GPS波形生成

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本示例展示了如何生成全球定位系统(GPS)遗留导航(LNAV)数据、民用导航(CNAV)数据和复杂的基带波形。数据的传播使用粗采集码(C/ a码)、精确码(p码)或民用中等/民用长码(L2 CM-/L2 cl码)进行。本例显示了根据IS-GPS-200L标准生成的GPS波形[1]．要设计基于GPS的导航系统，必须用接收到的信号测试接收机。因为你不能控制发射机和信道参数，所以从卫星接收到的信号对于测试接收机是没有用的。要测试接收机，必须使用在一组受控参数下生成的波形。

简介

使用以下三个步骤生成GPS信号。

使用后面章节描述的配置参数生成GPS数据位。数据位以每秒50位(bps)的速率生成。
通过使用高速率扩展码来扩展这些低速率数据位。GPS标准[1]指定三种扩频码:C/ a码、p码和L2 CM-/L2 cl码。除了这三种代码外，本标准还规定了在反欺骗模式激活时使用y码而不是p码。P码和Y码一起称为P(Y)码。配置参数确定用于生成波形的扩频码。
根据配置参数集在同相支路和四相支路上选择码，由扩频码所传播的比特产生GPS复基带波形。

该图显示了GPS波形发生器从配置参数的框图。

GPS信号结构

标准的[1]描述了GPS信号在L1 (1575.42 MHz)和L2 (1227.60 MHz)两个频率上的传输。基频10.23 MHz的信号产生这两个信号。L1的信号频率为154 × 10.23 MHz = 1575.42 MHz, L2的信号频率为120 × 10.23 MHz = 1227.60 MHz。即使所有GPS卫星的传输频率相同，但密码分割多址技术也能使你区分不同的卫星。

随着GPS技术的发展，信号结构不断扩展以提高导航性能。例如，从GPS开始，LNAV数据就在l1波段上传输。从GPS块IIR-M开始，除了L1和L2波段存在的LNAV数据外，CNAV数据在L2波段传输。这个表显示了这些信号的配置和GPS的演变。Dc表示CNAV数据位，D表示LNAV数据位。一些运营商, $\oplus$ ，表示异或操作。

使用此表选择需要在同相分支和四相分支中传输的内容。

IBranchContent =" p (y) + d "

IBranchContent = "P(Y) + D"

QBranchContent =" c / a + d "

QBranchContent = "C/A + D"

LNAV和CNAV数据中的许多传输特性是相同的，但帧结构不同。LNAV数据以1500比特长度的帧传输，每帧由5个子帧组成，每个子帧中有300比特。由于数据速率为50bps，因此传输每一个子帧需要6秒，传输每一帧需要30秒。每个子帧由10个单词组成，每个单词包含30位(24位数据位和6位奇偶校验位)。GPS数据包含有关时钟和卫星位置的信息。该图显示了LNAV数据的帧结构。

CNAV数据以。的形式连续传输消息类型．每种消息类型由300位组成，以25 bps的速度传输。这些比特通过速率半卷积编码器以50 bps的速度从每种消息类型中获得600比特。发送每种消息类型需要12秒。标准的[1]按此顺序定义14种消息类型:10、11、30、31、32、33、34、35、36、37、12、13、14和15。关于每种消息类型和传输数据的详细描述，请参见IS-GPS-200L附录III[1]．每种消息类型的传输顺序完全是任意的，但顺序是为了提供最佳的用户体验。在本例中，您可以选择这些消息类型的传输顺序。该图显示了CNAV消息结构。

图中显示的消息类型具有以下字段:

PRN ID:伪随机噪声(伪随机噪声)索引
味精:消息
每周的时间
CRC:循环冗余校验

设置ShowVisualizations属性启用频谱和相关图可视化。设置WriteWaveformToFile属性在需要时将复杂基带波形写入文件。此示例启用可视化并禁用将波形写入文件。

ShowVisualizations =真正的；WriteWaveformToFile =假；

指定卫星PRN索引为范围[1,63]的整数。

Prnid = 1;

由于为整个导航数据生成GPS波形需要大量的时间和内存，因此本示例演示了仅为导航数据的一个比特生成波形。您可以使用属性控制为指定数量的数据位生成波形NumNavDataBits．

