基于Matlab的伽利略卫星信号仿真研究

胡 慧, 于明灏, 鹿珂珂

(1. 海军航空工程学院 训练部, 山东 烟台 264001；2. 海军航空工程学院 控制工程系, 山东 烟台 264001)

基于Matlab的伽利略卫星信号仿真研究

胡 慧1, 于明灏1, 鹿珂珂2

(1. 海军航空工程学院 训练部, 山东 烟台 264001；2. 海军航空工程学院 控制工程系, 山东 烟台 264001)

针对伽利略卫星导航系统的信号进行了研究,重点对其中伪随机码的产生进行了详细介绍和阐述,并使用 Matlab对伽利略系统E5信号进行了仿真,得到的仿真结果准确可靠。在此基础上可对伽利略卫星信号进行深入分析研究,从而为伽利略卫星信号接收机的研制提供帮助。

伽利略卫星； 伪随机码； 线性移位寄存器

目前,全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System)有已经建成的美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统、我国北斗一代区域卫星导航系统(BD-1)以及欧盟正在建设的伽利略(Galileo)系统、日本的准天顶卫星系统(QZSS)、印度的卫星导航定位系统、我国的北斗二代(BD-2)卫星导航系统等。其中伽利略系统是由欧空局和欧盟共同研发的全球多模式卫星定位导航系统,能够提供高精度、高可靠性的定位服务,专门为民用目的而设计[1-4]。该系统比GPS更先进、更有效、更可靠,全面而准确地了解与掌握系统信号的电文格式、内容和结构,对该系统未来的广泛应用具有重要意义[5]。伽利略卫星导航信号的载波频率分布和服务类型情况如表1所示。

表1 伽利略系统频率分布和服务类型

其中E5a和E5b信号开放获取,均在E5中传输,包含数据和导航信道,没有加密,所有用户均可使用。依据文献[6]中对伽利略信号的特征描述,本文对Galileo信号中伪随机序列(pseudo random noise code)的生成进行研究,并使用Matlab完成对伽利略系统E5信号的仿真验证。

1 伽利略系统伪随机码的产生

伽利略系统使用的伪随机序列是采用“主级-次级码分级异或”的方式产生的,其生成结构如图1所示。

图1 伽利略系统伪随机码生成结构示意图

主级码可以通过两种方式得到:(1)利用线性反馈寄存器产生伪随机序列；(2)最优化的伪随机序列。其中最优化的伪随机序列需要存储在存储器中,因此又被称作“存储码”。

伽利略系统中应用的基于寄存器的码是利用2个M序列发生器截短到合适的长度模二和生成的。这些码可以通过一对线性反馈移位寄存器(LFSR)生成,直接存储在内存中。长的测距码是通过层列式的码结构生成,在这里,次级码用来修正主级码的连续重复。

2 E5码

由于次级码的码长一般较短,因此可以直接列出并直接引用。E5主级码可以看作存储成二进制序列的存储码,也可以看作通过线性反馈移位寄存器生成的二进制序列。如果作为存储码,E5a-I、E5a-Q、E5b-I和E5b-Q主级码可参阅文献[7]的附录1；如果是利用线性反馈移位寄存器产生的,主要参数如表2所示。

表2 E5主级码参数

2个平行的移位寄存器分别使用寄存器基址1和基址2。主级码输出序列是2个移位寄存器输出的模二和。2个输出序列之间不存在偏移。E5a-I、E5a-Q、E5b-I和E5b-Q的第一个移位寄存器初始值均为1。第2个移位寄存器的初始值为固定值,以E5a-I为例,给出了16进制表示的前24个码片(见表3)。

表3 部分E5a-I寄存器2的初始值数

E5码由2个移位寄存器生成个2码序列,然后模二和,得到所需的E5信号,其中一个移位寄存器较为简单,其特征多项式如下:

该移位寄存器的初始值均为1。

从给出的八进制数组转换到反馈多项式表达式的方法定义如下:首先将八进制的数组转换成二进制表示,这样每一位从右向左依次编号为最低有效位i=0到最高有效位i=R,这里R是移位寄存器的长度，i=1,…,R,其中第i位表示了第aj,i个节点是否是反馈抽头,如图2所示。需要注意的是：aj,R总是1,aj,0一定不是反馈抽头。

图2 E5a-I反馈抽头的获取

在图2中,八进制数组是40503,写成二进制形式是100000101000011,从右向左忽略第一位,然后重新排序为100001000001从而得到反馈特征多项式,1即为反馈抽头,0即代表不是反馈抽头,根据编号从而得到特征多项式:

E5a-I为:1+X+X6+X8+X14

同理,根据文献[7]的中E5a-Q、E5b-I、E5b-Q的数据,可得相应的特征多项式:

图3 E5a-I 1号卫星移位寄存器初始值的获取

需要注意的是,在图3中,初始值的八进制表示是30305转换成二进制后,为补齐为5个八进制数,首位补0,反序后为10100011000011,此即为移位寄存器的初始值。

根据上述算法,同理分别得到其他寄存器的1号卫星的初始值:

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

3 伽利略系统E5信号调制与仿真

伽利略系统E5段信号使用修正的BOC(binary offset carrier)调制方式[8],具体为Alt BOC(15,10)调制。BOC调制的示意图如图4所示。

图4 BOC调制示意图

若令f0=1.023 MHz,则E5信号2个频段E5a和E5b的PN码率为fc=10.23 MHz,子载波频率为fs=15.345 MHz。E5信号可以表示为[9]:

根据前述产生的伪随机序列,利用Matlab仿真生成采用Alt BOC(15,10)调制、参数为子载波周期1/8的伽利略系统E5信号[10],仿真系统具体参数如下:采样频率245.52 MHz、子载波频率15.345 MHz、码片率10.23 Mcps、E5a-I信道数据50 Sps、E5b-I信道数据为250 Sps,得到仿真结果如图5所示。

图5 E5信号仿真图

值得注意的是,这里仿真给出的是伽利略系统E5信号的基础结果,如果需要说明真实环境中真实信号的性质,则需要进行一些修改，例如增加信号的传播模型,用于表示卫星信号的放大、丢失等[8],而且信号必

须包含多普勒效应。此外,导航电文、伪随机序列、子载波和载波等必须同步生成。

4 结束语

本文以E5信号为例介绍了伽利略系统伪随机码的生成方式,并给出了E5信号的调制方式和信号形式,最后利用Matlab仿真模拟生成了伽利略系统的E5信号。关于伽利略系统伪随机码的生成研究有助于伽利略系统信号接收机的开发研制。

References)

[1] 李平.基于周期平稳特性的GPS自适应抗干扰技术研究[D].天津:天津市智能信号与图像处理重点实验室,2008:1-5.

[2] 朱璇.Galileo信号仿真及软件接收机关键算法研究[D].郑州:解放军信息工程大学,2009.

[3] 吴中杰.伽利略E1信号采集与分析研究[D].上海:上海交通大学,2010.

[4] 王宇飞.伽利略L1F信号仿真与接收机方案设计[D].西安:西安电子科技大学,2009.

[5] 高书亮,杨东凯,洪晟.Galileo系统导航电文介绍[J].全球定位系统,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中频信号仿真及弱信号接收算法研究[D].南京:南京理工大学,2013.

[9] 宋嫡儿,战兴群.伽利略E5段信号结构分析及仿真[J].微计算机信息,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,山东栖霞,硕士,工程师,主要研究方向为实验室建设与管理.

E-mail：123614215@qq.com

TN967.1；TP391.9

A

1002-4956(2015)7- 0124- 03