Facultatea de Electronică, Telecomunicații și Tehnologia Informației, UPB

PROIECT TRDAD

Localizarea prin satelit: sistemul Galileo(Generarea semnalului Galileo)

Buicescu CristinaDumitriu Ionuț-Mădălin

CMob

2015

Cuprins

1. Introducere...........................................................................................2

2. Binary Offset Carrier (BOC)...............................................................4

3. AltBoc ( Alternate BOC).....................................................................5

4. Rezultatele simulărilor.........................................................................6

5. Bibliografie........................................................................................22

Localizarea prin satelit: sistemul Galileo(Generarea semnalului Galileo)

1. Introducere

Galileo este un sistem de navigație prin satelit construit în prezent de către Uniunea Europeană (UE) și Agenția Spațială Europeană (ESA). Unul dintre obiectivele acestui program este de a oferi un sistem de poziționare de înaltă precizie, garantată, pe care națiunile europene să se poată baza, fiind independent de sistemul rusesc GLONASS, sistemul GPS al SUA, și sistemul chinezesc Compass, care pot fi dezactivate în timp de război sau alte conflicte.

În anul 1999, conceptele a patru state: Franța, Anglia, Italia și Germania au fost comparate și însumate într-unul singur astfel încât un grup de ingineri din cele patru state au început dezvoltarea proiectului Galileo.

Prima etapă a programului Galileo a început pe 26 mai 2003, când Uniunea Europeană a încheiat un acord cu Agenția Spațială Europeană, urmând ca mai apoi, în anul 2006, să se înceapă implementarea sistemului la scară largă, oferind servicii de poziționare prin satelit pentru societatea civilă.

Primii sateliți experimentali, GIOVE-A (Galileo In-Orbit Validation Element) și GIOVE-B au fost lansați în 2008.

Pe data de 21 octombrie 2011, primii doi sateliți operaționali au fost lansați pentru a valida sistemul. Următorii doi au urmat la data de 12 octombrie 2012, ceea ce permite în prezent testarea completă a serviciilor sistemului. După ce faza de validare pe orbită (IOV- In-Orbit Validation) va fi finalizată, vor fi lansați ceilalți sateliți pentru a ajunge la un sistem funcțional către mijlocul deceniului. Sistemul complet de 30 de sateliți (27 operaționali + 3 de rezervă) se estimează a fi realizat până în 2019.

Serviciile de navigație de bază vor fi gratuite. Galileo este destinat să furnizeze măsurători de poziție, orizontale și verticale, cu precizie mai bună de 1 m, precum și servicii mai bune de poziționare la latitudini mari decât alte sisteme de poziționare. Ca o facilitate suplimentară, Galileo va oferi o funcție unică de căutare și intervenție (SAR – Search and Rescue). Sateliții vor fi echipați cu trans pondere care vor transmite semnale de alertă de la emițătorul utilizatorului la centrul de urgență, care va iniția apoi operațiunea de salvare. În același timp, sistemul va oferi un semnal pentru utilizator, informându-l că situația a fost detectată și că ajutorul este pe drum. Această caracteristică este nouă și considerată o îmbunătățire majoră față de sistemele GPS sau GLONASS, care nu oferă feedback utilizatorului. Utilizarea de servicii de bază (cu precizie scăzută), va fi gratuită și disponibilă tuturor. Capacitățile de înaltă precizie vor fi disponibile pentru utilizatorii comerciali (contra cost) și pentru uz militar.

Sistemul Galileo implementat complet este format din 30 de sateliți în 3 planuri circulare MEO (Medium Earth Orbit) la 23.222 km altitudine deasupra Pământului, și o înclinare a planurilor orbitale la 56 grade față de ecuator.

