真實(shí)場景下模擬器衛(wèi)星可見性研究

沈海鴻1，馬楠楠1，張 波2，吳 凱1

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，北京 100083；2.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191）

真實(shí)場景下模擬器衛(wèi)星可見性研究

沈海鴻1，馬楠楠1，張 波2，吳 凱1

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，北京 100083；2.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191）

隨著信號模擬器的發(fā)展，載體的運(yùn)動模型越來越復(fù)雜，給出了一種在真實(shí)復(fù)雜的場景下載體自駕車行駛的過程中衛(wèi)星可見性判斷的方法；利用Global Mapper軟件處理網(wǎng)上下載的數(shù)字高程信息，提取真實(shí)場景中的山脈等障礙物的位置和高度信息；載體行駛過程中，地圖API會結(jié)合實(shí)際路況和真實(shí)的地形地貌狀況規(guī)劃出一條合理的自駕車行駛路線；針對載體不斷運(yùn)動過程中的每個位置，實(shí)時的計(jì)算山脈等障礙物和衛(wèi)星相對載體的仰角，判斷載體每個位置上該衛(wèi)星是否可見；通過比較考慮地形地貌因素和不考慮地形地貌因素兩種實(shí)驗(yàn)條件下，對比障礙物和衛(wèi)星相對于載體的仰角大小，模擬器求解出可見衛(wèi)星數(shù)量變化，用實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析并驗(yàn)證了研究方法的正確性。

Global Mapper；地圖API；仰角；衛(wèi)星可見性

0 引言

隨著社會、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用戶在出行時往往選擇自駕車，自由方便快捷，于是對衛(wèi)星導(dǎo)航定位的要求越來越高，尤其是在特殊的地形下，用戶從視線良好的平原地區(qū)駕車到狹隘的多山峰地區(qū)，能否接收到衛(wèi)星信號對用戶進(jìn)行定位以及定位的精度顯得尤其重要。

當(dāng)用戶自駕車啟用地圖導(dǎo)航時，從出發(fā)點(diǎn)到終點(diǎn)站，導(dǎo)航軟件會根據(jù)真實(shí)具體的交通路況合理的選擇行駛路線，比如說從平坦的地區(qū)自駕車到多山峰崎嶇的山區(qū)，駕車行駛過程中衛(wèi)星信號可能會受到周圍的山脈等高大障礙物的遮擋而無法被用戶接收，失去導(dǎo)航定位的功能，用戶應(yīng)該避免走這樣的路線或者繞道而行，所以研究用戶在真實(shí)復(fù)雜的場景下自駕車行駛過程中實(shí)時地判斷導(dǎo)航衛(wèi)星的可見性很有必要。

1 地圖API

現(xiàn)在地圖API功能強(qiáng)大，為用戶提供了駕車導(dǎo)航、實(shí)時路況查詢等豐富的功能，給用戶提供最適合的路線規(guī)劃。在本文中，用JavaScript語言和HTML語言一起編寫了地圖的自駕車查詢功能，并且描繪出用戶的駕車行駛路線并記錄下軌跡點(diǎn)集，方便后文計(jì)算仰角。文章中選取的區(qū)域是北京房山區(qū)白草畔風(fēng)景區(qū)，起點(diǎn)是用經(jīng)緯度設(shè)置的P1＝Point（115.640 0，39.768 550），對應(yīng)的是北京房山區(qū)楊樹洼位置，終點(diǎn)位置設(shè)置的是白草畔風(fēng)景區(qū)P2＝Point（115.640 8，39.780 885），當(dāng)然也可以直接輸入起止點(diǎn)的名字，根據(jù)起止點(diǎn)位置搜索出最合理最節(jié)省時間的行駛路徑，并給出預(yù)計(jì)到達(dá)時長，記錄路徑上的各個軌跡點(diǎn)。具體的效果如圖1所示。

如上圖所示，根據(jù)起止點(diǎn)位置，點(diǎn)擊開始按鈕后，軟件搜索到最合理最節(jié)省時間的行駛路徑并用藍(lán)色粗線標(biāo)記出來，并且會彈出預(yù)計(jì)時長和總路線長度等信息，駕車軌跡點(diǎn)集合用新彈出的窗口來保存，效果圖如圖2和圖3所示。

