L5載波的信號質量分析

伍 岳，羅和平，邱 蕾

(1.三峽大學 土木與建筑學院,湖北 宜昌 443002；2.深圳市大鵬新區土地整備中心，廣東 深圳 518000；3.深圳市地籍測繪大隊，廣東 深圳 518034)

L5載波的信號質量分析

伍 岳1，羅和平2，邱 蕾3

(1.三峽大學 土木與建筑學院,湖北 宜昌 443002；2.深圳市大鵬新區土地整備中心，廣東 深圳 518000；3.深圳市地籍測繪大隊，廣東 深圳 518034)

增加第三民用頻率L5載波是GPS現代化措施中的一項，目前美國已經有4顆衛星具有L5觀測值。從L5的信號結構上進行分析，應用L5載波的實際觀測數據，與L1載波和L2載波相比較，L5載波不但在信噪比上得到提高，而且其多路徑效應的影響也比較小，具有較好的數據觀測質量。

GPS現代化；L5載波；多路徑效應；信號質量分析

GPS現代化前，GPS衛星共發射L1載波(1 575.42 MHz)和L2載波(1227.60MHz)兩個頻率。1999年，為了提高GPS的競爭力，美國提出GPS現代化措施，主要內容是在第二個頻率L2載波上增加了L2C碼以及增加了第三民用頻率L5載波。新增加的L5載波，從信號結構設計上已經不同于L1載波和L2載波，它的設計比L1載波和L2載波更具有抗干擾性能，其性能也得到大大的提高。第三民用頻率L5載波的增加，不但可以與L1載波和L2載波形成更多的線性組合，而且可以減少電離層延遲的影響，加快整周模糊度的求解。本文先從L5的信號結構上進行分析，通過L5載波的實際觀測數據，與L1載波和L2載波相比較，結果表明，L5載波不但在信噪比上得到提高，而且其多路徑效應的影響也比較小，具有較好的數據觀測質量。

1 BLOCK ⅡR

2009年3月，美國成功發射一顆現代化實驗衛星BLOCK ⅡR20-(M)衛星，該衛星的發射標志著GPS第三民用頻率開始使用。2010年5月，美國的佛羅里達州發射第一顆具有第三民用頻率L5載波的現代化衛星。截止目前，具有第三民用頻率L5載波的BLOCK IIR衛星分別為PRN01、PRN24、PRN25和PRN27，但是仍然無法在同一時刻組成觀測方程進行解算。

2 L5載波的信號結構

L5載波頻率1176.45 MHz，波長25.48 cm，帶寬24 MHz，由 2個幅度相等且相位正交的分量組成(見圖1)。其中一個載有導航信息，稱為數據通道 I (data channel)；另外一個沒有導航信息，稱為導航信道Q(pilot channel)。因此，第j顆衛星的L5載波可以定義為

sj=n(20,t)g(i,t)sin(w5t+Φ)+

Dj(t)n(10,t)g(k,t)cos(w5t+Φ).

(1)

式中：n(20,t)和n(10,t)是周期長度為10個基碼和20個基碼的Neuman-Hoffman同步碼(簡稱NH同步碼)；g(k,t)和g(i,t)為偽隨機碼流；w5=2π×1 176.45 MHz；Dj(t)為導航數據流。

圖1 GPS現代化后的GPS信號

第三民用頻率L5載波與L1載波和L2載波的設計不同，它在I通道和Q通道上均具有隨機碼生成器。此外，L5信號采用NH同步碼，NH同步碼以1千波特/s的速率調制在I通道和Q通道上，提高抗窄帶干擾的能力。同時，L5信號的最低接受功率比L1信號提高0.6 dB，這會提高L5信號在噪聲環境下的表現。

3 L5的信號質量分析

3.1 信噪比質量分析

信號的信噪比是指載波信號強度與噪聲強度的比值，單位dB-Hz，表達如式(2)所示。通常使用信噪比來表示GPS觀測數據質量的好壞，信噪比越高，GPS觀測數據質量越好，更有益于提高GPS基線解算的精度。

(2)

