matlab-generate-gnss-waveform

GNSS 波形の生成

適切に符号化された航法データを含む、複数衛星の GNSS ベースバンド波形を生成します。チャネルの劣化要因（ドップラー、遅延、ノイズ）には、現実的な衛星シナリオから算出した値、またはユーザー指定のカスタム値を使用できます。GPS、Galileo、NavIC の衛星測位システムに対応しています。波形には実際のエフェメリスが含まれるため、受信機で復号して位置を推定できます。

使用する場合

• 受信機テスト用に GNSS ベースバンド信号（GPS、Galileo、NavIC）を生成する場合
• 軌道力学に基づくドップラーと遅延を使って複数衛星のチャネルをシミュレートする場合
• 特定のドップラー／遅延／SNR 値を使ってテストする場合（カスタムチャネルモード）
• 復号可能な航法データを必要とする、GNSS 受信機のエンドツーエンドシミュレーションを構築する場合

使用しない場合

• 信号捕捉、トラッキングループ、航法データの復号、位置推定を行う場合
• BeiDou／GLONASS（非対応）または SDR ハードウェアでの送信を行う場合

前提条件：ヘルパーファイル

MathWorks のサンプルからヘルパーファイルをコピーして、プロジェクトフォルダーに配置してください。 衛星測位システム（GPS、Galileo、NavIC）ごとのコピー元サンプルとファイルの一覧は、references/helper-files.md を参照してください。

ワークフロー

パイプラインは 6 つのステップ（0～5）で構成されます。ステップ 0 で信号の種類、チャネルモード、データソースを決定します。チャネルモードによって、ステップ 2～3 が必要かどうかが決まります。

Step 0: Determine signal type + channel mode + data source + nav data intent
Step 1: Configure waveform generator
         ├── Scenario mode → Step 2 (satellite scenario) + Step 3 (compute channel from physics)
         └── Custom mode   → Step 3c (user provides Doppler/delay/SNR directly)
Step 4: Encode navigation data (both modes)
Step 5: Generate waveform with channel (both modes)

ステップ 0：信号の種類、チャネルモード、データソースを決定する

ユーザーのプロンプトで信号の種類が明確に指定されていない場合は、次のように尋ねます。

どの GNSS 波形を生成しますか？

GPS： L1 C/A、L1C、L2C、L5 Galileo： E1、E1C（パイロットのみ）、E5a、E5b、E5（広帯域） NavIC： L5、S、L1

また、チャネルの劣化要因（ドップラーシフト、伝搬遅延、 ノイズ）はどのように適用しますか？

（a）シナリオベース — 衛星シナリオから現実的な値を計算します。受信機の位置（緯度／経度）を指定していただければ、軌道力学は こちらで処理します。

（b）カスタム値 — 衛星ごとにドップラー（Hz）、遅延（s）、および／または SNR（dB）を指定していただきます。制御されたテストや、独自のチャネルモデルがすでにある場合に便利です。

判定の目安： 位置／都市名／緯度・経度 → シナリオベース。具体的な ドップラー／遅延／SNR の数値 → カスタム。 「ストレステスト」や「極端」→ カスタム。 手がかりがない場合 → 尋ねます。信号の種類が明確でモードが曖昧な場合は、モードについてのみ尋ねます。

データソースの選択

利用可能： gpsAlmanac.txt（常にパス上にあります）、RINEX .rnx ファイル （Nav Toolbox）。セットアップが必要： galileoAlmanac.xml（サンプルからコピー）、最新のアルマナック（USCG NAVCEN からダウンロード）。

選択ルール：

1. ユーザーが RINEX を提供する場合 → シナリオと航法データの両方に使用します。
2. RINEX がない場合 → 同梱のアルマナック（gpsAlmanac.txt または galileoAlmanac.xml）を使用します。
3. 現在のエポックが必要な場合 → 最新のアルマナックのダウンロードを提案します（インターネット接続が必要です）。
4. RINEX が要求されたものの Nav Toolbox がない場合 → アルマナックに切り替えるか、手動で解析します （references/rinex-integration.md を参照）。

