IRNSS标准定位信号的PRN码生成与性能仿真分析

工程科学与技术，国际期刊19（2016）1381全长文章IRNSS标准定位信号A.R. Yashaswinia，P.Siva Ningyra Reddyb，*，G.N.科万达·拉迈亚baM.Tech（嵌入式系统），Kuppam Engineering College，Kuppam，Andhra Pradesh 517425，印度b印度安得拉邦Kuppam Kuppam工程学院欧洲经委会系，邮编517425A R T I C L E I N F O A B S T R A C T文章历史记录：2015年11月22日收到2016年1月4日接受2016年4月20日在线发布关键词：IRNSSCDMAPRN码相关FPGA硬件ISE模拟器印度区域导航卫星系统（IRNSS）卫星提供的两种服务是标准定位服务（SPS）和限制服务（RS）。这两项服务将在L5（1164.5 MHz）和S（2472.5 MHz）频段的两个频率上提供用作SPS的一部分的码序列是伪测距噪声（PRN）码。它们利用黄金码在SPS下行链路中进行导航数据传输PRN序列码是次级码，而Gold码是初级码。全球定位系统的大部分工作在码分多址（CDMA）上，其中系统需要伪本文从导航系统的角度研究了伪随机码的产生和性质。本文还介绍了PRN码在Spartan-II FPGA硬件上的设计与实现从硬件上验证了生成的SPS伪随机码的结果，并对伪随机码的性能进行了验证。本文还对伪随机码序列的自相关函数（ACF）和互相关函数（CCF）特性进行了仿真分析。利用Xilinx ISE测试系统和MATLAB软件对SPS伪随机噪声码进行了仿真模拟测试结果在理论限值范围内© 2016 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CC下的开放获取文章BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍导航就是精确地确定自己的位置，规划和遵循航线.它同样专注于监测和控制车辆从一个地方开始然后到下一个地方的移动IRNSS（印度区域导航卫星系统）是ISRO建立独立卫星导航系统的动力，该系统将通过GEO和GSO卫星星座提供自治的地理空间定位，并在印度政府的总体控制下进行区域生成。这种导航系统的需求是由这样一个事实驱动的，即在敌对环境下无法保证访问全球导航卫星系统GPS。其动机是设计和创建在印度政府控制下的土著，独立的导航系统，满足不同的需求，并为客户提供准确的位置，导航和时间（PNT），精确度为20 mtrs由于GPS是非民用的，而且受各国军事政府的控制*通讯作者。联系电话：+919030333346。电子邮件地址：sivanagendra@kec.ac.in（P. 湿婆女神雷迪）。由Karabuk大学负责进行同行审查。并且具有IRNSS的优势，IRNSS在印度政府的控制之下。在这个项目中，我们正在产生IRNSS SPS信号，这是一个调制的BPSK信号，本地载波频率为70 MHz。它是由IRNSS生成的导航数据和IRNSS生成的PRN码进行异或运算得到的。卫星在传输导航数据时出现的问题是不可预见的因此，早些时候，我们创建了一个IRNSS SPS信号与ISRO产生的PRN代码合并，以检查从卫星获取的信息是否正确。该信号在MATLAB和ISE仿真器中进行仿真，利用Xilinx实现相同的FPGA套件。新的民用信号是现代化的初始化。 这些新信号是无数据信道、改进的导航数据报文格式、码结构和新调制方案的关键创新。本文主要研究了IRNSS中二次扩频码的选择和分析[1]。 本文对GPS空间段和控制段进行了综合研究。介绍了GPS业务的特点，即SPS测距信号特征 本文还阐述了GPS SPS标准定位系统及其实现的定时、C/A码生成、卫星跟踪、频率规划GPS、导航电文格式和技术问题[2]。本文还对伪随机码在Virtex-2 P FPGA硬件上的设计与实现进行了指导。产生的结果，http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2016.01.0052215-0986/©2016 Karabuk University. 出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。