式中:S為信號平均功率;k為玻茲曼常數;T為開氏溫度。

提取采集到的觀測數據的L1載波、L2載波和L5載波的信噪比，將結果繪制于圖2。同時，將L5載波和L1載波的信噪比差值繪制于圖3。圖中橫坐標為觀測歷元，縱坐標為信噪比，單位dB-Hz。觀測數據的時間為2013年第279天，數據采樣間隔為15 s。

圖2 現代化衛星的信噪比圖

圖3 現代化衛星的信噪比差值圖

從圖2中可以看出，L1載波的信噪比變化范圍為(26.8～50.3)dB-Hz，L2載波的信噪比變化范圍為(29.6～49.2)dB-Hz，L5載波的信噪比變化范圍為(36.6～54.5)dB-Hz。L5載波的信噪比明顯比L1載波和L2載波的信噪比高，接收到的最低信噪比比L1載波的最低信噪比高9.8 dB-Hz，L2載波接收到的最低信噪比比L1載波的最低信噪比高2.8 dB-Hz。從圖3中可以看出，L5載波的信噪比比L1載波的信噪比平均高6.5 dB-Hz。因此，L5載波的信噪比比L1載波和L2載波的信噪比明顯提高，調制了L2C碼的衛星的L2載波信噪比也比L1載波信噪比高。

3.2 多路徑效應分析

GPS的偽距觀測方程可以表示為式(3)，相位觀測方程可以表示為式(4)。

ρi=ρ+c(dT-dt)+dioni+dtrop+mpρi+ερi,

(3)

Φi=ρ+c(dT-dt)+λiNi-dioni+

dtrop+mpΦi+εφi.

(4)

式中:i表示L1載波或者L2載波的頻率;ρi表示偽距觀測值;ρ表示幾何距離;dT表示接收機鐘差;dt表示衛星鐘差;dioni表示電離層延遲;dtrop表示對流層延遲;mpρi表示多路徑效應;ερi表示觀測噪聲;Φi為相位觀測值;λi為波長;Ni為整周模糊度。

(5)

式(5)的右邊包含偽距多路徑效應、相位多路徑效應、整周模糊度以及觀測噪聲。由于相位的多路徑效應和觀測噪聲相對比較小，因此通過偽距平滑消除整周模糊度后，右式就可以用來表示偽距的多路徑效應的影響。

利用式(5)，自編程序，求出PRN1、PRN24、PRN25和PRN27的C/A、C2和C5載波的多路徑效應，將結果繪制成圖4。圖4中橫坐標表示觀測歷元，縱坐標表示多路徑效應延遲，單位為m。從圖中可以看出，4顆衛星的C5的多路徑效應明顯比C/A和C2的多路徑效應小，C2碼的多路徑效應比C/A碼的多路徑效應略小。

4 結 論

GPS現代化后，新增加的第三民用頻率L5載波的獨特設計使得它在性能方面優于L1載波和L2載波。新增加的L5載波的信噪比比L1載波和L2載波明顯提高，L5載波的信噪比比L1載波的信噪比平均高6.5 dB-Hz，調制了L2C碼的現代化GPS衛星的L2載波信噪比也比L1載波信噪比高。C5的多路徑效應明顯比C/A和C2的多路徑效應小，C2碼的多路徑效應比C/A碼的多路徑效應略小。

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[責任編輯：張德福]

Quality analysis of GPS L5 signal

WU Yue1，LUO He-ping2，QIU Lei3

(1.Key Lab of Geological Hazards Controlling of Three Gorges Reservoir Area，Yichang 443002,China; 2.Dapeng Land Development Center，Shenzhen 518034,China; 3.Shenzhen Cadastral Surveying and Mapping Team, Shenzhen 518034,China)

In 1999，the GPS modernization measures are proposed.One of the main measures is to increase the third civil carrier frequency L5，which can not only be used to form a linear combination with the other two carrier phase，but also reduce the influence of the ionospheric delay.It presents the L5 signal structure firstly by the actual observation data.And then it analyzes the new L5 carrier compared with L1 carrier and L2 carrier，which can conclude that the signal-to-noise ratio is improved，and the influence of the multipath effect is small.

GPS modernization;L5 carrier phase;multipath effect quality analysis of signal

2013-11-18；補充更新日期：2014-11-29

國家自然科學基金資助項目(41004010)

伍岳(1977-)，男，博士.

P228

：A

：1006-7949(2014)12-0008-04