GPS III新體制導航信號監(jiān)測分析

劉 亮，葉紅軍，郎興康

(衛(wèi)星導航裝備與系統(tǒng)技術(shù)國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著GPS用戶對其準確性和可靠性需求的進一步提升，2000年美國國會通過了副總統(tǒng)戈爾于1998年發(fā)出的對GPS進行升級改造的決議，GPS III的研制開發(fā)工作從此開展[1-3]。

2018年12月24日，GPS III首顆衛(wèi)星成功發(fā)射。相比于前期的舊體制衛(wèi)星，GPS III衛(wèi)星除了在定位精度、抗干擾能力和使用壽命等方面得到加強外，L1頻點的信號分量構(gòu)成也更加復雜，增加了新的民用信號L1C[4]，成為了繼L1C/A，L2C，L5之后的第4個民用信號[5]，且可以與北斗和GALILEO導航信號實現(xiàn)兼容互操作[6-7]。

隨著GNSS系統(tǒng)在各種領域的應用需求不斷擴大，導航系統(tǒng)在建設的過渡期內(nèi)需要滿足兼容新舊體制導航信號的要求，這就需要在既有的導航頻段內(nèi)向地面播發(fā)更多的下行信號，同時要滿足在同一頻點上調(diào)制更多信號的要求。由于導航載荷是一個功率受限系統(tǒng)以及衛(wèi)星功放的非線性特性，信號播發(fā)過程中的功率占比和相位關(guān)系會受到信號調(diào)制復用方式的選取和組合的影響[8]，并且在不同調(diào)制復用方式星座點的分布上，衛(wèi)星功率放大器的非線性特性也會影響到不同信號星座點對應的信號幅值[9]。因此，一般的做法是在基帶調(diào)制端實現(xiàn)多路信號的恒包絡調(diào)制，以減小信號經(jīng)過功放以后的非線性失真。例如，早期的GPS衛(wèi)星可以實現(xiàn)在同一頻點下播發(fā)2個信號分量，利用 QPSK調(diào)制技術(shù)即可實現(xiàn)恒包絡發(fā)射。由于現(xiàn)代化的需求，GPS 需要在同一頻點上播發(fā)多個信號分量GPS 系統(tǒng) L1 頻點，除了原有的L1C/A碼以及P(Y)碼，還將播發(fā) M 碼信號，以及GPS III衛(wèi)星播發(fā)的L1C信號。

本文利用現(xiàn)有的15 m大口徑拋物面天線完成了對GPS III衛(wèi)星的信號采集，與上一代舊體制信號進行了對比分析，并對其信號的調(diào)制方式、分量組成和復用方式等方面進行了相應分析。

1 GPS III衛(wèi)星L1頻點新型信號分析

對GPS III衛(wèi)星L1頻點的測試信號與本地偽碼進行相關(guān)處理，得到對應信號頻點的相關(guān)峰。為了準確獲得在信號發(fā)射帶寬內(nèi)的GPS信號各分量的能量，相關(guān)運算使用的信號采用30.69 MHz帶寬進行濾波并能量歸一化處理，這樣相關(guān)峰峰值的平方就代表該信號分量在發(fā)射帶寬內(nèi)的功率占比。

對GPS III衛(wèi)星 L1C/A信號相關(guān)峰進行歸一化處理，如圖1所示。

圖1 GPS III衛(wèi)星L1C/A信號相關(guān)峰Fig.1 Correlation peak of L1C/A signal of GPS III satellite

從相關(guān)峰上可以看出，L1C/A調(diào)制方式仍然為BPSK(1)，GPS III L1C/A的信號功率占比約為14.75%。

在L1M信號分量上，采集信號場景增益較高，所以利用盲識別的方式可以完成M碼碼流的判決[10]，并繪制出相應的相關(guān)峰，如圖2所示。從L1M相關(guān)峰上可以看出，信號調(diào)制方式仍然為BOC(10，5)，GPS III L1M的信號功率占比約為25.32%。

圖2 GPS III衛(wèi)星L1M信號相關(guān)峰Fig.2 Correlation peak of L1M signal of GPS III satellite

針對本次新體制的兼容互操作信號L1C，通過利用L1C的偽碼按照BOC(1，1)的調(diào)制方式進行相關(guān)，可以發(fā)現(xiàn)GPS III信號播發(fā)了L1Cp(L1C pilot)信號和L1Cd(L1C data)信號，相關(guān)峰如圖3(a)和圖3(b)所示。

圖3 GPS III衛(wèi)星L1C信號相關(guān)峰Fig.3 Correlation peak of L1C signal of GPS III satellite

