GPS信號與Galileo信號特性分析

王華龍

摘 要：信號體制是衛星導航定位系統技術體制中最重要的部分之一，合理的信號體制對于衛星導航定位系統實現其導航，定位，授時，通信和測距等功能和滿足性能要求十分關鍵。該文首先介紹了GPS信號和GALILEO導航信號的特點，對他們的信號體制進行分析與比較。闡述了GPS、Galileo兩種衛星信號的特性，包括頻率及調制格式、相關性特性、功率特性；比較分析了兩種信號功率譜的區別，對兩種衛星信號特性進行了深入的比較與分析。

關鍵詞：GPS信號 GALILEO信號 特性

中圖分類號：TN96 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（b）-0021-02

1 GPS信號特性

1.1 頻率和調制格式

GPS衛星發射L1和L2兩種波段的載波，L1（1 575.42 MHz）上調制有P碼、C/A碼及導航電文，L2（1 227.6 MHz）上僅調制了P碼和導航電文。該文只研究L1頻率上的C/A碼。L1頻率上的GPS信號為：

（1）

1.2 C/A碼產生

C/A碼是碼速率為1.023 MHz的二相調制信號，主瓣兩個零值之間的頻譜寬度是2.046 MHz。每個碼元的長度大約為977.5 ns。為了和P碼信號對應，L1載頻上的GPS衛星信號傳輸帶寬大約為20 MHz，因此，所傳輸的C/A碼就包括主瓣以及很多旁瓣。整個碼周期包括1 023個碼元，持續1 ms，因此C/A碼的時長為1 ms。

C/A碼的相關性是其最重要的特性，包括以下兩個方面。

（1）不同C/A碼的互相關值約等于零，所有的C/A碼都幾乎與其他的C/A碼不相關，即：對于衛星i和j，其C/A碼的互相關性為：

不同衛星產生的C/A碼的互相關是非常低的，接近于0。高自相關峰和低互相關峰可以提高信號的捕獲靈敏度，為了在強信號中檢測出弱信號，強信號的互相關峰必須比弱信號的自相關峰值低。

（2）C/A碼的自相關只有在相關間隔為0時存在峰值，即兩個相同的C/A碼序列只有完全對齊時才可以得到一個相關峰值，自相關峰值的最大值是1 023，等于C/A碼的長度。C/A碼的自相關函數為：

在接收機中正是利用C/A碼的自相關的這種性質來移動本地C/A碼的相位，使本地C/A碼和接收信號的C/A碼相位對齊，獲得更高的處理增益，將深埋在噪聲中的信號檢測出來。

1.3 功率特性

GPS信號在接收時的強度由天線的發射功率，天線波瓣寬度，衛星到接收機的距離和接收天線的有效面積決定。GPS衛星天線的發射功率為478.63 W，即26.8 dBW。如果接收天線具有單位增益，有效面積是：

考慮到有大氣層造成信號的損失，一般在地球表面，接收功率大約為-160 dBW。

2 Galileo信號特性

Galileo系統的每顆衛星都發射6種信號，分別是E5a、E5b、E6P、E6C、L1P、L1F。Galileo系統提供5種服務，分別是公開服務（OS，Open Service）、商用服務（CS，Commercial Service）、生命安全服務（SOL，Safety of Life Service）、公共特許服務（PRS，Public Regulated Service）以及搜索與救援服務（SAR，Search and Rescue Support Service），該文僅研究Galileo L1F信號。

Galileo L1F信號和GPS L1信號的中心頻率重合，L1F信號是用于公開服務，免費對所有用戶開放的。L1F信號包括數據通道（L1B）和引導通道（L1C），導航電文的碼速率為125 b/s，采用了前向糾錯編碼，編碼后的速率為250 b/s。兩個通道的偽碼碼長均為4 029個碼元，是GPS C/A碼的4倍，碼速率為1.023 Mb/s，因此碼周期為4 ms。L1C信道上還有次級碼，次級碼與偽碼進行模2加，碼長為25 bit，重復周期和偽碼相同為4 ms。L1F信號可以表示為：

3 Galileo L1F信號與GPS L1 C/A碼信號的比較

在跟蹤靈敏度方面，發射Galileo L1F信號的衛星攜帶了更多載荷，衛星信號的發射功率將比L1 C/A碼信號提高3dB-5dB，從而提高了保持正確跟蹤所需的信噪比；而且L1F信號可以利用沒用調制導航電文的引導通道L1C與L1B聯合跟蹤的方法有效的提高跟蹤靈敏度。

跟蹤可靠性是指跟蹤環路只利用碼的自相關峰的主峰來跟蹤信號的能力。C/A碼自相關旁瓣至少比主瓣低21.6 dB，但在復雜環境下，這個差值仍然太小，多址干擾會造成非常大的影響。L1F信號的偽碼長度是4 092個碼片，是C/A碼的4倍，這大大提高了自相關性能，但不利的是由于BOC調制產生相關副峰，比主峰低6 dB，在低信噪比的情況下，將可能造成錯誤的捕獲和跟蹤。

由于信號的功率譜遠離載波中心頻率時，易于減輕熱噪聲對碼跟蹤環路的影響，抗干擾能力強，故采用了BOC（1，1）調制的Galileo L1F信號的跟蹤精度要比C/A碼高。

GPS L1 C/A碼信號與Galileo L1F信號的功率譜比較，L1F信號采用了BOC（1，1）調制，這種調制方法譜的主瓣分裂成兩部分，對稱地位于副載波頻率，如上圖所示，Galileo L1F信號的主瓣剛好位于GPS L1信號的兩邊，這樣就實現了Galileo與GPS的頻譜分離，從而減小了兩個系統間的干擾。

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