出版社：Karabuk University，PressUnit ISSN （印刷版）：1302-0056 ISSN（在线）：2215-0986 ISSN（电子邮件）：1308-2043主 办可 在 www.sciencedirect.com上 在 线ScienceDirect可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：http://www.elsevier.com/locate/jestch小行星1382Yashaswini等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）13811389通过仿真结果验证了硬件设计的正确性，并对伪随机码的性能进行了分析。本文总结了伪随机码的性质产生以及伪随机码在MATLAB、Xilinx ISE和Vertex-2 P FPGA硬件环境下的设计与实现。 用仿真结果验证了硬件产生的结果，并分析了PRN码的性质[3]。本文介绍了基于FPGA的Xilinx系统发生器9.2的GPS信号的产生频带L1主要用于商业民用航空和其它目的。一旦在模拟实验室环境中产生GPS信号，我们就可以测试多通道GPS接收机的正常工作，这是本项目的一个扩展，在我们获得准确的实验室结果后用于硬件实现的板是Lyrtech SFR-SDR板，它有三个功能层。 数字处理层、ADAC主3层和RF层的传输和接收能力为1 GHz;这将导致开发使用重新配置的本地数字GPS信号发生器[4]。扩频通信的正确概念是它占用更高的带宽，因此功率谱密度更低[5]。扩频是通过将数据信号与CDMA相结合来完成的，这与所发送的数据消息无关。 扩频信号被有意地制成比携带噪声的信息宽得多的频带[5]。扩展频谱信号使用运行许多倍的数据速率的快速代码;这些代码将具有比原始信息高得多的信息这样做是因为实际的数据定时仍然相同，但是具有正在使用的更小的比特持续时间代码这些只是伪随机，因为它们不是真正的高斯噪声，而是随机的。原始的源代码信号时序保持不变[6]。1.1.码选择计算在BPSK传输中，数据传输容量是码片速率的直接容量 码冗余率仅由R =时钟速率（码片/秒）/码长（码片）给出。该再生速率决定RF输出范围中的线间距这是系统设计中的一个重要思想另一个重要的标准是代码的时间必须是可观的。表1时钟频率（波长=1 nmi）=c/R= 2.997926× 108/ 1.852× 103= 161，875 Hz。在代码生成中最严重的问题如下：（1）发现反馈逻辑，给出所需的代码长度，以及（2）检查代码1，序列生成已经建立，以保证它正常工作。表的输入反馈相关性和不可约的多项式已经创建。1.2.流行代码1.2.1.PN序列伪随机噪声（PN）序列是1和0的级数，其不具有任何确定的模式，并且包括将在其周期之后发生抖动的确定性脉冲序列，其是最极端长度的序列。在一个合法的随机序列中，位模式永远不会散列。伪随机二进制序列是一种半随机序列，因为它在序列长度上是任意的，满足随机性的要求，但整个序列的随机性是不确定的。PN序列生成通常是一个线性反馈移位寄存器（LFSR）。它创建长度N= 2n- 1个分量的最大长度序列鉴于它们的大的自相关性，两个可比较的PN序列可以没有太多的延伸被分级同步，当其中一个被噪声降低时，不存在。1.2.2.Gold序列Gold序列是由一对具有相同定时的m序列的异或产生的它们具有非常多的特征化的互相关特性，并且预期仅仅简单的硬件就可以创建大量的一种代码。Gold码序列是由具有相同定时和相同长度的m序列的优选对的异或产生的[1，4]。在长度为L= 2n− 1的黄金序列中，使用两个LFSR[7]，每个LFSR的长度为2n− 1。在适当选择线性反馈移位寄存器（LFSR）的情况下，黄金序列具有更好的互相关特性[8]。黄金码的好处是产生更大数量的代码大小。Gold和Kasami证明，对于某些精心挑选的m序列，交叉关系只需要三个可能的值，具体来说是{−1，−t（n）ort（n）−2}。码之间的互相关是均匀的和有限的。记录1-Mcps码片速率的不同码长。码速率和码长的选择决定了冗余度n12019年月22日n= 2对于n个奇数，t<1 <$22对于n个偶数（一）测距 用作立即序列系统的一部分的代码应该针对冗余率和长度进行平衡，使得干扰不会进入解调器，特别是在干扰条件下。一个代码必须是合法的决定，以提高决心和直截了当的范围解决问题。所选择的码片速率是可用于量化距离的码平衡的必要数量。161，875 Hz的时钟速率以与RF符号传播速率完全相同的速率产生代码真空中光速c= 2.997926× 108米/秒，1海里=1.852× 103米，表1黄金密码序列移位寄存器Gold码大小阶段（n）M= 2n+110 102512 409713 819315 32 769这里，t（n）仅取决于所使用的LFSR的长度。