TELKOM NIKA , Vol. 11, No. 8, August 2013, pp. 43 5 1 ~4 356   e-ISSN: 2087 -278X           4351      Re cei v ed Fe brua ry 14, 20 13; Re vised  Ma y 11, 20 13 ; Accepte d  May 20, 20 13   Satellite Communication and Navigation Integrated  Signal      Junxia Cui*, Huli Shi   Natio nal Astro nomic al Obser v atories, Ch ine s e Academ y of  Sciences   20A Datu n Ro ad, Cha o y a ng  District, Beijin g ,  China, + 861 0 648 46 485   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : cuij x@n ao.ca s.cn      A b st r a ct   Under the rapid  dev elopment of s a tellite co mm unic ation syst em s   and  satellite navigatio n  system s, there is  an  urgent  need to c o m b ine the two together  in  or der  to achieve loc a tion-bas ed  s e rvic es,   etc. Despite the long rel a tionshi p history of navi gation and communi c a tion, the tw o satellite system s  ar e  basic ally i nde p end ent of each  other. As a result, termi nal  si ze tends to be r e lativ e ly lar ge, and d i fficult to  b e   mi niat uri z e d . T h is artic l e  puts  forw ard a n o v e l i dea  that sa tellite  navi gati o n  an d sat e llit e  co mmun icatio n   functions are i n tegrate d   tog e ther  i n   the s i gn al l e vel, a nd  gi ves four ty p e s  of the int egrate d  nav igati on  a n d   communic a tio n  sign al structur es w h ich ar e c o mpos ed of  messag e , spre a d in g cod e  a n d  carrier. It lays  a  technic a l fou n datio n for the in-d epth d e vel o p m e n t of  the integrati on of  navig atio n an d commun i cati o n   system s in signal level.      Ke y w ords : satellite c o mmun i c aton, satell ite  navi gat io n, inte gratio n, sing al  structure      Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  The relatio n  betwe en navi gation and  communi ca tio n  has a lon g  history. Fro m  a brief  review of satellite navigation technology devel opm ent, it can be seen that navigation and  comm uni cati on h a ve b e e n  cl osely co nne cted [1 -3] .  In fact,  co mmuni cation   techn o logy i s  th e   corne r sto ne  of navigation,  and n a vigation is  a  sp eci a l appli c ation  of comm uni cation technol ogy.  If communi ca tion function  can b e  re se rved in navig a t ion system,  you can m a ke the singl e u s er  positio ning i n formatio n e x chan ged  in  time bet we en u s e r s an d u s er cent ers.  In this  way,  navigation  a nd p o sitioni n g  information  be come s  m o re active an d  create s  greater appli c a t ion  value. Furthe rmore, navig ation  ha s be en develop e d  from sin g le carrie r nav igation into u s er  grou p n a vig a tion, re alizi ng mo nitorin g  an d  control, com m an d i ng, a s sessment, assi stance,  operational o p timization a nd effective manag eme n t.  A majority of navigation use r s a r e on  the  mobile carrie r, which dete r mine s that terrestr i a l mo bile com m uni cation (su c h  as GSM, CDMA,  3G, etc.) will  be the main  method s ca n be used.  Although the terrestrial m obile  commu nications  netwo rk i s  ve ry popul ar, its coverage  area is le ss th a n  20% an d it is still difficult  to comm uni cate   in remote a r eas, de se rt area s an d o n  the oce an.  Espe cially whe n  natural  disa ster o ccurs,  terrestrial  m obile communication net work  w ill be destroyed.  At this time, only satellite   comm uni cati on can  be u s ed. T herefore, as  no " g a p " cove rag e   and e m ergen cy u s e, satell ite   comm uni cati on still remai n s indi spe n sable, or sate llite communi cation is a  complem ent and  extensio n of t e rrestri a l mo b ile co mmuni cation  syst em.  