同梱ファイルはすべて、過去の固定されたエポックのものです。 受信機アルゴリズムのテストには問題ありません（軌道配置は引き続き有効です）が、今日の実際の衛星配置を表すものではありません。エージェントは、使用するファイルとエポックを必ず伝えてください。

航法データの意図

航法データには、次のいずれかを使用できます。

• 実際のエフェメリス（アルマナック／RINEX 由来）— 位置推定が機能する必要のある、受信機のエンドツーエンドテストに必須です
• ランダム／ダミービット — 航法データの復号が目的ではなく、信号レベルのテスト（捕捉、 トラッキング、変調品質）を行う場合に有効です

ユーザーの意図が明確でない場合は、次のように尋ねます。

位置推定のために、実際の航法データを含む波形が必要ですか？ それとも、信号レベルのテストならダミービットで問題ありませんか？

停止 — 生成前に選択内容を提示する

コードを記述または実行する前に、信号の種類、中心周波数、サンプルレート、継続時間、 データソースとエポック、開始時刻、航法データの種類を示す設定概要を、単独のテキストとして出力してください。これはコードブロックより前に、ユーザーに見えるテキストとして必ず表示してください。コメントや実行後の概要に埋め込んではいけません。対話モードでは、ユーザーの確認を待ってください。

ステップ 1：波形ジェネレーターを設定する（コンステレーション固有）

GPS：

sampleRate = 5e6;
wavegenobj = gpsWaveformGenerator(SampleRate=sampleRate);
wavegenobj.SignalType = "legacy";  % L1 C/A
navDataType = "LNAV";
centerFrequency = 1575.42e6;
stepTime = wavegenobj.BitDuration;

確認： L1 C/A では stepTime が 0.02（20 ms）、L1C/L5 では 0.01 であることを確認します。

Galileo：

sampleRate = 25e6;  % Use 60e6 for E5 wideband
wavegenobj = galileoWaveformGenerator(SampleRate=sampleRate);
wavegenobj.SignalType = "E1";  % or "E1C","E5a","E5b","E5"
centerFrequency = 1575.42e6;  % E5 uses 1191.795e6
stepTime = wavegenobj.BitDuration;

確認： E1/E1C/E5b では stepTime が 0.004（4 ms）、E5a/E5 では 0.02 であることを確認します。

E5 には重大な注意点があります — ナビゲーションデータは {fnavbits, inavbits} セル配列である必要があり（行列ではありません）、I/NAV には F/NAV の 5 倍の行数が必要です。 references/galileo-pipeline.md の E5 セクションを参照してください。

NavIC（R2026a -- まだシステムオブジェクトはありません）：

sampleRate = 24e6;
centerFrequency = 1176.45e6;  % L5 (or 2492.028e6 for S, 1575.42e6 for L1)
stepTime = 0.02;  % 20 ms for L5/S, 10 ms for L1

NavIC L1 は L5/S とは大きく異なります（SBOC、IZ4 コード、サポートファイルのダウンロード）。references/navic-pipeline.md の §NavIC L1 SPS を参照してください。

信号タイプの一覧については、references/gps-pipeline.md、references/galileo-pipeline.md、または references/navic-pipeline.md を参照してください。

ステップ 2：衛星シナリオを設定する（シナリオモードのみ）

カスタムモードでは、このステップを完全にスキップしてください。

シナリオ、地上局、タイミング（共通）を作成します。その後、コンステレーション固有の方法で 衛星を追加します。

sc = satelliteScenario;
rx = groundStation(sc, lat, lon, Altitude=alt);
rx.MinElevationAngle = 10;

waveDuration = 10;  % seconds
sc.StartTime  = startTime;
sc.StopTime   = sc.StartTime + seconds(waveDuration - stepTime);
sc.SampleTime = stepTime;

衛星を追加します（コンステレーション固有）。ユーザーが RINEX ファイルを明示的に持っている場合、または RINEX を要求した場合を除き、既定ではアルマナックを使用します。アルマナックを使う方法では、Navigation Toolbox への依存（rinexread）を回避できます。同じデータソースをステップ 4（ナビゲーションデータのエンコード）にも使用する必要があります。