在信號幅度上，L1Cp信號功率占比約為14.49%，L1Cd信號功率占比約為5.80%。

進一步針對L1Cp信號進行研究，采用相關(guān)標準和文獻提供的參考，利用TMBOC調(diào)制方式生成L1Cp信號偽碼[11]，從而得到相關(guān)峰峰值更高的相關(guān)曲線，如圖4所示。因此，可以確定GPS III播發(fā)了TMBOC的調(diào)制信號，且功率占比約為17.71%，根據(jù)之前推算的BOC(1，1)分量的功率占比14.49%，可得BOC(6，1)分量功率占比約為3.22%。

圖4 GPS III衛(wèi)星L1Cp信號相關(guān)峰Fig.4 Correlation peak of L1Cp signal of GPS III satellite

然而對于GPS III衛(wèi)星，卻無法從衛(wèi)星中解出相應的L1P(Y)長碼，在舊體制的GPS衛(wèi)星L1頻點信號中，L1C/A信號位于I支路，L1P(Y)信號位于Q支路，而此時的新體制信號中摻雜了L1C信號，包括L1Cp和L1Cd，無法直接辨識L1P(Y)信號。需要采用更加復雜的方式進行提取。通過對信號中其余信號分量的剔除，將剝離了其他信號分量后的信號進行處理，利用盲識別的方式完成對剩余信號內(nèi)的L1P(Y)偽碼碼流的判決提取，并與原始的功率歸一化信號進行相關(guān)，可以得到L1P(Y)信號的相關(guān)峰，如圖5所示。

圖5 GPS III衛(wèi)星L1P(Y)信號相關(guān)峰Fig.5 Correlation peak of L1 P(Y) signal of GPS III satellite

測量得到L1P(Y)信號處于I支路，與L1C信號同相位，功率占比約為8.17%。

2 GPS III衛(wèi)星L2頻點新型信號分析

對GPS III衛(wèi)星L2頻點信號進行捕獲跟蹤，利用本地偽碼和剝離載波多普勒后的基帶信號進行相關(guān)處理，得到對應信號頻點的相關(guān)峰。為了準確獲得在信號發(fā)射帶寬內(nèi)的各信號分量的能量，相關(guān)運算使用的信號統(tǒng)一采用30.69 MHz帶寬進行濾波后的歸一化信號，這樣相關(guān)峰峰值的平方就代表該信號分量在發(fā)射帶寬內(nèi)的功率占比。

對GPS III衛(wèi)星 L2CM信號相關(guān)峰進行歸一化處理，如圖6所示。

圖6 GPS III衛(wèi)星L2CM信號相關(guān)峰Fig.6 Correlation peak of L2CM signal of GPS III satellite

在L2CM信號分量上，從相關(guān)峰上可以看出，GPS III L2CM的信號功率占比約為14.53%。

對GPS III衛(wèi)星 L2CL信號相關(guān)峰進行歸一化處理，如圖7所示。

圖7 GPS III衛(wèi)星L2CL信號相關(guān)峰Fig.7 Correlation peak of L2CL signal of GPS III satellite

在L2CL信號分量上，從相關(guān)峰上可以看出，2類信號在調(diào)制方式和信號幅度上并無差別，且均與各自對應的L2CM信號分量功率一致，原因是L2CL與L2CM信號分量采用分時復用的調(diào)制，在相同的積分時間內(nèi)各占一半。GPS III L2CL的信號功率占比約為14.53%。

在L2M信號分量上，采集信號場景增益較高，所以利用盲識別的方式可以完成M碼信號的判決，并繪制出相應的相關(guān)峰，如圖8所示。

圖8 GPS III衛(wèi)星L2M信號相關(guān)峰Fig.8 Correlation peak of L2M signal of GPS III satellite

從相關(guān)峰上可以看出，信號在調(diào)制方式仍為BOC(15，2.5)，GPS III L2M的信號功率占比約為44.44%。

在L2P(Y)信號分量上，同樣利用盲識別的方式可以完成L2P(Y)碼信號的判決，并繪制出相應的相關(guān)峰，如圖9所示。

圖9 GPS III衛(wèi)星L2P(Y)信號相關(guān)峰Fig.9 Correlation peak of L2P(Y) signal of GPS III satellite

從相關(guān)峰上可以看出，L2P(Y)信號在調(diào)制方式仍然為BPSK(10)，GPS III L2P(Y)的信號功率占比約為13.57%。

3 GPS新舊信號體制比較

從頻域、調(diào)制域和信號分量占比3個層面對GPS新舊體制信號進行對比，從而分析二者的區(qū)別。

3.1 頻域

通過GPS III衛(wèi)星與GPS II衛(wèi)星L1頻點信號功率譜進行比較，從功率譜上可以明顯看出在1 575.42 MHz頻點上，GPS III衛(wèi)星采用了調(diào)制方式為BOC(1，1)的兼容互操作信號L1C，如圖10(a)所示，而GPS II衛(wèi)星只有L1C/A信號，如圖10(b)所示。