圖1 地圖API整體效果圖

圖2 總路程和行駛時間 圖3 行駛軌跡點(diǎn)集合

2 求解衛(wèi)星和障礙物的仰角

衛(wèi)星發(fā)射的信號能否被用戶接收，與衛(wèi)星和障礙物相對接收機(jī)的仰角大小有關(guān)。根據(jù)地圖API規(guī)劃好的用戶行駛路徑并記錄下途徑各點(diǎn)的位置，求解每個用戶位置上的對應(yīng)的衛(wèi)星和障礙物的仰角大小。

2.1 求解衛(wèi)星相對用戶的仰角

可見衛(wèi)星的判斷需要借助于用戶與衛(wèi)星之間的仰角進(jìn)行判斷。仰角、方位角的計(jì)算［1］如圖4所示，其中E表示仰角，Az表示方位角。

圖4 衛(wèi)星仰角、方位角示意圖

衛(wèi)星仰角、方位角的計(jì)算公式如下：

式中，（xsc，ysc，zsc）為衛(wèi)星的坐標(biāo)，。

在求解仰角和方位角時，需要先求解出衛(wèi)星的位置。根據(jù)ICD文件的規(guī)定，可見衛(wèi)星位置計(jì)算算法為通用算法［2］，這里不做詳細(xì)介紹。

2.2 求解障礙物相對用戶的仰角

為更好地說明高大的障礙物可以對衛(wèi)星信號進(jìn)行遮擋阻攔，在本文中障礙物選取的是北京房山區(qū)白草畔風(fēng)景區(qū)附近的部分山脈。用Global Mapper軟件提取山區(qū)的數(shù)字高程信息（Digital Elevation Model），簡稱DEM，是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型，圖5為DEM模型。

根據(jù)DEM模型提取出的經(jīng)度緯度高度等3維信息，輸出保存到本地文件。用Matlab軟件對輸出的數(shù)字高程模型信息進(jìn)行地形仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 房山區(qū)部分?jǐn)?shù)字高程模型圖

圖6 白草畔風(fēng)景區(qū)地形仿真圖

如圖6所示，整體海波在800 m左右，有幾個凸起的峰尖，最高峰大約在950 m。上面的地形圖反映的地形起伏狀態(tài)和實(shí)際情況大約一致。

得到有效的數(shù)據(jù)后，開始求解障礙物相對于用戶的仰角。根據(jù)地圖上用戶動態(tài)行駛路徑的點(diǎn)集，求解出每個用戶位置下障礙物相對于用戶的仰角。

首先讀取用戶運(yùn)動軌跡信息和山體障礙物的信息，求出在給定某一方位角AZ方向下的山體障礙物相對用戶的仰角。因?yàn)樘崛〉腄EM數(shù)據(jù)是3維離散信息，在某方向角AZ下并不是所有的點(diǎn)的位置信息已知，要用附近點(diǎn)插值來求解AZ方向上的點(diǎn)集。具體的流程如圖7所示。

圖7 障礙物仰角計(jì)算流程圖

3 判斷衛(wèi)星可見性

經(jīng)過上面的計(jì)算可以求解出各個用戶位置下衛(wèi)星和山體障礙物的仰角，通過比較同一方向角AZ下衛(wèi)星和障礙物的仰角大小，只有當(dāng)衛(wèi)星信號的最小仰角大于障礙物的最大仰角時，衛(wèi)星發(fā)射的信號才能被用戶接收，這顆衛(wèi)星才具有可見性。判斷衛(wèi)星是否可見如圖8所示。

圖8 判斷衛(wèi)星可見性示意圖

圖8中左側(cè)部分表示山體障礙物，仰角min表示用戶能夠接收到的GPS衛(wèi)星信號的最低仰角。從圖中看出，復(fù)雜真實(shí)的場景下衛(wèi)星可見性的判斷必須結(jié)合當(dāng)?shù)氐腄EM數(shù)據(jù)，計(jì)算周圍障礙物相對于用戶的仰角。只有當(dāng)衛(wèi)星的仰角E＞Emin，且有E＞50，則該顆衛(wèi)星可見，否則就判斷為不可見。由于DEM數(shù)據(jù)是離散的，需要計(jì)算出該衛(wèi)星相對于接收機(jī)的仰角E和方位角AZ，利用附近點(diǎn)插值法求出AZ方向上各個點(diǎn)相對于接收機(jī)的仰角Eh，并求出仰角Eh的最大值Eh_Max，當(dāng)衛(wèi)星仰角E＞50且E＞Eh_Max，該顆衛(wèi)星具有可見性。