GPS（アルマナックを使う方法 — 推奨）：

sat = satellite(sc, "gpsAlmanac.txt", OrbitPropagator="gps");

GPS（RINEX を使う方法）： まず ~isempty(ver('nav')) を確認します。Navigation Toolbox が利用できない場合は、アルマナックを使用するか、RINEX を手動で解析します （references/rinex-integration.md を参照）。

rinexdata = rinexread(rinexFileName);
sat = satellite(sc, rinexdata, OrbitPropagator="gps");

Galileo（アルマナックを使う方法 — 推奨） — satellite() は Galileo XML アルマナックファイルを受け付けません。次のヘルパーを使用します。

sat = HelperAddGalileoSatellitesToScenario(sc, "galileoAlmanac.xml");

Galileo（RINEX を使う方法）： 同じくツールボックスの有無を確認し、利用できない場合はアルマナックに切り替えます。

rinexdata = rinexread(rinexFileName);
sat = satellite(sc, rinexdata);

NavIC — RINEX のみ（Navigation Toolbox が必要です）。 HelperAddSatellite(sc, selectedRows) を使用します — references/navic-pipeline.md を参照してください。

重要： 軌道伝搬（このステップ）とナビゲーションデータのエンコード（ステップ 4）の両方で、同じ startTime と同じデータソース（アルマナックまたは RINEX）を使用してください。

確認： 衛星を追加した後、sat が空でないことを確認します。GPS のアルマナックを使用する場合、シナリオには合計で約 30 基の衛星が含まれる見込みです。

ステップ 3：物理法則からチャネルパラメーターを計算する（シナリオモードのみ）

カスタムモードでは、このステップを完全にスキップし、代わりにステップ 3c に進んでください。

dopShifts = dopplershift(sat, rx, Frequency=centerFrequency).';
ltncy = latency(sat, rx).';

自由空間伝搬損失から SNR を計算します：

DtLin = db2pow(12);           % Transmit antenna directivity
DrLin = db2pow(4);            % Receive antenna directivity
k = physconst("boltzmann");
T = 300;                      % Temperature (K)
Pr = Pt*DtLin*DrLin ./ ((4*pi*(centerFrequency + dopShifts).*ltncy).^2);
snrs = 10*log10(Pr/(k*T*sampleRate)) + 3;

コンステレーション	Pt（送信電力）
GPS	44.8 W
Galileo	160 W
NavIC	50 W

最初の時間ステップで遅延が NaN でない、可視の衛星を見つけます：

satIndices = find(~isnan(ltncy(1,:)));

確認： numel(satIndices) が 4 以上であることを確認します（測位に必要な最小数）。 0 の場合、開始時刻がデータソースのエポックと一致していません（注意点 #12）。

ステップ 3c：カスタムチャネルパラメーターを設定する（カスタムモードのみ）

シナリオモードでは、このステップを完全にスキップしてください。

ユーザーはドップラー、遅延、および／または SNR の値を直接指定します。

numSats = 4;
dopShifts = [2000, -1500, 800, 3200];      % Hz per satellite
ltncy = [0.072, 0.074, 0.069, 0.078];      % seconds per satellite
snrs = [-10, -12, -11, -9];                 % dB per satellite

% For time-varying custom values, use matrices (numsteps x numSats)
% dopShifts = [...];  % each row is one time step

waveDuration = 10;  % seconds
numsteps = round(waveDuration / stepTime);
satIndices = 1:numSats;

ユーザーから必ず指定してもらう項目： 衛星数、ドップラー（Hz）、遅延（s）、 PRN/SVID リスト。省略可能な項目（既定値）： SNR（-10 dB）、継続時間（10 s）、 時間変動（なし、静的）。

生成ループ用に静的な値を展開します：

if isvector(dopShifts) && size(dopShifts,1) == 1
    dopShifts = repmat(dopShifts, numsteps, 1);
    ltncy = repmat(ltncy, numsteps, 1);
    snrs = repmat(snrs, numsteps, 1);
end

