GPS III新體制導航信號監測分析

劉 亮，葉紅軍，郎興康

(衛星導航裝備與系統技術國家重點實驗室，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戈爾于1998年發出的對GPS進行升級改造的決議，GPS III的研制開發工作從此開展[1-3]。

2018年12月24日，GPS III首顆衛星成功發射。相比于前期的舊體制衛星，GPS III衛星除了在定位精度、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導航信號實現兼容互操作[6-7]。

隨著GNSS系統在各種領域的應用需求不斷擴大，導航系統在建設的過渡期內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向地面播發更多的下行信號，同時要滿足在同一頻點上調制更多信號的要求。由于導航載荷是一個功率受限系統以及衛星功放的非線性特性，信號播發過程中的功率占比和相位關系會受到信號調制復用方式的選取和組合的影響[8]，并且在不同調制復用方式星座點的分布上，衛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制端實現多路信號的恒包絡調制，以減小信號經過功放以后的非線性失真。例如，早期的GPS衛星可以實現在同一頻點下播發2個信號分量，利用 QPSK調制技術即可實現恒包絡發射。由于現代化的需求，GPS 需要在同一頻點上播發多個信號分量GPS 系統 L1 頻點，除了原有的L1C/A碼以及P(Y)碼，還將播發 M 碼信號，以及GPS III衛星播發的L1C信號。

本文利用現有的15 m大口徑拋物面天線完成了對GPS III衛星的信號采集，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衛星L1頻點新型信號分析

對GPS III衛星L1頻點的測試信號與本地偽碼進行相關處理，得到對應信號頻點的相關峰。為了準確獲得在信號發射帶寬內的GPS信號各分量的能量，相關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，這樣相關峰峰值的平方就代表該信號分量在發射帶寬內的功率占比。

對GPS III衛星 L1C/A信號相關峰進行歸一化處理，如圖1所示。

圖1 GPS III衛星L1C/A信號相關峰Fig.1 Correlation peak of L1C/A signal of GPS III satellite

從相關峰上可以看出，L1C/A調制方式仍然為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峰，如圖2所示。從L1M相關峰上可以看出，信號調制方式仍然為BOC(10，5)，GPS III L1M的信號功率占比約為25.32%。

圖2 GPS III衛星L1M信號相關峰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)的調制方式進行相關，可以發現GPS III信號播發了L1Cp(L1C pilot)信號和L1Cd(L1C data)信號，相關峰如圖3(a)和圖3(b)所示。

圖3 GPS III衛星L1C信號相關峰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，采用相關標準和文獻提供的參考，利用TMBOC調制方式生成L1Cp信號偽碼[11]，從而得到相關峰峰值更高的相關曲線，如圖4所示。因此，可以確定GPS III播發了TMBOC的調制信號，且功率占比約為17.71%，根據之前推算的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衛星L1Cp信號相關峰Fig.4 Correlation peak of L1Cp signal of GPS III satellite

然而對于GPS III衛星，卻無法從衛星中解出相應的L1P(Y)長碼，在舊體制的GPS衛星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，可以得到L1P(Y)信號的相關峰，如圖5所示。

圖5 GPS III衛星L1P(Y)信號相關峰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衛星L2頻點新型信號分析

對GPS III衛星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處理，得到對應信號頻點的相關峰。為了準確獲得在信號發射帶寬內的各信號分量的能量，相關運算使用的信號統一采用30.69 MHz帶寬進行濾波后的歸一化信號，這樣相關峰峰值的平方就代表該信號分量在發射帶寬內的功率占比。

對GPS III衛星 L2CM信號相關峰進行歸一化處理，如圖6所示。

圖6 GPS III衛星L2CM信號相關峰Fig.6 Correlation peak of L2CM signal of GPS III satellite

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

對GPS III衛星 L2CL信號相關峰進行歸一化處理，如圖7所示。

圖7 GPS III衛星L2CL信號相關峰Fig.7 Correlation peak of L2CL signal of GPS III satellite

在L2CL信號分量上，從相關峰上可以看出，2類信號在調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制，在相同的積分時間內各占一半。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峰，如圖8所示。

圖8 GPS III衛星L2M信號相關峰Fig.8 Correlation peak of L2M signal of GPS III satellite

從相關峰上可以看出，信號在調制方式仍為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峰，如圖9所示。

圖9 GPS III衛星L2P(Y)信號相關峰Fig.9 Correlation peak of L2P(Y) signal of GPS III satellite

從相關峰上可以看出，L2P(Y)信號在調制方式仍然為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，從而分析二者的區別。

3.1 頻域

通過GPS III衛星與GPS II衛星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衛星采用了調制方式為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，且所處頻點和調制方式無明顯改變。

通過GPS III衛星與GPS II衛星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 調制域

通過GPS III衛星與GPS II衛星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]。而目前現代化的北斗、伽利略衛星均采用恒包絡調制方式[13]，這樣使得衛星發射的信號包絡恒定，從而降低衛星發射功放的非線性造成的失真程度[14]。GPS衛星自身功放的線性程度良好，因而GPS III衛星采用非恒包絡復用調制信號在通過功放后造成的失真對定位影響小。

通過GPS III衛星與GPS II衛星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分量保證三路信號與Q支路的L1C/A信號共同合成UQPSK的調制方式。

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的恒包絡調制方式[16]，信號中加入較多交調分量，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，這一結果與信號功率譜的觀測結果一致。

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 結束語

通過對GPS III衛星的新體制信號調制復用方式進行實際的采集分析研究，可以得到以下結論：① 新體制信號目前采用復用方式不再是恒包絡調制，主要原因是GPS衛星自身功放的線性程度良好，非恒包絡復用調制信號在通過功放后造成的失真對定位影響小；② 新體制信號各分量的功率占比有所調整，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，未采用恒包絡調制后，減少的交調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衛星還未正式提供服務，不同信號調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制復用方式的可能存在的調整還需要進一步的觀測研究，為下一代衛星導航信號調制設計提供參考。