4 衛(wèi)星可見性的測試與分析

為驗(yàn)證復(fù)雜場景下衛(wèi)星可見性的方法正確性，分別進(jìn)行地形狀態(tài)測試，駕車行駛路徑測試和衛(wèi)星可見性測試。首先要測試仿真出的地形狀態(tài)和真實(shí)的地形狀態(tài)是否一致，確保網(wǎng)上提取的山區(qū)地形DEM數(shù)據(jù)的正確性，其次通過比較網(wǎng)上地圖搜索獲取的行駛路徑和文中采取的方法求解的行駛軌跡路徑，驗(yàn)證該方法符合真實(shí)場景下的駕車行駛路徑，最后用是否考慮地形情況的可見衛(wèi)星的數(shù)量變化來說明復(fù)雜地形對衛(wèi)星可見性的影響。

4.1 地形狀態(tài)測試

用DEM生成的數(shù)據(jù)仿真出的地形圖和房山區(qū)百草畔風(fēng)景區(qū)真實(shí)地形圖對比，驗(yàn)證獲取的DEM數(shù)據(jù)是可靠有效的，為下文進(jìn)一步分析山區(qū)障礙物數(shù)據(jù)提供依據(jù)。圖9為山區(qū)真實(shí)地形圖。

圖9 白草畔風(fēng)景區(qū)的真實(shí)地形圖

通過比較上面的圖6和圖9可以發(fā)現(xiàn)用DEM數(shù)據(jù)仿真的地形圖大致描述了真實(shí)地形的起伏狀態(tài)，由于網(wǎng)上下載的DEM數(shù)據(jù)精度有限，不能很精確的描述地形細(xì)致的變化［3］。

4.2 駕車行駛路徑測試

在網(wǎng)上利用起止點(diǎn)來搜索駕車行駛路徑，起點(diǎn)輸入北京房山區(qū)楊樹洼，終點(diǎn)輸入白草畔風(fēng)景區(qū)，搜索結(jié)果如下圖10所示。采取文中的方法求解的駕車行駛路徑如圖11所示。

圖10 網(wǎng)上搜索行駛路

圖11 駕車行駛路徑測試

結(jié)合仿真出的三維地形圖，在地形圖上駕車行駛路徑如圖12所示，A點(diǎn)是其中的一個小山峰。

圖12 載體運(yùn)動軌跡

自駕車整個行駛過程用4分鐘，速度大小變化如圖13所示。

通過對比圖10和圖11可以發(fā)現(xiàn)兩者的行駛路徑幾乎相同，驗(yàn)證了文中行駛路徑方法的正確性；圖12是載體在白草畔風(fēng)景區(qū)行駛的運(yùn)動軌跡三維示意圖，更加直觀，一目了然。圖13描述了行駛過程中的速度變化，可以看出行駛的平均速度大約在13 m／s，在起點(diǎn)和終點(diǎn)附近速度較高，在某些高峰區(qū)域速度較低，在5 m／s左右，符合實(shí)際情況

圖13 自駕車行駛速度

4.3 衛(wèi)星可見性測試

載體按照地圖API規(guī)劃好的路線從起點(diǎn)行駛到終點(diǎn)，整個行駛過程具體情況較為復(fù)雜，為更直觀地說明問題，分別在考慮障礙物遮擋以及不考慮障礙物遮擋的情況下，比較同一方向角下衛(wèi)星和障礙物的仰角大小來判斷衛(wèi)星的可見性［4］。設(shè)開始仿真時間是2016年1月4日12時00分00秒，載體大約行駛在圖12中山峰A點(diǎn)處，用模擬器來觀測可見星的數(shù)量變化來驗(yàn)證地表障礙物對衛(wèi)星可見性產(chǎn)生的影響，如圖14和圖15所示。

