基于Matlab的伽利略衛(wèi)星信號仿真研究

胡 慧, 于明灝, 鹿珂珂

(1. 海軍航空工程學院 訓練部, 山東 煙臺 264001；2. 海軍航空工程學院 控制工程系, 山東 煙臺 264001)

基于Matlab的伽利略衛(wèi)星信號仿真研究

胡 慧1, 于明灝1, 鹿珂珂2

(1. 海軍航空工程學院 訓練部, 山東 煙臺 264001；2. 海軍航空工程學院 控制工程系, 山東 煙臺 264001)

針對伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)的信號進行了研究,重點對其中偽隨機碼的產(chǎn)生進行了詳細介紹和闡述,并使用 Matlab對伽利略系統(tǒng)E5信號進行了仿真,得到的仿真結果準確可靠。在此基礎上可對伽利略衛(wèi)星信號進行深入分析研究,從而為伽利略衛(wèi)星信號接收機的研制提供幫助。

伽利略衛(wèi)星； 偽隨機碼； 線性移位寄存器

目前,全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System)有已經(jīng)建成的美國GPS系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS系統(tǒng)、我國北斗一代區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BD-1)以及歐盟正在建設的伽利略(Galileo)系統(tǒng)、日本的準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(QZSS)、印度的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)、我國的北斗二代(BD-2)衛(wèi)星導航系統(tǒng)等。其中伽利略系統(tǒng)是由歐空局和歐盟共同研發(fā)的全球多模式衛(wèi)星定位導航系統(tǒng),能夠提供高精度、高可靠性的定位服務,專門為民用目的而設計[1-4]。該系統(tǒng)比GPS更先進、更有效、更可靠,全面而準確地了解與掌握系統(tǒng)信號的電文格式、內(nèi)容和結構,對該系統(tǒng)未來的廣泛應用具有重要意義[5]。伽利略衛(wèi)星導航信號的載波頻率分布和服務類型情況如表1所示。

表1 伽利略系統(tǒng)頻率分布和服務類型

其中E5a和E5b信號開放獲取,均在E5中傳輸,包含數(shù)據(jù)和導航信道,沒有加密,所有用戶均可使用。依據(jù)文獻[6]中對伽利略信號的特征描述,本文對Galileo信號中偽隨機序列(pseudo random noise code)的生成進行研究,并使用Matlab完成對伽利略系統(tǒng)E5信號的仿真驗證。

1 伽利略系統(tǒng)偽隨機碼的產(chǎn)生

伽利略系統(tǒng)使用的偽隨機序列是采用“主級-次級碼分級異或”的方式產(chǎn)生的,其生成結構如圖1所示。

圖1 伽利略系統(tǒng)偽隨機碼生成結構示意圖

主級碼可以通過兩種方式得到:(1)利用線性反饋寄存器產(chǎn)生偽隨機序列；(2)最優(yōu)化的偽隨機序列。其中最優(yōu)化的偽隨機序列需要存儲在存儲器中,因此又被稱作“存儲碼”。

伽利略系統(tǒng)中應用的基于寄存器的碼是利用2個M序列發(fā)生器截短到合適的長度模二和生成的。這些碼可以通過一對線性反饋移位寄存器(LFSR)生成,直接存儲在內(nèi)存中。長的測距碼是通過層列式的碼結構生成,在這里,次級碼用來修正主級碼的連續(xù)重復。

2 E5碼

由于次級碼的碼長一般較短,因此可以直接列出并直接引用。E5主級碼可以看作存儲成二進制序列的存儲碼,也可以看作通過線性反饋移位寄存器生成的二進制序列。如果作為存儲碼,E5a-I、E5a-Q、E5b-I和E5b-Q主級碼可參閱文獻[7]的附錄1；如果是利用線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的,主要參數(shù)如表2所示。

表2 E5主級碼參數(shù)

2個平行的移位寄存器分別使用寄存器基址1和基址2。主級碼輸出序列是2個移位寄存器輸出的模二和。2個輸出序列之間不存在偏移。E5a-I、E5a-Q、E5b-I和E5b-Q的第一個移位寄存器初始值均為1。第2個移位寄存器的初始值為固定值,以E5a-I為例,給出了16進制表示的前24個碼片(見表3)。

表3 部分E5a-I寄存器2的初始值數(shù)

E5碼由2個移位寄存器生成個2碼序列,然后模二和,得到所需的E5信號,其中一個移位寄存器較為簡單,其特征多項式如下:

該移位寄存器的初始值均為1。

從給出的八進制數(shù)組轉(zhuǎn)換到反饋多項式表達式的方法定義如下:首先將八進制的數(shù)組轉(zhuǎn)換成二進制表示,這樣每一位從右向左依次編號為最低有效位i=0到最高有效位i=R,這里R是移位寄存器的長度，i=1,…,R,其中第i位表示了第aj,i個節(jié)點是否是反饋抽頭,如圖2所示。需要注意的是：aj,R總是1,aj,0一定不是反饋抽頭。

圖2 E5a-I反饋抽頭的獲取

在圖2中,八進制數(shù)組是40503,寫成二進制形式是100000101000011,從右向左忽略第一位,然后重新排序為100001000001從而得到反饋特征多項式,1即為反饋抽頭,0即代表不是反饋抽頭,根據(jù)編號從而得到特征多項式:

E5a-I為:1+X+X6+X8+X14

同理,根據(jù)文獻[7]的中E5a-Q、E5b-I、E5b-Q的數(shù)據(jù),可得相應的特征多項式:

圖3 E5a-I 1號衛(wèi)星移位寄存器初始值的獲取

需要注意的是,在圖3中,初始值的八進制表示是30305轉(zhuǎn)換成二進制后,為補齊為5個八進制數(shù),首位補0,反序后為10100011000011,此即為移位寄存器的初始值。

根據(jù)上述算法,同理分別得到其他寄存器的1號衛(wèi)星的初始值:

E5a-Q:10011011011000； E5b-I:00001001011100； E5b-Q:10011011011000

3 伽利略系統(tǒng)E5信號調(diào)制與仿真

伽利略系統(tǒng)E5段信號使用修正的BOC(binary offset carrier)調(diào)制方式[8],具體為Alt BOC(15,10)調(diào)制。BOC調(diào)制的示意圖如圖4所示。

圖4 BOC調(diào)制示意圖

若令f0=1.023 MHz,則E5信號2個頻段E5a和E5b的PN碼率為fc=10.23 MHz,子載波頻率為fs=15.345 MHz。E5信號可以表示為[9]:

根據(jù)前述產(chǎn)生的偽隨機序列,利用Matlab仿真生成采用Alt BOC(15,10)調(diào)制、參數(shù)為子載波周期1/8的伽利略系統(tǒng)E5信號[10],仿真系統(tǒng)具體參數(shù)如下:采樣頻率245.52 MHz、子載波頻率15.345 MHz、碼片率10.23 Mcps、E5a-I信道數(shù)據(jù)50 Sps、E5b-I信道數(shù)據(jù)為250 Sps,得到仿真結果如圖5所示。

圖5 E5信號仿真圖

值得注意的是,這里仿真給出的是伽利略系統(tǒng)E5信號的基礎結果,如果需要說明真實環(huán)境中真實信號的性質(zhì),則需要進行一些修改，例如增加信號的傳播模型,用于表示衛(wèi)星信號的放大、丟失等[8],而且信號必

須包含多普勒效應。此外,導航電文、偽隨機序列、子載波和載波等必須同步生成。

4 結束語

本文以E5信號為例介紹了伽利略系統(tǒng)偽隨機碼的生成方式,并給出了E5信號的調(diào)制方式和信號形式,最后利用Matlab仿真模擬生成了伽利略系統(tǒng)的E5信號。關于伽利略系統(tǒng)偽隨機碼的生成研究有助于伽利略系統(tǒng)信號接收機的開發(fā)研制。

References)

[1] 李平.基于周期平穩(wěn)特性的GPS自適應抗干擾技術研究[D].天津:天津市智能信號與圖像處理重點實驗室,2008:1-5.

[2] 朱璇.Galileo信號仿真及軟件接收機關鍵算法研究[D].鄭州:解放軍信息工程大學,2009.

[3] 吳中杰.伽利略E1信號采集與分析研究[D].上海:上海交通大學,2010.

[4] 王宇飛.伽利略L1F信號仿真與接收機方案設計[D].西安:西安電子科技大學,2009.

[5] 高書亮,楊東凱,洪晟.Galileo系統(tǒng)導航電文介紹[J].全球定位系統(tǒng),2007,32(4):21-25.

[6] Kreher J.Navigation System Panel NSP Galileo Signals RF Characteristics[R].CAO NSP/WGW:WP/36，2004.

[7] Galileo OS SIS ICD (Open Service Signal-In-Space Interface Control)[EB/OL].[2014-12-18].http://ec.europa.eu/enterprise/policies/satnav/galileo/open-service/index_en.html.

[8] 李慧.GNSS中頻信號仿真及弱信號接收算法研究[D].南京:南京理工大學,2013.

[9] 宋嫡兒,戰(zhàn)興群.伽利略E5段信號結構分析及仿真[J].微計算機信息,2006(28):193-195,198.

[10] Borre K,Akos D A,Bertelsen N,et al.A software-defined GPS and Galileo receiver:a single-frequency approach[M].Springer,2007.

Study on Galileo satellite signal simulation based on Matlab

Hu Hui1, Yu Minghao1, Lu Keke2

(1. Department of Training,Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai 264001,China; 2. Department of Control Engineering,Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai 264001,China)

The Galileo system developed by EU provides high-precision,high-reliability location-based services,it has an important role for military and civilian areas. A Galileo signal pseudo-random code generation method is introduced and explained,and E5 signal,for example, is generated and verified using Matlab.Based on this analysis,the work can be carried out in-depth study of the Galileo satellite signals to help develop appropriate satellite receiver.

Galileo satellite; pseudo random noise code; linear feedback shift register

2014- 12- 23

胡慧(1983—),男,山東棲霞,碩士,工程師,主要研究方向為實驗室建設與管理.

E-mail：123614215@qq.com

TN967.1；TP391.9

A

1002-4956(2015)7- 0124- 03