Sateliții sunt controlați și comandați de la GCS (Galileo Ground Control Segment) prin stațiile de la sol din Banda S. Serviciul de navigație Galileo este obținut prin transmisiile de la fiecare satelit al semnalelor în Banda L cuprinzând informațiile de timp, cu informația de timp inclusă în mesajul general (acesta conține și informații adiționale despre sateliți, constelația globală și integritatea serviciului). GMS (Galileo Ground Mission Segment) determină partea de navigație, sincronizare, integritate a datelor a mesajului de navigație pe care îl transmite Satelitului prin stațiile de Banda C. Constelația satelitului va fi controlată de GCS și suportată de o rețea globală de stații TT&C (Telemetry and Telecommand) in Banda S.

Interfața radio dintre spațiul și segmentele de utilizator este compusă din trei semnale CDMA independente numite E5, E6 și E1-L1, și sunt transmise in permanență de toți sateliții Galileo. Semnalul E5 este subdivizat in doua semnale E5a si E5b.

Fig 1. Banda Galileo și GPS

Frecvențele utilizate de sateliți sunt între 1.1-1.6 GHz bandă de frecvențe ce se potrivește navigației mobile și serviciilor de comunicații.

În Figura 2 putem observa diferitele semnale folosite în Galileo. Ele sunt compuse din componente în fază și componente în cuadratură. Prima bandă pe care o vedem este E5 și aceste semnale sunt modulate si multiplexate prin tehnica AltBOC(15,10) (BOC – Binary Offset Carrier, AltBOC – Alternate BOC). Următoarea banda este E6 și semnalele din această bandă sunt modulate BPSK(5) și BOCcos(10,5) (BOCcos – BOC cu subpurtătoare cosinus). Îm cele din urmă este banda L1 ce poate fi subdivizată in E2-L1-E1. Aici modulațiile sunt CBOC(6,1,1/11) (CBOC – composite BOC) și BOCcos(15,2.5).

Fig. 2. Semnalele Galileo

2. Binary Offset Carrier (BOC)

BOC descrie o clasa de modulație cu răspândire de spectru pentru noile generații de sisteme de navigație prin satelit. Strategiile de realizare a semnalelor BOC sunt focalizate pe proprietățile spectrale ale semnalelor. Noua generație GNSS și sistemul Galileo vor utiliza semnale BOC cu diferite frecvente suport și parametrii diferiți. Principalele motive pentru crearea semnalelor BOC au fost, nevoia de a îmbunătății tradiționalele semnale GNSS pentru a crește rezistența la interferențe multicale de toate tipurile și zgomotul de la receptor, și nevoia de împărțirea spectrală a lățimii de bandă cu semnalele existente sau viitoarele semnale de modulație care vor fii aplicate gradual benzii de comunicație. Modulația BOC oferă doi parametrii independenți: frecvența subpurtătoarei și rata de răspândire a codului. Acești doi parametrii oferă libertatea de a concentra puterea semnalului într-o anumită zonă a benzii alocate pentru a reduce interferențele cu recepția altor semnale. Rezultatul modulației subpurtătoarei este împărțirea spectrului BPSK în două componente simetrice fără a transmite putere pe frecvența purtătoarei. Rezultatul este un spectru împărțit simetric cu doi lobi principali mutat de la frecvența purtătoarei pe frecvența subpurtătoarei.

Recepționarea semnalului, redundanța în benzile laterale superioare și inferioare ale modulației BOC oferă avantaje practice în achiziționarea semnalului, codul de urmărire, urmărirea purtătoarei și demodularea datelor.

Modulația BOC oferă unele oportunități pentru variații in procesarea recepționării care pot oferii avantaje în implementare și performanță. Cea mai bună performanță a receptorului este obținută prin prelucrarea ambelor benzi coerent ca un singur semnal, nu numai pentru că energia semnalului este combinată coerent, ci și pentru forma spectrală a modularii.

Receptorul tratează modulația BOC ca și modulația PSK-R centrată la una din cele două frecvențe ale subpurtătoarei.