カスタムモードでは物理的制約の検証を行いません。 ユーザーは意図的に極端な値を指定する場合があります。物理的な範囲に対するアサーションは行わないでください。

Step 4: ナビゲーションデータを符号化する（両モード、コンステレーション固有）

ナビゲーションデータには、位置推定に必要なエフェメリスが含まれています。

ユーザーが実際のエフェメリス（位置推定）を必要とする場合：

• シナリオと同じデータソースを使用します（Step 2）
• シナリオで RINEX を使用した場合は、ナビゲーションデータにも RINEX を使用します（推奨）
• アルマナックで補えるのは、エフェメリス以外のフィールドのみです（衛星の健全性ビット、アルマナックページ）
• ナビゲーションデータの符号化開始時刻は、シナリオの開始時刻と一致させる必要があります — 時刻が一致しないと、衛星位置に対応しないナビゲーションビットが生成され、 気づかないまま位置推定エラーが発生します

ユーザーが信号レベルのテスト（捕捉／追尾）のみを必要とする場合：

• ランダムビットを使用できます：navdata = randi([0 1], numsteps, numSats);
• アルマナックファイルも RINEX ファイルも不要です
• 波形の変調とチャネルは正しくなりますが、ナビゲーションデータのデコードには失敗します

重要： Step 2 で軌道伝搬に RINEX を使用した場合、ナビゲーションデータの符号化には HelperGPSAlmanac2Config ではなく、必ず HelperGPSRINEX2Config を使用してください。 同じ RINEX 構造体を軌道とエフェメリスの両方に使用します。シナリオに RINEX を使用しながら、 ナビゲーションデータにはアルマナックを使用すると、単一データソースの原則に反し、 エフェメリスに不整合が生じる可能性があります。

実際のエフェメリスを使うシナリオモード： satIndices は、Step 3 で計算した可視衛星から取得します。

実際のエフェメリスを使うカスタムモード： データソースにはアルマナックを使用します（Navigation Toolbox は不要です）。符号化する PRN/SVID 値をユーザーが指定する必要があります。以下のアルマナックのパス例を使用してください。

GPS（アルマナックのパス）：

navcfg = HelperGPSAlmanac2Config(almFileName, navDataType, satIndices, startTime);
visiblePRN = [navcfg(:).PRNID];

% Encode nav data per satellite (HelperGPSNAVDataEncode accepts scalar config only)
tempnavdata = HelperGPSNAVDataEncode(navcfg(1));
navdata = zeros(length(tempnavdata), length(navcfg));
navdata(:,1) = tempnavdata;
for isat = 2:length(navcfg)
    navdata(:,isat) = HelperGPSNAVDataEncode(navcfg(isat));
end

GPS（RINEX のパス） — 完全な HelperGPSRINEX2Config のパターンについては、references/gps-pipeline.md を参照してください。

Galileo（アルマナックのパス）： references/galileo-pipeline.md のナビゲーションデータ信号タイプのマッピング（E1→E1B、E5a→E5a、E5b→E5b）を使用します。

galNavObj = HelperGalileoNavigationData(almFileName, true, SignalType="E1B");
visibleSVIDs = galNavObj.Ephemeris.SatelliteID(satIndices);
[~, inittow] = HelperGPSConvertTime(startTime);
navdata = navdata2bits(galNavObj, visibleSVIDs, inittow, numpages);

Galileo（RINEX のパス） — references/galileo-pipeline.md を参照してください。

NavIC — RINEX のみです。HelperNavICRINEX2Config には、RINEX データテーブルを直接渡します（ファイル名ではありません）。

navicCfg = HelperNavICRINEX2Config(selectedRows);

完全な符号化パターンについては、コンステレーションごとのリファレンスファイルを参照してください。

Step 5: チャネルを適用して波形を生成する（両モード）

このステップは、シナリオモードとカスタムモードで共通です。Step 5 までに、 dopShifts、ltncy、snrs は、取得方法にかかわらず、すべて numsteps x numSats 行列になります。