事实是，对于具有“n”个存储器组件的LFSR码长随移位寄存器相位数的增加而增加1.2.3.Kasami码Kasami码在3G远程计划中有主流用途它们可以被称为（1）大Kasami集或（2）小Kasami集。小Kasami集的族估计为（M）=2n/2，周期=N= 2n− 1。它们的最大交叉关系为2n/2− 1。大Kasami集包含Gold序列和Kasami序列的小序列作为子集。它的周期是N= 2n− 1。最大的互相关是2（n+ 2）/2。2. PN序列的性质及其分析随机出现的“1”和“0”的比特流称为PN序列，具有一类性质。 该序列作为具有已知不规则性质的透视模式的来源，用于检查、优化和执行相应通道和系统的估计。IRNSS导航数据发生器XORIRNSSSPS信号BPSKUP调制器计数器IRNSS代码生成器本地载波IRNSS信号产生70 MHZ中频IRNSS接收器xyk0A.R. Yashaswini等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）138113891383表2对L5、S波段7颗卫星的平衡性能进行了分析。表3中所示的所有7颗卫星的L5波段和S波段的自相关性[9]均已进行了研究。2.3. 相关特性相关性是两个序列之间的接近程度。‘Cross- correlation’在数值上，两个序列x（k）和y（k）之间的相关性作为周期的分量延迟m被传送作为2.1. 平衡性R1xm（三）每次创建最极端长度的序列时，1的数量总是比0的数量多17颗卫星的平衡性能如表2所示。作为相关方程的关系比较的数字化比特序列可以以这种方式构成为：一个整数的集合数2.2. 自相关特性拉姆·阿格玛总位数（四）长度为N的任何PN序列的自相关函数r（i）由下式给出：这三个属性使得PN序列对于话语/语音加密是有效的。特别是由于第三个支柱，邻接位关系变得更少，ri ⎧1为 0（二）从而使得PN序列更强制地被UTI-1，作为CDMA系统的一部分因此，有用的PN1for iN1中国序列必须具有很大的自相关性和互相关性，并且还必须保持某些随机性。表3对L5、S波段7颗卫星的自相关特性进行了分析。卫星编号L5波段最大值最小值s波段最大值最小值100011010110.0723-0.0851001011000.0771-0.0752210001101000.083-0.072310001100010.0713-0.0889300000101000.0742-0.072300100011100.0859-0.0752411101001110.082-0.073200111011110.07620.0791501011100100.0859-0.078100101010110.083-0.0859600001001100.0781-0.077101011111010.0762-0.0762711101100000.0723-0.073210100100010.0811-0.0791SPS信号Fig. 1. PRN代码生成框图。倾斜卫星编号L5波段号的一的号的零s波段号的一的号的零32.510001101011480543010010110051351083210001101005135101000110001512511131.530000010100513510001000111051351055411101001115125110011101111480543111.7550101110010513510001010101151251155600001001105454780101111101512511111.75711101100005135101010010001512511小行星1384Yashaswini等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）138113892.4. 韦尔奇界限为任何潜在的应用程序设计增强的代码基本上是不可想象的;利用代码驱动的度量更合适。这就是为什么Welch界最近作为评估PRN码的合适指标而获得重要性的动机Welch界是对于M个码的序列内部的给定码长L可以获得的交叉关系的最大估计的假设最小值[3]。序列长度为（N，K）的K个序列的序列的Welch界被刻画为表4对L5、S波段7颗卫星的互相关特性进行了分析。带内互相关最大值（五）已经研究了所有7颗卫星的带内和带外的互相关，并且已经获得了最极端的最小值，并在表4中列出。