Semnalul BOC conține un set de secvențe de subpurtătoare și de date.În loc de a da un singur cod pentru fiecare semnal, rata de cip stabilește, de asemenea lățimea benzile

laterale ale acestei modulații, oferind astfel un lob mai mare cu atât mai mare este rata de cip.Subpurtătoarea este o formă de undă pătrat care vine de la aplicarea funcției semn pentru o funcție

sinus sau cosinus:

Scopul acestei subpurtătoare este de a aloca benzile laterale pe poziția corectă pe frecvența centrală.

3. AltBoc ( Alternate BOC)

Semnalele modulate AltBOC sunt una din cele mai promițătoare inovații ale sistemului Galileo. Caracteristicile inovative ale semnalelor AltBOC permit să prevadă performanțe nemaiîntâlnite pentru viitoarele receptoare, în prezența surselor de eroare tipice în GNSS.

Schema de modulație AltBOC va fi folosită de sateliții Galileo pentru a difuza semnale de navigație noi în banda E5 (1164-1215 MHz). Această schemă de modulație ne permite să obținem un semnal modulat cu anvelopă constantă și totodată poate fi considerată o tehnică de multiplexare. Canalele de date sunt transmise ca și componente în fază, iar canalele pilot ca și componente în cuadratură ale semnalului modulat. În consecință, un singur canal de date (echivalent cu un semnal BPSK) și un canal pilot (tot un semnal BPSK) vor fi transmise în fiecare bandă laterală.

Viitoarele receptoare Galileo vor putea să achiziționeze semnalele transmise de un satelit, alegând să recepționeze doar una din benzile laterale, sau chiar pe ambele (E5a și E5b) și să obțină astfel avantajul corelației cu până la 4 coduri. De fapt, un receptor va fi capabil să distingă 4 canale, deoarece fiecare satelit va folosi 4 coduri diferite PRN (pseudo-random noise) cvasi-ortogonale.De asemenea trebuie remarcat că proprietățile de corelație ale semnalelor modulate AltBOC depind de arhitectura receptorului. De fapt, există doua categorii folosite pentru recepționarea semnalelor E5: ca și BPSK sau AltBOC propriu-zis.

Cum arată figura , modulația AltBOC permite introducerea diferitelor canale pe aceeași subpurtătoare. Acest lucru este posibil pentru că se folosesc diferite tipuri de subpurtătoare. În acest caz, funcția subpurtătoarei este o exponențială complexă rectangulară care doar mută spectrulfrecvenței centrale sus sau jos (doar conjugata trebuie aplicată exponențialei complexe). Prin urmare, spectrul acestei subpurtătoare va fi delta deplasat cu f S Hz în sus sau jos, depinzând de semnul parții imaginare.

Totuși trebuie remarcat că cele patru canale Galileo din banda E5 sunt multiplexate de o versiune modificată a modulației AltBOC prezentată mai sus. AltBoc în sine, nu prezintă anvelopă constantă a semnalului daca în semnalul de interes se află canalele pilot. Prin urmare, procedura folosită pentru a obține o anvelopă constantă este să se adauge al doilea set de semnale canalelor de date și pilot, ceea ce va face semnalul constant în modul. Aceste semnale adăugate sunt produse de intermodulație ale celor patru canale, pierzându-se o mică parte a puterii utile.

4. Rezultatele simulărilor

Schema de modulației AltBC este utilizată la transmiterea semnalelor de navigație. Semnalele sunt modulate și multiplexate în AltBOC(15,10). SemnaleleAltBOCmodulatesunt unadintrecele maipromițătoareinovațiiale sistemuluiGalileo. AltBOC derivă dinfamiliamodulațiiBOC. De fapt AltBOC divizează spectrul de semnal modulat în doi lobi principali. În acest mod se utilizează o banda ca două benzi laterale separate transmise de patru canale diferite. Datele și canalele pilot au componente în fază și cuadratură, deoarece toate semnalele sunt in complex.