As the  satelli te tran smi ssi on  chan nel  with   high q uality, high  reliabilit y, long tran smissi on  di sta n ce  and  larg er  coverage,  it is still ve ry  popul ar.   Existing satel lite navigation and co mm unication  inte gration a ppro a ch es a r e m a inly in   the system le vel, such a s  t he co mbinati on of  Global  Positionin g  System (GPS) [4] and mobi le  comm uni cati on, or  GPS and Inm a rsat. GPS re ceivers are u s ed to  obtai n user' s  l o cation  informatio n, a nd the n  info rmation of  location, ti me,  status  etc. i s  transmitted  via  mobile  net work  or satellite communi cation system  to be  exchanged.  However, i n  the "hig hly sophisti c ated  gl obal   positio ning  system (HI - G PS) proje c t”  [5], the se co nd gen eratio n of GPS-assiste d  sig nal  has  been t r an smit ted thro ugh t he Iridiu m satellite co ns tell ation succe ssfully, by upgrading  enh an ced   narro w-b and  softwa r e on -board com p u t er of Irid ium satellite co mmuni cation  systems, which   make s it faster and mo re  accurate to realize  GPS positioni ng. In the HI-GPS prog ram, it has  been impl em ented to tran smit satellite  navigati on signal by sate llite communi cation  syste m ,  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 8, August 2013:  4351 –  4356   4352 whi c h is a  combinatio n in the syste m  level. If  you wa nt to truly achi eve the integratio n of   navigation a n d  comm uni ca tion function s, it should be  in a system,  even by the same lin k. In this  pape r, four  n o vel satellite  comm uni cati on an d nav ig ation integ r at ed si gnal  strucutres are  put  forward.       2. Satellite Communicati on and Satel lit e Nav i gation Integration Principle  All of the sat e llite navigati on sy stem s, such as GPS ,  GLONASS,  Galileo,  COMPASS ,   etc.,  adopt  p s eu do-co de sprea d ing sp e c trum sin gal   system [6 -8]. Sprea d ing  code s is u s e d  as   the rangin g   code s. In the   navigation  m e ssag e, th e r e  are time  scal e, orbital p a rameters, a s   well  as vari ous ty pes of e rro r correctio n s. In gene ra l satell ite commu nication syste m , the messag e  is  the comm uni cation me ssa ge, and the comm uni cati on messa ge  are di re ctly  modulate d  o n to a   carrie r. Ho we ver, therer i s  one ki nd of satellite sprea d ing spe c tru m  commu nication tech nol ogy,  whi c h i s   simil a r to  the  navi gation  sp rea d i ng p r o c e ss.  I t  multiplyies t he b a seba nd  sig nal  d(t) wi th   a high-sp eed  pseud o co d e  signal  c(t) i n  the time  domain to abtain a spreadin g  code  stre a m  to   be se nt to the satellite  cha nnel. Sin c e the spre a d ing code ra te is much highe r than  the   informatio n rate, the pro c e ss  of multiplyi ng the b a se ban d sig nal and  sp readin g  co de  is  equivalent  to  make   convol ution of th e freque ncy  sp e c trum  in th e f r equ en cy do main. As a  re sult,  sign al  spe c trum is wi den e d . So that th e  po wer sp e c tral de nsity i s  g r eatly  redu ce d. Ho weve r, the  IF (sho rt for  “i nterme diate f r equ en cy”) si gnal  ban dwid th after  de sp readin g  i s  very narro w  so t hat   interferen ce and noi se p o we r  i s  red u ce d  a nd  d e modul ator i nput  sign al-t o-noi se  ratio  is  improve d . System interfe r ence su ppre ssi on capa bil i ty is raise d . At the same  time, there are   many advant age s of sp readin g  sp ect r um commu ni catio n , su ch as anti - int e rception, a n ti- monitori ng, g ood resi stan ce to fading, a n ti-mul tipath, and  multiple acce ss comm unication  abili ty.  