信号。各种材质电磁波的信号不同，所以需要对材质本身进行定义，有了定义才能保证电磁波打到建筑物上能产生正确的延迟或衰减。

软件在运行的过程中主要使用了英伟达(nvidia)GPU算法，直接通过GPV的方式计算实现即时性。首先需要通过SIM3D把数据导入卫星，它会把卫星信号包括载体或天线位置全部传送至SIM3D软件端，主要计算功率和信号延迟，还会有多径反射信号，将算好的数据返回模拟器仿真。

除直射信号外，Sim3D还会产生一路、二路、甚至三路的信号进行仿真，并根据直射信号计算出多普勒信号及尾距增加和信号衰减情况的分析结果。Sim3D给我们带来的利好是：缩短现场的测试过程，因为模拟器在整个研发过程经过现场反复测试和实验，所以实际操作中可以减少测试次数，甚至还可以进行一些误差应用。SIM3D主要用于3D地图。由于3D地图有一定的容量，该模拟器可以帮助3D地图制作效果达到更佳，还可以把卫星数据传递至SIM3D进行计算处理，所以也是多星座仿真。

林荫道的折射和反射信号

三、动态场景测试

接受机实地进行输出信号的采集，包括观测量、信息、尾距、定位精度及信号等，然后通过使用SIM3D多次仿真相同的轨迹运动来接收信号，再对比接收结果的差异。下图中蓝色部分为实地采集的数据信息，红色为仿真后同一台接收机接收信号的结果。载道比的变化是尾距误差，还有多普勒信息。

在一些有变化的地方，一般由于载体或者天线在某一个建筑物旁，卫星被遮挡而导致无法进行正常可用性仿真，少了直射现象就无法接收信号。通过卫星信号辐射到的建筑会产生边缘散射，信号会非常弱。误差现象来源的主要因素为：第一，3D模型的准确度是否良好；第二，室外接收机和实验室内卫星天线的方向是否良好；第三，系统自身的不确定性，即使同样的信号通过同一个接收机反应出来也是有区别的。

四、基于PNT的模拟测试系统

下面这套系统仅用于接收机测试，系统本身的模拟器是一个实时仿真的过程。下图为驾驶模拟器，用于汽车自动驾驶测试。根据汽车驾驶模拟器进行驾驶软件产生轨迹实时传输到模拟器端，再同时驱动SIM3D系统，即可进行有效的环境测试。