将此值设置为1以从的第1位开始生成波形导航数据%NavDataBitStartIndex = 1321;控件中的导航数据位数生成波形百分比NumNavDataBits = 1;

GPS数据初始化

初始化数据配置对象，生成CNAV数据。属性中创建配置对象HelperGPSNavigationConfig对象。更新配置对象属性以根据需要定制波形。

cnavConfig = HelperGPSNavigationConfig(“数据类型”，“CNAV”，“PRNID”PRNID)

cnavConfig = HelperGPSNavigationConfig with properties: DataType: "CNAV" PRNID: 1 MessageTypes: [4x15 double]前文:139 HOWTOW: 1 L2CPhasing: 0 CEIDataSet: [1x1 HelperGPSCEIConfig] AgeOfDataOffset: 0 AlmanacFileName: "gpsAlmanac.txt"电离层:[1x1 struct]地球定向:[1x1 struct] UTC: [1x1 struct]差异纠正:[1x1 struct] TimeOffset: [1x1 struct] TextInMessageType36: '此内容是卫星通信Toolbox的一部分' TextInMessageType15:本内容是卫星通信工具箱的一部分

的属性,CEIDataSet类型的配置对象HelperGPSCEIConfig，其中包含时钟、星历表和完整性(CEI)数据参数。

理论上，所有卫星的时钟必须同步，这意味着所有GPS卫星的时钟必须在给定时刻显示相同的时间。在实际应用中，存在偏置、漂移、老化等确定性卫星时钟误差特征，以及群时延偏置和平均差分群时延的卫星实现特征。这些误差使卫星时钟偏离GPS系统时间。

GPS卫星在椭圆轨道上围绕地球旋转，地球是椭圆的焦点之一。一组精确定义卫星在椭圆轨道上位置的轨道参数被称为星历表．每颗GPS卫星在LNAV数据的子帧2和3上传输自己的星历表数据，在CNAV数据的消息类型10和11上传输自己的星历数据。该图显示了地球中心地球固定(ECEF)坐标系中卫星的五个轨道参数。该图没有显示实际的GPS卫星，仅供说明。

半长轴长度， $一个$ :卫星椭圆轨道中心到远地点或近地点的距离
倾角, $我$ :地球赤道平面与卫星轨道平面之间的夹角
升节点经度， $Ω$ :格林尼治子午线与上升节点方向之间的夹角
近地点辐角， $ω$ :上升节点方向与近地点方向的夹角
真正的异常, $υ$ :近地点方向与卫星当前位置方向之间的夹角

根据开普勒行星运动第二定律，轨道上不同位置的角速度(真实异常的变化率)是不同的。你可以定义平均异常，其变化率在卫星的整个轨道上是恒定的。在GPS星历表参数中，不指定真实异常，而是指定平均值异常(从中可以找到真实异常)。表20- 4 . gps - 200l[1]指定涉及平均异常和真异常的算法。

椭圆的偏心率也决定了轨道。偏心率是椭圆轨道与圆形轨道的偏差的量度。

该命令显示与CNAV数据相关的CEI数据集属性。

cnavConfig。CEIDataSet

ans = HelperGPSCEIConfig属性:SignalHealth: x1双[3]WeekNumber: 2149 GroupDelayDifferential: 0 SVClockCorrectionCoefficients: x1双[3]ReferenceTimeOfClock: 0 SemiMajorAxisLength: 26560 ChangeRateInSemiMajorAxis: 0 MeanMotionDifference: 0 RateOfMeanMotionDifference: 0离心率:0.0200 MeanAnomaly: 0 ReferenceTimeOfEphemeris: 0 HarmonicCorrectionTerms: x1双[6]IntegrityStatusFlag: 0 ArgumentOfPerigee: -0.5200 RateOfRightAscension: 0 LongitudeOfAscendingNode:-0.8400倾斜:0.3000倾斜率:0 URAEDID: 0 InterSignalCorrection: [4x1 double] ReferenceTimeCEIPropagation: 0 ReferenceWeekNumberCEIPropagation: 101 URANEDID: [3x1 double] AlertFlag: 0