圖14 未考慮障礙物遮擋下可見衛(wèi)星的數(shù)量

通過比較圖14和圖15中的數(shù)據(jù)，可以明顯發(fā)現(xiàn)，同一仿真時刻，相同的仿真參數(shù)下，在A點(diǎn)前后，圖14中未考慮地形障礙物遮擋可見星數(shù)量為10顆，圖15考慮了地形障礙物的遮擋因素［5］可見星數(shù)量減為8顆，減少的GPS 4號星和7號星由于衛(wèi)星的仰角較低，小于周圍障礙物的仰角，衛(wèi)星發(fā)出的導(dǎo)航信號被山體等障礙物所遮擋，無法被接收機(jī)接收。載體在整個行駛過程中可見的衛(wèi)星數(shù)量變化如圖16所示。

圖16表明，在山體等障礙物高度較低時，障礙物的仰角較小，小于衛(wèi)星的仰角，此時衛(wèi)星是可見的，可見的衛(wèi)星數(shù)是10顆。隨著山體高度的增加，障礙物的仰角隨之增大，當(dāng)大于衛(wèi)星的仰角時，此顆衛(wèi)星信號傳播中被障礙物遮擋不可見，可見的衛(wèi)星數(shù)量逐漸減少。圖中的最高峰大約在A點(diǎn)處，對應(yīng)的可見衛(wèi)星數(shù)量最少。

由此可見，用戶載體在真實(shí)復(fù)雜的場景下行駛有必要考慮附近地形障礙物對衛(wèi)星可見性的影響，還有通過文中的方法可以有效地判斷在復(fù)雜場景下衛(wèi)星的可見性。

圖15 考慮障礙物遮擋下可見星數(shù)量

圖16 載體行駛過程中可見星數(shù)量變化

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了真實(shí)場景下自駕車行駛過程中衛(wèi)星可見性的判斷方法，包括地圖API、仰角計(jì)算、地形仿真、可見性判斷等模塊的設(shè)計(jì)方案，給出了具體實(shí)現(xiàn)流程圖。該方法中的駕車行駛路線和可見星的數(shù)量與實(shí)地測試結(jié)果保持一致，驗(yàn)證了方法的可行性。但是網(wǎng)上下載的地形DEM數(shù)據(jù)精度有限和地圖規(guī)劃路線精度不高等因素，對可見衛(wèi)星的判斷精度有待提高。

［1］穆 雪.GPS模擬器若干參數(shù)對接收機(jī)定位精度的影響分析［D］.北京：北京航空航天大學(xué)，2015.

［2］謝鋼.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［3］龔健雅.地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

［4］都欣欣.GNSS信號模擬器導(dǎo)航電文及狀態(tài)參數(shù)產(chǎn)生方法的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.北京：北京航空航天大學(xué)，2006.

［5］陳榮超，陳光武.基于BDS／GPS和百度地圖的現(xiàn)代有軌電車監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2015，23（10）：49.

Research on Satellite Visibility in Signal Simulator under the Condition of Real Scene

Shen Haihong1，Ma Nannan1，Zhang Bo2，Wu Kai1

（1.School of Information Engineering，China University of Geosciences（Beijing），BeiJing 100083，China；2.School of Electronic Information Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，BeiJing 100191，China）

With the development of the signal simulator，the motion model of vehicle is more and more complicated.This paper introduces a satellite visibility judgment method when carrier is driving in a real complex scene.Global Mapper software handles download digital elevation information online，in order to obstacle the position and height information of mountains.In the process of vehicle driving，maps API will plan out a reasonable driving route combining with the actual road conditions and real landform condition.Given each position of Carrier in the process of constant motion，the method gives a real－time calculation of mountains and satellite elevation relative carrier，and judges the satellite is visible or not.The simulator figures out the counts of the visible satellite by comparing the elevations in the two experimental conditions of considering landform factors and not considering topography factors.The paper analysizes and verifies the validity of the research methods with the experiment results.

global mapper；map API；elevation；satellite visibility

1671-4598（2016）08-0193-04

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.052

：TN911.7

：A

2016-01-19；

：2016-03-23。

教育部留學(xué)基金委青年骨干教師項(xiàng)目（201406405014）；教育部基本科研業(yè)務(wù)啟動項(xiàng)目（2－9－2013－083）。

沈海鴻（1970-），女，黑龍江人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事信號與信息處理方向的研究。