No w we ca n  make  a con c lu sion that  pre s ent  satell ite spreadi ng  spe c tru m  co mmuniatio n  and   satellite navi gation spre a d ing spe c tru m  technol og y are interli n ke d. So that we ca n take  advantag e of the  sp read ing  pseud o-code in the  satellite co m m unication  system, su ch  as  satellite  po sitioning  sy stem  appli c atio ns,  not  only  a s  a  spreadin g  spe c tru m  cod e ,  but also   a s  a   rangi ng  co de . And if some  simpl e  p a ra meters  with i n formatio n re lated to the  p o sitioni ng, su ch  as the necessary tim e  scale, sa tellite  orbit, delay error in the tr ansmission pathway  caculati on  relevant p a rameters, we  can fini sh  pse udo ran g e  mea s ureme n t and  solvi ng mea s u r e m ent  equatio ns to  achi eve po sitioning.   Navigatio n an d com m uni ca tion integrate d  sin gal   is  ca pable of  n o t only com m un ication,   but  al so pse udo ran ge  m easure m ent, positio ning a nd timing  se rvice, th rou g h  a  sin g le li nk.    Thereby, syst em can b e  si mplified [9-1 0 ]. This re search can lay a tech nical foun dation for the  in - depth d e velo pment of n a vigation a nd  communi catio n  integration.  It will prom ote the integ r at ion  of navigation  and  comm unication, create a n e w platform fo r the time-a n d  location-ba sed   servi c es, and explore new  ideas for satellite space ut il ization of  resources.      3. Satellite Communicati on and Nav i ga tion Integrated Signal  Structures  3.1. The First Signal Stru cture — I and  Q Slips  The first integ r ated navig ation and comm unication  sig n a l stru cture is sho w n in Fig u re 1.  It is mad e  u p   of one  I slip  a nd o ne  Q sli p , whi c h  are  orthogon al. The  sig nal  stru ct ure  of ea ch  sl ip  is compo s e d  of con s e c uti v e sup e r-fra m es  whe r e e a ch  su per-fra me co nsi s ts  of several su b- frame s  a nd  each  sub - fra m e  contain s  frame  si gn s, a sub - fram e num be r, a n  ide n tificati on  numbe r, the   main m e ssa g e , ch eck  bits  and th e fram e’s  end.  For the I  slip, the   data  rate i s  l o w,  and it s me ssage p r ovid es  mainly time  si gnal, lo cati on  inform ation a nd  satellite o r bit informatio n.  Short co de b enefits captu r e and  re cap t ure. T he Q  slip ad opts l ong code s, whi c h have t h e   advantag e o f  longe r  co h e rent  integ r a t ion time , hi gher rangi ng  preci s ion,   better  se cu ri ty  perfo rman ce   and a n ti-inte r feren c e  ability. It can play  an imp o rtant  role i n  tra c ki ng an d p r e c i s e   measurement  of time  del a y . The  comm unication  me ssage  is mo dulated  in  th e Q  sli p . In t h is  sign al structu r e, a co mbin ation of the I slip an d Q sli p  sign als  use s  t he direct  seque nce sp re ad  spe c tru m  (DS SS). The tran smissio n  sig n a l can b e  exp r esse d as:       ) 2 cos( ) 2 sin( p sp p p c sc c c c t f t D t P A   t f t D t C A t S                    (1)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X       Parallel  Com puting Pro perties of Tail Co polym er  Chai n (He - Bei Ga o)  4353 whe r e A c  i s  the am plitude  of the comm