LNAV数据也有一组类似的属性。创建配置对象用于存储LNAV数据。

lnavConfig = HelperGPSNavigationConfig(“数据类型”，“LNAV”，“PRNID”PRNID)

lnavConfig = HelperGPSNavigationConfig with properties: DataType: "LNAV" PRNID: 1 FrameIndices:[1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16…]导语:139 TLMMessage: 0 HOWTOW: 1 AntiSpoofFlag: 0 CodesOnL2: "P-code" L2PDataFlag: 0 CEIDataSet: [1x1 HelperGPSCEIConfig] AgeOfDataOffset: 0 NMCTAvailabilityIndicator: 0 NMCTERD: [30x1 double] AlmanacFileName: "gpsAlmanac.txt"电离层:[1x1 struct] UTC: [1x1 struct] TextMessage: '此内容是卫星通信Toolbox的一部分'

与CNAV数据类似，LNAV数据具有与CNAV不同的CEI数据属性。该命令显示LNAV CEI数据属性。

lnavConfig。CEIDataSet

ans = HelperGPSCEIConfig属性:SVHealth: 0 IssueOfDataClock: 0 URAID: 0 WeekNumber: 2149 GroupDelayDifferential: 0 SVClockCorrectionCoefficients: x1双[3]ReferenceTimeOfClock: 0 SemiMajorAxisLength: 26560 MeanMotionDifference: 0 FitIntervalFlag: 0离心率:0.0200 MeanAnomaly: 0 ReferenceTimeOfEphemeris: 0 HarmonicCorrectionTerms: x1双[6]IssueOfDataEphemeris: 0 IntegrityStatusFlag: 0 ArgumentOfPerigee: -0.5200 RateOfRightAscension: 0 LongitudeOfAscendingNode:-0.8400倾角:0.3000倾斜率:0 AlertFlag: 0

GPS信号产生

要在基带上生成GPS信号，请遵循以下步骤。

以每秒50位的速度生成导航数据位。
根据配置生成C/ a -code、P-code、L2 CM-/L2 CL-code或组合。
散布CNAV或LNAV数据位与适当的测距码。
通过速率匹配每个分支中的代码来收集同相分支和四相分支的数据。
将两个分支上的位映射为位0到+1，位1到-1。
(可选)将此基带波形写入文件(取决于WriteWaveformToFile属性值)。

根据配置，生成CNAV数据。

cnavData = HelperGPSNAVDataEncode(cnavConfig);

通过卷积编码器传递CNAV数据。

初始化卷积编码器的网格格子= poly2trellis(7，{“1 + x + x ^ 2 + x ^ 3 + x ^ 6的，“1 + x ^ 2 + x ^ 3 + x ^ 5 + x ^ 6的});cenc = com . convolutionalencoder (“TrellisStructure”格子,.．.“TerminationMethod”，“连续”）;encodedCNAVData = cenc(cnavData);

根据配置，生成LNAV数据。

lnavData = HelperGPSNAVDataEncode(lnavConfig);

指定波形生成所需的所有属性。

CLCodeResetIdx = 75;% CL-code在重置前跨越75个数据位numBBSamplesPerDataBit = 204600;CLCodeIdx = mod(NavDataBitStartIndex-1,CLCodeResetIdx);IQContent = [IBranchContent,QBranchContent];pgen = gpsPCode(“PRNID”PRNID,“InitialTime”，.．.lnavConfig.CEIDataSet.ReferenceTimeOfEphemeris,.．.“OutputCodeLength”, numBBSamplesPerDataBit);为速度预初始化基带波形gpsbb波形=零(numBBSamplesPerDataBit*NumNavDataBits,1);

创建一个写入波形的文件。

如果WriteWaveformToFile == 1 bbWriter = com . basebandfilewriter (“Waveform.bb”10.23 e6 0);结束

在一个循环中独立地处理每个导航数据位。

为iDataBit = 1:NumNavDataBits dataBitIdx = iDataBit+NavDataBitStartIndex-1;bbsamplesindexes = ((iDataBit-1)*numBBSamplesPerDataBit+1):.．.(iDataBit * numBBSamplesPerDataBit);gpsbb波形(bbSamplesIndices) = helpergpsbaseband波形(IQContent,pgen,PRNID，.．.CLCodeIdx lnavData (dataBitIdx), encodedCNAVData (dataBitIdx));CLCodeIdx = mod(CLCodeIdx+1,CLCodeResetIdx);如果WriteWaveformToFile == 1 bbWriter(gpsbb波形(bbSamplesIndices));结束结束