Fig. 3 Generarea semnalului E5

In figura de mai sus sunt arătate toate canalele care trebuie multiplexate in AltBOC. Canalele de date DE5a-1 și DE5b-1 va transmite la o rata de 50 de simboluri pe secunda și 250 sps.

Prin urmare, unsingurcanal de date(echivalentul unui semnalBPSK) și uncanal pilot(alt semnalBPSK) vor fi transmise înfiecare bandă laterală. SemnalulmodulatesteAltBOCapoiechivalentul adouămodulații QPSKseparate,plasateînjurulfrecvenței centrale.

Fig. 4 Constelația semnalului S5

Cele două componente ale semnalului S5 arată astfel:

Fig. 5 Reprezentarea subpurtătoarelor

Înclinațiile sunt datorate limitării hardware. Aceste grafice sunt obținute cu o frecvență de eșantionare de 245,6 MHz, acest fapt duce la un consum foarte mare de memorie. Din acest motiv se culege decât două probe pentru o singură valoare. La început frecvența de eșantionare nu trebuie să fie foarte mare deoarece rate de subpurtătoare și rata de cip sunt 15,4 MHz și 10,2 MHz, și frecventa de eșantionare de 92 MHz este de ajuns. Cu toate acestea, faptul că aceste subpurtătoare își schimbă valoarea la fiecare opt perioade de subpurtătoare face imposibilă menținerea frecventei atât de scăzute. De aceea s-a utilizat frecvența de eșantionare de 245,6 MHZ.

Deoarece lățimea benzii semnalului se utilizează semnale de bandă largă care cuprind de exemplu două benzi adiacente E5a și E5b. Utilizarea modulării AltBOC are mai multe avantaje, cum ar fi cel de a transmite 4 componente într-un lanț unic, are o semnal de recepție și ambele benzi laterale pot fi procesate independent de receptor. Cu toate acestea are și dezavantaje cum ar fi implementarea dificilă apărută din cauza întreruperii componentelor.

Se poate vedea o astfel de simulare în imaginea care urmează.

Fig. 6 Funcția de autocorelație a semnalul modulat AltBOC cu parametrii funcționali

Funcția de autocorelație normalizează semnalul E5 sub forma a șapte vârfuri. Arată astfel deoarece semnalul nu este modulat numai BOC, iar două din semnalele subpurtătoare nu sunt dreptunghiulare. Astfel că modul în care sunt multiplexate semnalele poate varia foarte mult funcția de autocorelație. Chiar daca semnalelor vor fi toate dreptunghiulare rezultatul va avea vârfurile mai ascuțite (cum se vede în figura 7).

Fig. 7 Funcția de autocorelație a semnalului modulat AltBOC fără parametrii funcționali

Fig. 8 Reprezentarea în I și Q a densități de putere spectrala a semnalului E5

Figura 8 arată cele patru canale existente în densitatea spectrală de putere a semnalului E5. Se observă că lobii principali sunt centrați pe 15,35 MHz deoarece sunt influențați de frecvența subpurtătoarei. Astfel împărțirea spectrului în două benzi laterale distincte permite benzi semnalului E5 să fie utilizată ca două benzi laterale separate.

Forma spectrului este puțin ciudată ca urmare a modului în care semnalul E5 este multiplexat. În formulele matematice care caracterizează sistemul există patru componente adiționale care pot fi împărțite într-o parte reală și una imaginară, deoarece aceste părți sunt multiplicate de aceeași funcție subpurtătoare una fiind pe axa reală, iar cealaltă pe axa imaginară. Aceste componente pot fi văzute în imaginea de mai jos.

Fig. 9 Densitatea de putere spectrală pentru primele două adunări ale semnalului E5

prima adunare:

a doua adunare:

a treia adunare:

a patra adunare:

Așa cum se poate vedea în expresiile de deasupra, fiecare adunare are o parte imaginară și una reală, și fiecare din aceste părți au o dată și o componentă pilot modulate de parametrul corespunzător subpurtătoarei. Așa cum se poate vedea în figura 8, primele două adunări formează lobii principali, iar celelalte două formează lobii secundari.