圖10 L1頻點新舊信號體制功率譜對比Fig.10 Power spectrum comparison between the new and old signal systems at L1 frequency point

除此之外2種體制信號都具備L1M信號分量，且所處頻點和調(diào)制方式無明顯改變。

通過GPS III衛(wèi)星與GPS II衛(wèi)星L2頻點信號功率譜進行比較，從功率譜上可以明顯看出2類信號都具備L2C，L2M信號分量，且所處頻點和調(diào)制方式無明顯改變，但是從功率譜包絡的幅值上明顯看出新體制信號的L2M信號功率占比強于舊體制，如圖11(a)和圖11(b)所示。

圖11 L2頻點新舊信號體制功率譜對比Fig.11 Power spectrum comparison between the new and old signal systems at L2 frequency point

3.2 調(diào)制域

通過GPS III衛(wèi)星與GPS II衛(wèi)星L1頻點信號星座圖進行比較，如圖12(a)和圖12(b)所示。從星座圖的分布上，可以明顯看出新體制下的GPS III衛(wèi)星信號并未遵循早期的GPS信號采用恒包絡復用方式，且主要星座點并沒未分布在單位圓周上[12]。而目前現(xiàn)代化的北斗、伽利略衛(wèi)星均采用恒包絡調(diào)制方式[13]，這樣使得衛(wèi)星發(fā)射的信號包絡恒定，從而降低衛(wèi)星發(fā)射功放的非線性造成的失真程度[14]。GPS衛(wèi)星自身功放的線性程度良好，因而GPS III衛(wèi)星采用非恒包絡復用調(diào)制信號在通過功放后造成的失真對定位影響小。

通過GPS III衛(wèi)星與GPS II衛(wèi)星L2頻點信號星座圖進行比較，如圖13(a) 和圖13(b)所示。從星座圖上可以明顯看出，新體制信號并沒有按照上一代的設計采用恒包絡復用方式，主要星座點并沒有全部分布在單位圓上。

圖12 L1頻點新舊信號體制星座圖對比Fig.12 Comparison of constellation of new and old signal systems at L1 frequency point

圖13 L2頻點新舊信號體制星座圖對比Fig.13 Comparison of constellation of new and old signal systems at L2 frequency point

3.3 信號分量功率占比

在L1頻點功率占比上，2種信號的信號功率組成存在很大的變化，如表1所示。由于添加了新信號分量L1C，L1C/A，L1P(Y)相應的功率占比也對應變小。新舊體制的復用效率相差不大，主要原因在于新體制信號在I支路上需要包含L1P(Y)，L1Cp，L1Cd三路信號[15]，需要添加相應的交調(diào)分量保證三路信號與Q支路的L1C/A信號共同合成UQPSK的調(diào)制方式。

表1 2種體制L1頻點信號功率占比Tab.1 L1 frequency signal power ratio of two systems

在L2頻點功率占比上，2種信號的信號功率占比存在很大的變化，初步分析是由于舊體制信號是使用CASM的恒包絡調(diào)制方式[16]，信號中加入較多交調(diào)分量，所以有效信號總占比(復用效率)約為69.16%。而新體制信號并未使用恒包絡調(diào)制，所以有效信號總占比約為87.07%，如表2所示。除此之外，可以看出新體制信號L2M的功率占比明顯提升，這一結(jié)果與信號功率譜的觀測結(jié)果一致。

表2 2種體制L2頻點信號功率占比Tab.2 L2 frequency signal power ratio of two systems

4 結(jié)束語

通過對GPS III衛(wèi)星的新體制信號調(diào)制復用方式進行實際的采集分析研究，可以得到以下結(jié)論：① 新體制信號目前采用復用方式不再是恒包絡調(diào)制，主要原因是GPS衛(wèi)星自身功放的線性程度良好，非恒包絡復用調(diào)制信號在通過功放后造成的失真對定位影響?。虎?新體制信號各分量的功率占比有所調(diào)整，在L1頻點，原有的L1C/A，L1P(Y)功率占比下降一半，分出一半留給L1C信號，而L1M信號占比不變，對于L2頻點，未采用恒包絡調(diào)制后，減少的交調(diào)分量的能量占比部分由L2M信號代替，從而提升了M碼信號的功率占比。

考慮到GPS III衛(wèi)星還未正式提供服務，不同信號調(diào)制復用方式對測距定位性能的影響還有待于利用GPS接收機進行進一步分析測試。除此之外，針對其新體制信號調(diào)制復用方式的可能存在的調(diào)整還需要進一步的觀測研究，為下一代衛(wèi)星導航信號調(diào)制設計提供參考。