如果打开该文件，则关闭该文件。

如果WriteWaveformToFile == 1 release(bbWriter);结束

信号的可视化

绘制C/ a代码的自相关图，并可视化GPS信号的频谱。

如果ShowVisualizations

测距码序列的自相关系数除延迟为零外均接近于零，而两个不同序列的相互相关系数则接近于零。由于C/ a码是周期为1023位的周期，自相关在每1023位的延迟有一个峰值。计算并绘制GPS扩频码的自相关。

因为p码比C/ a码或L2 CM-/L2 cl码快10倍，%初始化下采样因子为10downsampleFactor = 10;IBranchData = real(gpsbb波形);QBranchData = imag(gpsbb波形(1:downsampleFactor:end));滞后= (-1023:1023).';情节(滞后,xcorr(真实(QBranchData(1:1023)), 1023))网格在包含(“延误样本数目”) ylabel (的自相关值)标题(GPS扩频码的自相关）

比较同相支路和正交支路信号的功率谱密度。这个频谱图表明，当使用p码时，p码更宽。

repeatFactor = 40;重复生成的C/ a码BPSK信号，查看相邻波段频谱QBranchUpsampled = repmat(QBranchData(:).'，repeatFactor,1);QBranchUpsampled = QBranchUpsampled(:);重复生成的同相组件BPSK信号，查看%相邻波段谱。少重复10次同相分支样本%，因为四相分支中的每个样本对应于同相分支中的10个样本IBranchUpsampled = repmat(IBranchData(:).'，repeatFactor/10,1);IBranchUpsampled = real(IBranchUpsampled(:)));iqScope = dsp。简介(“SampleRate”1.023 e6 * repeatFactor,.．.“PlotAsTwoSidedSpectrum”,真的,.．.“SpectrumType”，的功率密度，.．.“AveragingMethod”，“指数”，.．.“SpectrumUnits”，“瓦分贝”，.．.“YLimits”(-130、-50),“标题”，.．.GPS基带I和Q信号功率谱密度的比较，.．.“ShowLegend”,真的,“ChannelNames”，.．.{(带有内容的q分支频谱char (QBranchContent)),.．.［“i -分支频谱与内容:”char (IBranchContent)]});iqScope ([QBranchUpsampled IBranchUpsampled]);

绘制基带处的信号功率谱密度。要观察GPS信号的相邻波段频谱，请在基带处重复信号。

repeatFactor = 4;重复生成的BPSK信号，查看相邻波段频谱updata = repmat(gpsbb波形(:).'，repeatFactor,1);Updata = Updata (:);Bbscope = dsp。简介(“SampleRate”, 10 * 1.023 * repeatFactor e6,.．.“PlotAsTwoSidedSpectrum”,真的,.．.“SpectrumType”，的功率密度，.．.“AveragingMethod”，“指数”，.．.“SpectrumUnits”，“瓦分贝”，.．.“YLimits”(-120、-50),.．.“标题”，“复杂基带GPS信号功率谱密度”）;bbscope (updata);结束

图中包含一个轴对象。标题为“GPS扩频码的自相关”的坐标轴对象包含一个类型为line的对象。

进一步的探索

本例使用配置对象生成GPS数据位和基带中的导航信号。您可以替换此配置对象中的属性值，并观察GPS数据是如何生成的。您还可以使用现有的真实数据集更改星历表参数，并将这些参数传递到CEI数据集。此外，您还可以指定自己的年鉴文件。如果您正在使用自己的年历文件，则年历文件中的周数必须与配置对象中的周数匹配。

此外，本例展示了如何生成GPS基带波形，通过在同相分支上乘以余弦信号和在正交分支上乘以正弦信号，可以将其扩展为从基带波形生成中频(IF)波形。

此外，本例还展示了如何从一颗卫星生成GPS波形，该波形可以与多个卫星PRN代码结合以获得集成信号。