Fig. 10 Densitatea de putere spectrală pentru ultimele două adunări ale semnalului E5

Ultimele două adunări care sunt compuse dintr-o combinație de trei sau patru semnale binare, sunt cele care reprezintă restul lobilor de amplitudine mică, care sunt situați între primul și ultimul lob principal. De asemenea aceste adunări pot fi și ele exprimate în parte reală și imaginară.

Fig. 11 Densitatea spectrală de putere a subpurtătoarei cu parametrii (numai spectrul pozitiv)

Fig.12 Zoom al figurii 11

Fig. 13 Zoom la figura 11 la 46,035 MHz

Dacă ne uităm la transformata Fourier a subpurtătoarelor din figura 11, se poate aprecia cum deltele sunt multiplii impari ai lui 15.345 MHz, de la 0 la 107.415 MHz (15.245, 46.035, 76.725 și 107.415 MHz). Prin urmare, principalele armonici corespunzătoare subpurtătoarelor de tip S sunt cele situate la 15.345 MHz și 107.415 MHz, pe când subpurtătoarele de tip P sunt situate la 46.035 MHz și 76.725 MHz. Astfel, spectrul rezultat va fi un lob principal (combinație de canale) in convoluție cu diferiți delta la diferite frecvențe.

Adunat la aceasta, în figurile 12 si 13 se pot aprecia cum apar ripluri mici datorită schimbărilor abrupte de pantă ale formei subpurtătoarelor în timp.

Reluând semnalul E5, putem aprecia , mai intuitiv, cum cele 4 canale sunt modulate și cum sunt localizate în spectru:

Cu această ultimă expresie, se vede clar cum ambele canale de date E5aI și E5bI sunt componente în fază și cum canalele pilot,E5aQ și E5bQ, sunt componente în cuadratură.

Fig.14. Densitatea spectrală de putere a funcțiilor pcss(t) si pcsp(t) luate separat

Fig.15. Densitatea spectrală de putere a funcțiilor pcss(t) și pcps(t) luate împreună

În aceste ultime 2 figuri se poate observa cum spectrul albastru este cel folosit pentru canalele de date și canalele pilot (E5aI, E5bI, E5aQ și E5bQ) și spectrul roșu este pentru semnalele punctate ( armonica principală este situată la 15.345 MHz).

In acest caz, dacă dăm zoom pe figura 15 nu vom observa riplurile care apar în figura 12. Funcția de transformare nu este aceeași, ea este compusă din 2 subpurtătoare, una din ele în partea reală și cealaltă ( care este aceeași subpurtătoare, dar întârziată) în partea imaginară. Arată ca o exponențială complexă, deși nu este, și transformata Fourier a acesteia corespunde unei perechi de delte spațiate în frecventă. Acesta poate fi unul din motivele pentru care dispar riplurile.

Fig.16. Zoom pentru figura 14

În cele din urmă, dacă punem la un loc în aceeași ecuație toate cele 4 adunări:

Fig.17 PSD a celor 4 canale diferite (normale și punctate) afișată separat

Fig. 18 PSD(densitate spectrală de putere) a semnalului E5 arătând componentele în fază și în cuadratură ale celor 4 canale diferite

În figura de mai sus se arată toate canalele (E5aI, E5bI, E5aQ, E5bQ) în poziția lor corectă.

Fig.19 CDF și CCDF pentru valori ale semnalului E5 separate în parte imaginară și parte reală.

În această figură este afișată funcția de distribuție cumulativă(CDF) și funcția de distribuție cumulativă complementară(CCDF). După cum se observă, toate valorile sunt între -1 și +1 și ținând cont de figura 4 care arată o constelație cu simbolul plasat în jurul unui cerc, este clar că anvelopa este constantă.