当N> K（K+ 1）=2时，对于真正的情况，这样的界限不再是可实现的请注意，在下文中，我们可能会在这里和那里使用0和1以及作为不同情况下的+1和-1的一部分的双重序列正确的映射是0映射到+1，1映射到-1。3. 用于SPS PRN码生成的建议架构对于基于卫星的导航系统，PRN代码生成[11]的建议架构如图所示。1.一、由于每个标志所对应的设备方式不同，在各个载频上传输的导航信号是不完全同步的。每个卫星的导航信息都包含描述时间倾向的参数。客户受益人使用这些参数来处理每个观察的时钟校正。考虑GPS中基于卫星的路线的PRN码生成[12]的说明对于标准定位服务（SPS），GPS信号包括与C/A码混合的50 bps的导航数据流，其利用1575.42 MHz（L波段）的载波频率进行平衡C/A码片速率为1.023 MHz，码时间为1.023 ms，用PN序列扩频后的比特可以表示为NRZ格式，然后利用该因此，GPS-SPS符号的第i颗卫星可以表示为带外互相关波段和卫星数最大最小L5波段卫星1至所有S波段卫星0.0742 −0.07420.0771 −0.07810.0801 - 0.08110.082 −0.07910.0781 −0.0850.0713 −0.083L5波段卫星2至所有S波段卫星0.085 −0.08590.0723 −0.08890.0801 - 0.08110.0811 −0.07320.0859 −0.07320.0781 −0.0732L5波段卫星3至所有S波段卫星0.0723 −0.0830.0752 −0.07810.0752 −0.0830.0928 −0.07910.0713 −0.07710.0703 - 0.0762我GPS、SPS你好，我是说你好，我是说你好（六）其中A为载波频率; Ci（t）为第i颗卫星的C/A码; Di（t）为第i颗卫星的导航信息; ωc为频率为1575.42 MHz的L1载波。总共使用了两个长度为2n− 1的最大长度序列，取它们的模2值来构建一个Gold码;需要两个序列以匹配的方式相互识别。对金码假说的简要阐述超出了本文的范围Spilker（1996）[13]的附录中有一个很好的概要。C/A码被认为是利用[14]产生的多项式G1和G2开发的一对最大长度序列，其中G1和G2由下式给出：0.085 −0.07810.0742 −0.08110.0869 −0.08890.0781 −0.0811L5波段卫星6至所有S波段卫星0.0781 −0.0840.0713 −0.0791G1X10 X3 1粤ICP备号-1（七）（八）0.0791 −0.07810.0898 −0.0703G1序列的模2整体和G2序列的延迟变体给出了具有每个卫星号的黄金码，该卫星号指定了数量的交替延迟量。以来0.0791 −0.09770.0281 −0.08590.0908 - 0.0771NKK卫星编号L5波段s波段最大最小最大最小1和20.0801-0.08590.0791-0.07911和30.0801-0.07620.084-0.0841和40.0908-0.08010.0742-0.07421和50.0762-0.07710.082-0.0821和60.0791-0.08110.0732-0.07321和70.082-0.08690.0781-0.07812和30.08980.07910.081-0.0832和40.07810.07320.0908-0.08982和50.07620.0820.0771-0.08012和60.08690.08590.0781-0.0832和70.08110.08690.0752-0.0823和40.07710.07710.0859-0.08113和50.09080.07420.0723-0.07713和60.07520.08010.0801-0.0833和70.07620.07910.0791-0.07814和50.07810.08110.0791-0.07624和60.07710.07710.0791-0.08114和70.07810.08110.084-0.0825和60.08010.0850.0771-0.0855和70.07810.07520.0752-0.0826和70.0840.07520.0771-0.0771SL5波段卫星4至S波段所有卫星0.082-0.07520.0801-0.08010.0801-0.08590.0879-0.07910.0713-0.0840.0723-0.07810.0928-0.0947L5波段卫星5至S波段所有卫星0.0821-0.08010.0742-0.07520.0801-0.07910.0801-0.07620.0791-0.0840.0898-0.08980.0752-0.084L5波段卫星7至S波段所有卫星0.0771-0.0830.0801-0.0723（A.R. Yashaswini等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）138113891385有1024个唯一的代码序列，只有513个代码是调整后的代码，其中1和0的数量变化1;调整后的代码序列是通过将代码指定给特定的卫星来获得的。 