unication  spread  spe c trum  cod e ; C c  ( t ) i s  the  sp rea d i ng  cod e  f o r  co mmuni cat i on;  D c  ( t ) is communi catio n  data;  f sc   i s   carrie r fre quen cy for t h e   comm uni cati on info rmatio n;  c is  co mmun i cat i on  c a r r ier  pha se;  A p  i s   amplitude  spreadin g   cod e   for the n a viga tion and  po sit i oning; P  (t) i s   spr eadi ng  code fo r the  n a vigation a n d  positio ning;  Dp   (t) i s  the  na vigation an d  po sitioning   messag e;  fsp  is ca rri er freque ncy of  navigation  and  positio ning  in formation;  p is  carrie r  pha se  for  navigatio n an d p o sitio n ing. Be cau s e the  sy stem   can  p r ovide   contin uou s  a nd  stable  ran g ing  and  nav igation  sig nal s a s  well a s   comm uni cati on   sign als,  thi s  sign al can p r ovide co ntin uou s  r eal -time navig ation  and  po sitio n ing li ke  a  GPS  positio ning system.           Figure 1.  First Integrate d  Navigatio n an d Comm uni cation Signal  Structu r e       3.2. The Sec ond Signal Struc t ure Sin g le Slip     The second  sign al structu r e is sh own i n  Figu re 2.  The former  p a rt is th e na vigation  se ction, an d  the latter is the com m u n icatio ns  seg m ent. The t w o  segm ent s are tra n sm itted   alternately. T he main fun c tion of the fo rmer p a rt is to captu r e an d transmit navigation-relat ed  informatio n, inclu d ing u s e r  ID, messa g e  length, time information ,  and so on.  In this capture  se ction, a sh ort co de i s  used for rapid  a c qui sition.  The latter, is  the track   section whi c h is m a i n ly  to achieve transmi ssion  o f  informatio n  and  pre c i s ion  ran g ing. T h e  com m uni cati on me ssag e  is  also mo dulat ed on the latter part, too. The comm u n icatio n messag e length  can b e  fixed or  variable.  Long code i s  used in  the  tracking section, whi c h w ill hel p improve the measurem ent  accuracy a n d  make it difficult to deci pher,  a nd wi ll provide b e tter anti-jam m ing capabili ty.  Captu r ing  of t he latter seg m ent is led  b y  the fo rm er,  or a s siste d  b y  the precedi ng p a ra gra p h  to   re- c a p ture.   The me ssag e modulate d  is a com b i nation of an  alternating  comm uni cati on and  navigation  sh ort me ssage.  This  co mbin ation me ssag e is m odul ate d  onto the  ra nging P N   co de,  and th en m o dulated  to the  ca rri er. It  co nsi s ts  of navi gation  and  co mmuni cation   informatio n, so it  has a d ual f unctio n  of  communi catio n  an d  po siti oning. T he  p s eu do-co de  of the n a vigation  se ction a nd t he commu nication sectio n can  be the  sa me  or  differe nt. In this sig nal structu r e,  the  sign al tran sm issi on form at is expre s sed  as:        t f t D t AP t S s 2 sin ,                                                                            (2)     whe r e A i s  th e sp rea d ing  code am plitud e; P(t) is  the  spreadi ng  co de; D(t )  is th e navigation  and   comm uni cati on messa ge; fs is the ca rri er freq uen cy;   is the pha se.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 8, August 2013:  4351 –  4356   4354     Figure 2.  The Secon d  Integrate d  Navi gation an d Communi catio n  Signal Stru cture       3.3. The Third Signal Structur e Plug-in  The thi r d  sig nal  stru cture i s  p r od uced  b y  in se rting  th e navig ation  messag e into  the pil o t  frame of  the  comm uni cati on sign al  to a c hieve   t he i n tegratio n of  n a vigation  and  co mmuni cati on.  