Fig. 20 CDF și CCDF pentru PAPR a semnalului E5.

La această figură PAPR (peak-to-peak average power ratio) este 1, ceea ce înseamnă că valoarea puterii de vârf și a puterii medii este întotdeauna aceeași și consecvent CCDF este 0.

5. Bibliografie

European Space Agency/European GNSS Supervisory Authority. “Galileo Open Service.Signal in Space Interface Document. OS SIS ICD , Draft 1", 2008.

URL (2009-04-09):http://www.gsa.europa.eu/go/galileo/os-sis-icd/galileo-open-service-signal-in-space-interfacecontrol-document#Register

Ester Armengou Miret. “Galileo Signal in Space Design", pp 10,11; May 2005.URL (2009-04-09): http://www.galileoic.org/la/files/SignalPresentation_MasterPolito_9thMay2005.pdf

Grace Xingxin Gao, Jim Spilker, ToddWalter, Per Enge. Standfor University, USA.“Code Generation Scheme and PropertyAnalysis of Broadcast Galileo L1 and E6

Signals", p 7.URL (2009-04-09):http://waas.stanford.edu/~wwu/papers/gps/PDF/GaoIONGNSS06.pdf

Olivier Julien, Christophe Macabiau, Jean-Luc Issler and Lionel Ries. “Two for One.Tracking Galileo CBOC Signal with TMBOC",Inside GNSS, pp 50-51, 53-54; Spring 2007.

Davide Margaria, Fabio Dovis and Paolo Mulassano. “Galileo AltBOC Signal Multiresolution Acquisition Strategy", IEEE A&E SYSTEMS MAGAZINE, pp 4-5; November 2008.

Elena Simona Lohan, Abdelmonaem Lakhzouri, Markku Renfors. “Binary-Offset- Carrier modulation techniques with applications in satellite navigation system”, Wireless Communications and Mobile Computing, Wiley InterScience, DOI 10.1002/wcm.407, pp 767-770; 7th July 2006.

Gunter W. Hein, Markus Irsigler, Jose Angel Avila Rodriguez and Thomas Pany. “Performance of Galileo L1 Signal Candidates”, pp 3-4, 6-8, 13-14.

URL (2009-04-13): http://forschung.unibwmuenchen.de/papers/ktmzvhb7tqqpis3srpl7anp3bk6izl.pdf Elena Simona Lohan, Abdelmonaem Lakhzouri, Markku Renfors. “Complex doublebinary-offset-

carrier modulation for a unitary characterisation of Galileo and GPS signals”The Institute of Engineering and Technology 2006. IEE Proc.-Radar Sonar Navig., Vol 153, No 5, doi:10.1049/ip-rsn:20060005, pp 403-404; October 2006.

B.Muth, P. Oonincx and C.Tiberius. “A time domain fingerprint for BOC(m,n) Signals”,EURASIP Journal on Advances in SignalProcessing. Volume 2007, Article ID 56104, p 1;10 April 2007.

Li Yang, YongxinFeng, ChengshengPan,YumingBo. “The research of side-band acquisition for BOC modulated signals”, p 645;2007. URL (2009-04-09) (from UL e-Resources):http://ieeexplore.ieee.org.proxy.lib.ul.ie/stamp/stamp.jsp?arnumber=04339942

Kai Borre. “The Galileo signals with emphasis on L1 OS”, 12th International Power Electronics and Motion Control Conference, ERE-PEMC 2006, pp 2027, 2028; 30-08-2006/01-09-2006.

Emilie Rebeyrol, Olivier Julien, Christophe Macabiau, Lionel Ries, Antoine Delatour,Laurent Lestarquit. “Galileo civil signalmodulations”, GPS Solut (2007) 11:159-171,DOI 10.1007/s10291-006-0047-3, pp 159, 163-165; 21 December 2006.