在产生1023个伪随机二进制码片之后，G1和G2发生器将被重置为1。由于GPS，以这种方式包括10位G2寄存器的两个不同抽头，允许创建45个通常使用的替代方法是重置G2寄存器的预定义介绍估计而不是1，或者包含可编程延迟，延迟G2重置，直到序列中预定义数量的芯片已经通过。这些例程的好处是，它们不仅允许所有必须生成的1023个代码，而且还使使用更加直接和简单。所有7颗卫星都具有混合的代码级分配包以创建伪随机噪声代码[15]。不同性质执行并确认第3节中创建的PN序列中规定的所有参数 检查所有七颗卫星的平衡特性。自相关和交叉关系quality获得的创建PRN代码与产生的波形说话。4. 仿真结果和分析已经使用三种不同的语言来分析SPS PRN码波形 [16]，其中MATLAB结果展示了产生的BPSK波形，Verilog结果指示1024 SPSPRN二进制波形，并且完成了在SPARTAN- II（pq 208）FPGA单元上执行的VHDL代码利用MATLAB和Xilinx ISE仿真，实现了伪随机码的生成和检验.所有MATLAB、VHDL和（图二. （a）卫星-1号L 5波段获得的BPSK信号;（b）19兆赫正弦波。（（1386A.R. Yashaswini等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）13811389Verilog代码已被用于PRN代码生成。有关结果载于下表。图2a示出了通过对导航数据和所生成的SPS PRN码进行异或运算而获得的BPSK调制信号，然后如图2b所示，SPS PRN码与19 MHz的载波信号相乘以获得CDMA信号。图图3a和图3b展示了具有自相关特性的PRN码的1023个码片的生 成 。 从 图 中 可 以 清 楚 地 看 出 ， 自 相 关 峰 值 是 在MATLABSimulink软件中以限定的码片速率获得的。图图4a-d示出了PRN码的两个1023码片的生成及其互相关。根据定义，PRN码不是完全正交的，而是半正交的。该分量在互相关图中清楚地显示，该图显示了整个码片范围内的不同峰值。图5示出了通过在移位寄存器中分别对G1和G2的初始值进行这1023位对于G2移位寄存器的初始条件是不同的，这取决于卫星号和频带。图6示出了用于L5频带卫星-1的PRN代码的生成。图中的“chip”显示了10个只有当各自的计数输入提供了与复位输入和时钟输入埃德一起获得输出使用复位输入高活性。图3.第三章。（a）L5波段，卫星-1;（b）S波段，卫星-1。5. 硬件实现结果Xilinx SPARTAN-II FPGA单元作为硬件设备的一部分用于PRN码图7展示了Spartan-2套件的放大透视图，该套件已作为本项目的一部分用于硬件执行。（（图四、（a）L5和S波段，卫星-1;（b）L5波段-卫星-1和S波段-卫星-2;（c）L5波段，卫星-1和卫星-2;（d）S波段卫星-1和卫星-2。（（A.R. Yashaswini等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）138113891387图五、所获得的1023 SPS PRN数据序列用于L5波段，卫星-1。图六、卫星-1号L5波段伪随机码的生成。小行星1388Yashaswini等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）13811389见图7。 斯巴达-2 FPGA单元。时钟来自FPGA套件的内部主时钟在FPGA套件上的32个DIP开关中，一个按钮用作复位输入（每当DIP为高时，时钟开始，可以看到输出LED引脚上的输出在32个LED中，LED-8用于显示生成的PRN数据，LED-9用于显示每个输出变化的时钟延迟。图 8证明了显而易见的是，编程文档已经成功。重要的用户约束文件（UCF）可以从Spartan-2 FPGA单元的用户手册中访问。图8展示了在硬件设备上获取输出的一个过程（编程文件的 图图9a和图9b演示了FPGA套件中PRN代码的生成。