GPS と Galileo では、ステップごとのループで各システムオブジェクトを使用します。

wavegenobj.PRNID = visiblePRN;  % GPS uses PRNID
% wavegenobj.SVID = visibleSVID;  % Galileo uses SVID

gnsschannelobj = HelperGNSSChannel( ...
    FrequencyOffset=dopShifts(1,satIndices), ...
    SignalDelay=ltncy(1,satIndices), ...
    SignalToNoiseRatio=snrs(1,satIndices), ...
    SampleRate=sampleRate, ...
    RandomStream="mt19937ar with seed", Seed=73);

numsteps = round(waveDuration / stepTime);
samplesPerStep = sampleRate * stepTime;
waveform = zeros(numsteps * samplesPerStep, 1);

for istep = 1:numsteps
    idx = (istep-1)*samplesPerStep + (1:samplesPerStep);
    waveform(idx,:) = gnsschannelobj(wavegenobj(navdata(istep,:)));
    gnsschannelobj.SignalToNoiseRatio = snrs(istep, satIndices);
    gnsschannelobj.FrequencyOffset = dopShifts(istep, satIndices);
    gnsschannelobj.SignalDelay = ltncy(istep, satIndices);
end

NavIC（R2026a） では、HelperNavICBBWaveform または手動変調を使用します （システムオブジェクトはありません）。ヘルパーは複数列の出力（衛星ごとに1列）を返すため、 そのまま HelperGNSSChannel に渡してください。先に合計してはいけません。 完全なパターンについては、references/navic-pipeline.md を参照してください。

確認： length(waveform) == numsteps * samplesPerStep を満たすこと。波形がすべてゼロではないことを確認してください（チャネルの SNR が低すぎるか、ナビゲーションデータが一致していない可能性があります）。

信号タイプのクイックリファレンス

各コンステレーションの SignalType 文字列、中心周波数、BitDuration、ナビゲーションデータタイプの一覧については、references/signal-type-mapping.md を参照してください。

検証（シナリオモードのみ）

シナリオモードで波形を生成した後、チャネルパラメーターが物理的に妥当であることを確認してください。コンステレーションごとの検証関数と想定範囲の全容については、references/physical-constraints.md を参照してください。主な確認項目は、可視衛星が4機以上であること、ドップラーシフトが ±10 kHz（L1）の範囲内であること、遅延が67～86 ms（MEO）または119～130 ms（GEO/GSO）であること、衛星ごとにドップラーシフトが異なること、ドップラーシフトが時間とともに変化することです。

カスタムモードでは、これらの確認を実行しないでください — ユーザーが意図的に物理範囲外の値を指定する場合があります。

主な機能

機能	目的	ツールボックス
gpsWaveformGenerator	GPS ベースバンド波形を生成します	Satellite Communications
galileoWaveformGenerator	Galileo ベースバンド波形を生成します	Satellite Communications
satelliteScenario	シナリオを作成します（シナリオモード）	Satellite Communications
dopplershift	軌道力学からドップラーシフトを計算します	Satellite Communications
latency	伝搬遅延を計算します	Satellite Communications
rinexread	RINEX 航法ファイルを読み込みます（RINEX パスのみ）	Navigation（任意）
physconst	物理定数（ボルツマン定数、光速）	Core MATLAB

注意点

1. ユーザーが明示的に同意した場合に限り、ランダムな航法ビットを使用してください。 randi([0 1], ...) は信号レベルのテスト（捕捉、追尾）には使用できますが、測位は不可能になります。ユーザーが受信機のエンドツーエンドテストを必要とする場合は、 実際のエフェメリスを使うため、衛星コンステレーション固有の航法データエンコーダーを使用してください。 ステップ 0 で航法データの用途を必ず確認してください。

2. シナリオモードでは、ドップラーや遅延を独自に実装しないでください。 ドップラーに exp(1j*2*pi*f*t) を、遅延に circshift を使用しないでください。物理ベースのチャネルモデリングには、 satelliteScenario -> dopplershift() -> latency() -> HelperGNSSChannel を使用してください。カスタムモードでは、 ユーザー指定の値がそのまま HelperGNSSChannel に渡されます。