For  exampl e, one   can  u s e  the  CMMB  b r oad ca st  sig n a ls’ pilot sign al  fram e dire ctly,  as sho w n   in  Figure 3, whi c h is on e se cond pe r fram e. Each fr am e is divided in to 40 time slots, and each slot  delay is 25 m s , whi c h in clu des a b e a c on  sub-f r ame a nd 53 OF DM  sub - fram es.  The bea co n sub- frame st ru ctu r e is  sho w n in  Figure 4.         Figure 3. Fra m e Structu r e  Diag ram           Figure 4. Sch e matic Di ag ram of the Beaco n  Signal  Sub-fra m e       As the bea co n sign al is th e band -limite d   (12.5M Hz)  part of the pseudo -rando m  spread - spe c tru m  sig nal, it can be used to achieve accu rate  rangin g . The  beaco n  sig n a l is made u p  of  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X       Parallel  Com puting Pro perties of Tail Co polym er  Chai n (He - Bei Ga o)  4355 the tra n smitte r id entificatio n (TxID)  and   two  synchr on ous si gnal s.  TxID con s ist s  of a  cy clic p r efix  T1 (10.4µ s) and data vol u me T0 (25. 6µs). Th e d a ta volume  can b e  used  to send tim e   information, satellite orbital   information a nd othe r rel e vant inform ati on so that it can constitute  a   navigation an d time service messag e. The data  lengt h of the spre ading code of  each be acon  is  191, an d it can send 1 - bi t information.  Each pi l o t frame  co ntain s  40  slot s, so the me ssa g e   conte n t that  can  be t r an smitted pe r  seco nd i s :   1bi ts×4 0 =  4 0 b p s.   Inform ation whi c h ca n  be  transmitted may be slig htly less tha n  the GPS navigation d a ta messa g e .  Howeve r, some   informatio n can be  redu ce d, so that 40 bps i s  ad equ ate for the transmi ssion  p o sitioni ng tim i ng  messag e of  one  satellite  (GPS inform ation tran smi ssi on rate is 50 bp s, an d the amo u n t  of  sup e r-fram e informatio n transmitted in  GPS can be  1500 bit s  in 3 0  se con d s). The bea co n length   is 445.6µ s, in cludi ng TxID  duratio n of 3 6 .0µs, whi c h  has a 1 9 1 - bit  PN sp readi n g  cod e  with t h e   spreadi ng gai n of 22.8dB.  As sh own in Figure 5, the respe c tive  time slot s befo r e the be acon  sectio n 136 μ s CMMB   data seg m ent  (inclu ding 36 μ s TxID and synchro n ization sign al 100 μ s) is repla c e d  to be the gold   cod e  of a  cod e  length  of 51 1, use d  for  ca pture, tra c kin g  and   demo dulation. 1 04. 8 μ s i s  re se rv ed  synchro n ization  sign al a s  a g u a r d i n terval,  do es  not affect  sy nch r oni zatio n  and  chan n e l  estimation.       Figure 5. The  Beacon Pa rt Inserte d  with  Sprea d ing  Co de Sche matic Diagram       3.4. The Fou rth Signal Structur e—c o de Div i sion   In the CDM A  commu nication sy stem , one of the  comm uni cat i on code  ch annel s is  sele cted for n a vigation pu rposes, an d the other  code  cha nnel s are still use d  for communi catio n .      4. Conclusio n   Integrated na vigation  and comm uni cati on  si gnal  structure in clud es ma ny types. Which  of these four kinds of  signal  structures  will be us ed  depends on the  transm i ssion capability  of  the sy stem. If system  po we r (or th e  carri e r to  noi se  rat i o) i s  e nou gh  to bea r b o th I  slip  and  Q  sli p   transmissio n, the first kind  of signal tra n smi ssi on format is re com m ende d. If th e power (or t h e   carrie r to noi se ratio) i s  limi t ed and  can n o t bear t he t r ansmi ssion  o f  two slip  sign als, the seco n d   sign al tran sm issi on form at is su gge sted,  transmitting  a singl e slip.    