见图8。 在PC上编程文件的结果成功。A.R. Yashaswini等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）138113891389见图9。 （a，b）分别在硬件上获得逻辑1和0输出。6. 结论本文研究了印度区域导航卫星系统标准位置信号PRN码的产生和性能本文中出现的每个表中分别展示了所研究的属性的结果 本文介绍了伪随机码的概况及其在MATLAB、Xilinx 9.1i、ISE仿真器和Sparton-2 FPGA硬件环境下的使用方法。在实际应用中，从硬件设备上进行生成，取得了很好的效果，并得到了仿真结果的验证。确认这项工作是在班加罗尔（印度）印度空间研究组织（印度空间研究组织）的支持下进行的，作者对此表示非常感谢。引用[1] A. Mulla，J.Baviskar，A.Baviskar，A.Bhovad，GPS辅助导航和跟踪标准定位服 务 ： 审 查 & 实 施 情 况 。 国 际 普适 计 算 会议（ ICPC ） ， 978-1-4799-6272-3/15，IEEE，2015。[2] M. Karthick ， K. Supriya ， IRNSS 和 GAGAN 应 用 的 多 频 带 分 形 天 线 设 计 。ICIIECS'15 ， pp. 1-4 ， I S B N ： 9 7 8 - 1 - 4 7 9 9 - 6 8 1 7 - 6 ， I E E E ，2 0 1 5 。[3] K.S. 拉朱湾，巴西-地Pratap，P.B.Prasad，L1波段数字GPS信号发生器，信号图像处理3（6）（2012）。[4] R.C. Dixon，Spread Spectrum System，第2版， John Wiley and Sons，NewYork，1984，pp. 155比157[5] O.M. Sajichandrachood，D.Mehta，M.Soni，A.P.Shukla，M.H.Raval，印度区域导航卫星系统使用的二次短同步码的生成和分析，12月18日至20日，pp.1-4，E-ISBN：978-1-4244-4859-3，印刷版ISBN：978-1-4244-4858-6，IEEE，2009。[6] F. 艾哈迈德岛Sadat，M.S.Hussain，S.I.陈文生，直接序列扩频系统中伪噪声序列的实现、仿真[7] S.K. 尚 穆 甘 角 Mongredien ， J. Nielsen ， G. Lachapelle ， Design ofshortsynchronizationcodes for use in future GNSS system，Int. J. 导航OBS.（2008），Hindawi Publishing Corporation，Article ID246703.[8] K. Borre，D.Akos，N.Bertelsen，P.Rinder，S.Jensen，软件定义的GPS和伽利略接收机：单频方法，在：应用和数值谐波分析，第1版，Birkhäuser VerlagGmbH，马萨诸塞州波士顿，2007年。[9] F. Macchi，L1组合GPS-伽利略软件接收机的开发和测试，卡尔加里，AL，2010年。[10] 教授博士- Ing. H. 奈，纳特医生。R. Schluter演讲，语音和图像信号的数字处理。亚琛工业大学，WS 2006/7。[11] D. Borio，GNSS信号采集的统计理论（博士）都灵理工大学，2008年。[12] P.N. Ravichandran，S.Kulkarni，H.S.Vasudevamurthy，M.陈文，等，对地静止卫星伪距噪声码及其多普勒效应的分析与仿真，北京：科学技术出版社，2001。03（03）（2012）。[13] B.W. Parkinson，J.J. Spilker，GPS理论和应用，第一卷，美国航空航天研究所，Washington，1996，pp.81比114[14] S. Haykin，《通信系统》，第4版，John Wiley Sons，2001年。[15] Z.M. Kassas，J. Bhatti，T. E. Humphreys，GPS软件定义接收机实现的图形方法。Global_SIP_2013_SDR。[16] G. Hamza，A.泽克里岛Motawie，Implementation of a complete GPS receiverusingSimulink，IEEE Circuits Syst.Mag.9（4）（2009）43-51.