3. 航法データの行数は numsteps より多くなります。 航法データエンコーダーは、 完全な航法フレーム構造をエンコードするため、メッセージ全体（例：GPS LNAV では 37500 行）を生成します。 生成ループで使用されるのは、先頭の numsteps 行だけです。サイズ変更や一致のアサーションは行わないでください。余分な行は 使用されません。

4. RINEX：ファイル名ではなく構造体を渡してください。 satellite(sc, rinexData) には .rnx ファイル名文字列ではなく、rinexread() が返す構造体を渡します。ファイル名を渡すと、 わかりにくい「invalid orbit data」エラーが発生します。

5. 中心周波数は信号の種類と一致させる必要があります。 L1/E1 = 1575.42 MHz、 L2 = 1227.60 MHz、L5/E5a = 1176.45 MHz、E5b = 1207.14 MHz、 E5 = 1191.795 MHz、S = 2492.028 MHz です。dopplershift() でも一致させる必要があります。

6. GPS では PRNID、Galileo では SVID を使用します。 間違ったプロパティ名を使うと、 システムオブジェクトに動的プロパティが暗黙的に作成されます。波形ジェネレーターはそのプロパティを無視し、デフォルトの衛星 ID で波形を生成するため、 拡散コードが誤ったものになります。

7. Galileo の送信電力は 160 W で、GPS の 44.8 W ではありません。 Galileo に GPS の電力を使うと、 SNR が誤った値になります。NavIC では 50 W を使用します。

8. R2026a には NavIC のシステムオブジェクトがありません。 navicWaveformGenerator を呼び出すとエラーになります。手動変調（interplexmod、bocmod、gnssCACode） または HelperNavICBBWaveform ヘルパーを使用してください。R2026b ではシステムオブジェクトとして提供されます。

9. satellite() がネイティブに受け付けるのは GPS SEM アルマナックのみです。 Galileo XML ファイルや NavIC RINEX ファイルを直接 satellite() に渡すと、エラーが発生するか、軌道が誤って計算されます。ステップ 2 では、 コンステレーション固有のヘルパーを使用してください。

10. GPS L5 と L1C：最新化された信号を送信する衛星はすべてではありません。 Block IIF 以降は L5 を、Block III 以降は L1C を送信します。L1 C/A の約 8～12 基に対し、可視衛星は約 4～6 基になると想定してください。

11. 航法データの利用可能性に基づいて PRN/SVID をフィルタリングしてください。 可視衛星と、エンコード前に航法データオブジェクトで利用可能な ID との積集合を取ってください。

12. 時刻とエポックの整合性が重要です。 次の 3 つの時刻を一致させる必要があります。 sc.StartTime、航法データエンコーダーの startTime、データソースのエポックです。sc.StartTime がアルマナック/RINEX のエポックから大きく離れていると、 latency() はすべて NaN を返します（可視衛星がゼロになり、エラーは発生しません）。航法データの startTime が sc.StartTime と異なると、エフェメリスが衛星位置と一致せず、 気づかないまま測位誤差が発生します。同梱ファイルは過去の固定されたエポックのものです。使用するファイルとエポックを必ず伝えてください。

規約

• すべての GNSS 時刻参照には、TimeZone="UTC" を指定した datetime を使用します
• 旧式の 'Name', Value ペアではなく、名前と値の構文（Name=Value）を使用します
• GPS 時刻の変換には HelperGPSConvertTime を、Galileo/NavIC の時刻変換には HelperGNSSConvertTime を使用します
• dopplershift/latency の出力は必ず転置します（.';）。これらはタイムステップごとに列を返しますが、生成ループではタイムステップごとに行をインデックスします
• 波形は事前に確保します：zeros(numsteps * samplesPerStep, 1)
• 期間の計算には seconds() を使用します（数値をそのまま使用しないでください）
• 信号タイプの文字列では大文字と小文字が区別されます："Legacy" ではなく "legacy"、"L5" ではなく "l5" を使用します
• 可視衛星の検出には find(~isnan(ltncy(1,:))) を優先します。仰角によるフィルタリングよりもシンプルで堅牢です

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