Becau s e  the  i n tegrate d   nav igation  and  communi catio n  si gnal  ne ed s to  complete   preci s e   distan ce m e a s ureme n t, it  sho u ld ad opt  a broa dba n d  sp rea d -spe ctrum, o r  a speci a l wid e b and  spread -spe ctrum  system. I n  this  way, we can  get  hig h  spreadin g   g a in, so th at th e si gnal  can   be   burie d un de r  the noi se b a ckgroun d du rin g  tran sm i ssi o n , and  so th at the si gnal tra n smi ssi on  ha s  good  anti-inte rfere n ce cap ability. If the system  ha s  multiplex ca p abilities,  we  can u s e the  fo urth   sign al structu r e, in which  a cod e  chan nel is  u s e d  for navig ation  and po sitioni ng, and the  o t her  cod e  i s   still u s ed  for comm unication. In t he  sate llite broad ca sting si gnal s,  du e  to  the  p r e s en ce  of  a spread -spe ctrum pil o t frame, we can  use t he sp readin g  cod e  for rangin g . If other empty  frame s  a r e  a dded  with  o r bit and  time  para m eter s, t hese info rmat ion  can  serve  as a  navigati on  messag e. M u ltiplex tra n smissi on  is re dund ant  in  d i stan ce  ra ngi ng, which  ca n imp r ove  th e  rangi ng a c curacy.       Ackn o w l e dg ements   This  wo rk i s  financi a lly suppo rted by  Nati on al Natural S c ien c e  Foun dation  of Chin a   (610 011 09).     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 8, August 2013:  4351 –  4356   4356 Referen ces   [1]    Shi HL, Jin g  GF . Navigatio n a nd commu nicat i on re latio n s.  Satellit e an d net w o rk . 2007; 11 : 40-42.   [2]    E Del Re, M  Rug g ier i .  Satel lite co mmu n ic ations a nd n a v igati on Syste m s . Ne w  Y o rk : Springer  US,  200 7.  [3]    Ai GX , Shi HL,  Wu HT, et al.  A positio nin g  s ystem based  on  communi c a tio n  satell ites an d  the Chin ese   Area Positi oni n g  S y stem (CA PS).  Chin Jour nal Astron Astr ophys . 20 08; 8 ( 6): 610-6 30.   [4]    Kapl an E D, Hegart y  CJ.  Und e rstand ing GP S: Principl e an d Appl icatio n . Boston: Artech  House. 20 06.   [5]    Committee of  Exp e rts on the  field of aer os pace.  Sig n ific a n t progress us ing the "Iri diu m " satellite t o   improve GPS a b ilit y. 86 3 Aero space T e chno l o g y  Ne w s . 2 0 0 9 ; 31.  [6]    Lu  XC, W u   HT , Bian  YJ, et al.  Sign al st ructur e of C h in ese A r ea Pos i tio nni n g  s y stem.  Sci  Chin a S e r G- Phys Mech Astron.  200 9. 52(3 ) : 412-42 2.  [7]    Cui JX , Shi HL, Pei J, et al.  A Novel L o w -rate Satell ite  Co mmun icati o n System Bas ed on SIGSO   Satell ite . Intern ation a l  Confer ence  on I n form ation M a n age ment an d E ngi neer ing  (ICIME 200 9). Ku a l a   Lump u r. 200 9: 519- 522.   [8]    Cui J X , Shi  HL , Chen JB, et a l .  T he transmis s ion l i nk of CA PS navi gatio n  and c o mmun i c a tion s y stem.   Sci China Ser  G-Phys Mech Astron.  200 9; 52(3): 402- 41 1.   [9]    Ning  CL, Shi HL, Hu C. GPS/CAPS dual-mode soft w a r e  receiver. Sci China Ser G-Phy s  Mech Astron.   200 9; 52(3): 36 0-36 7.  [10]    Lei  LH, S h i H L , Ma GY. CA PS satel lite s p read s pectrum  commun i cati o n  bl in d mu lti-u s er det ectin g   s y stem b a sed  on cha o tic seq uenc es.  Sci China Ser G-Phys  Mech Astron . 200 9; 52(3): 33 9-34 5.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.