GPSIII首星信號結構及其特性分析

盧曉春 王 萌 王 雪 饒永南

①(中國科學院國家授時中心 西安 710600)

②(中國科學院大學天文與空間科學學院 北京 101407)

③(中國科學院大學電子電氣與通信工程學院 北京 101407)

1 引言

相比于傳統全球定位系統(Global Positing System,GPS)信號，GPS現代化衛星具有更好的信號相關特性、更大的信號功率、更妥善的導航電文結構、更高的定位精度以及更強的抗干擾能力[1]。特別是在GPS現代化建設第3階段中，如表1，將通過發射Block III衛星而增加新型民用L1C信號[1]。為了優先保障軍事應用，在保留平時M碼信號進行全球覆蓋性發射這一思路的基礎上，增加了在必要時通過高增益天線定向地產生高功率點波束發射[1]。美國于2018年底發射第1顆GPSIII衛星，繼Galileo和北斗全球衛星導航系統(BeiDou System,BDS)后，GPS首次在軌播發復用二進制偏移載波(Multiplexed Binary Offset Carrier,MBOC)調制中經典的時分復用二進制偏移載波(Time Multiplexed Binary Offset Carrier,TMBOC)調制信號[2–5]，全球定位系統II代(Global Positing System II,GPSII)采用正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)調制以及相干自適應副載波調制(Coherent Adaptive Subcarrier Modulation,CASM)復用方式，GPSIII代復用方式尚未公開。2019年8月，第2顆GPS III衛星成功發射，標志著GPS現代化第3階段更向前推進一步。

表1 GPSL1信號分量

當前，關于GPS III信號的系統官方文件尚未全部公布，GPS III實際播發信號的結構和性能亟需研究。德國宇航中心的Steffen Thoelert團隊對GPS III首星從頻譜和星座圖進行了初步分析，中國電子科技集團54研究所也做了類似的工作，對GPS III信號結構的深入研究還有很大的空間。國家授時信號質量評估團隊在完成上述工作的同時，參考目前已公開的全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)控制接口文檔(Interface Control Document,ICD)評估指標項為模板，更深入地進行了實際播發信號的分析工作，給出了當前信號質量評估結果，彌補了該項空白。本文作者研究團隊基于中國科學院國家授時中心的GNSS空間信號質量評估系統，對GPS III衛星進行了多次監測以及數據采集、分析比對工作。對L1信號的調制方式，尤其是L1M分量載波相位“滑動”現象進行了驗證，并利用L1C/A解析出M碼序列，完成了L1C/A, L1Cd,L1Cp以及L1M信號分量的信號質量評估工作，對GPS III信號的S曲線過0點偏差、各信號分量功率配比以及L1M信號的相關幅值做了定量分析。本結果可支撐后續關于GPS III信號的信號質量評估分析工作，也可為北斗信號質量的設計提供參考。

2 信號分析處理流程

如圖1，本文信號分析處理主要包括信號預處理、信號現象分析以及信號質量評估3部分。首先利用大口徑高增益天線進行多次數據采集，將數據送入軟件接收機，進行信號捕獲、跟蹤和解調解擴完成數據預處理。

圖1 本文框架

信號現象分析主要針對基帶信號同相/正交(In-phase/Quadrature,I/Q)頻譜分布以及L1信號星座圖“滑動”現象，通過對不同濾波帶寬設置下的星座圖幅值和相位采取數理統計，初步驗證了L1信號載波相位“時變”主要源于L1M信號。最后在信號質量評估階段，利用L1C/A解析出M偽碼序列，完成了多項信號質量評估指標的分析，其中信號功率配比關系指標項也佐證了“L1信號載波相位滑動現象主要源于L1M信號”。

3 GPSIII衛星信號結構分析

3.1 L1信號I/Q頻譜分析

功率譜反映了信號功率隨著頻率的變化情況，是分析衛星導航信號結構的重要手段，可直觀獲得衛星信號發射帶寬、調制方式以及中心頻率等特征，也可觀測信號是否有明顯畸變。采用經典的Welch周期圖法[6]繪制功率譜。如圖2所示，與GPS II信號相比，GPS III信號一個最顯著的特征是增加MBOC調制的L1C新型民用信號分量。為了進一步研究不同信號分量間的相位關系，使用L1C/A偽碼分別對GPS L1射頻信號進行捕獲、跟蹤等接收處理后得到GPS II以及GPS III L1頻點基帶信號，在載波相位跟蹤精準的前提下，一般基帶信號為理想的正交調制，采取同樣的方法對導航信號I/Q支路信號功率譜分布進行分析。如圖3—圖5所示，表2統計了GPSL1頻點信號I/Q支路信號分量構成。

表2 GPSL1信號I/Q支路調制方式統計

圖2 GPSL1功率譜對比圖

圖3 GPSIII L1同相/正交支路功率譜

圖4 GPS同相支路頻譜分布

圖5 GPS正交支路頻譜分布

由圖3可得：GPSIII信號同相支路由L1C/A與L1M構成，正交支路中除了明顯的L1C,P(Y)功率譜包絡外，也出現了中心頻率位于10 MHz，單邊帶寬5 MHz的信號功率譜，類似L1M功率譜特性，該現象首次出現在GPS信號中。I/Q頻譜分布統計結果表明信號分量呈遞增趨勢，相比于傳統的二進制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)調制，二進制偏移載波(Binary Offset Carrier,BOC)調制逐漸占據主導。特別地，II代CASM復用方式下，信號明顯向前向后兼容。

3.2 L1信號調制矢量分析

星座圖能直觀地反映信號分量的幅度大小及分量間相位對應關系。導航信號一般多采用正交調制，不同支路的偽碼相位關系近似正交，利用星座圖可以直觀地判斷導航信號的分量組成個數、信號分量間相位相對關系、信號分量間功率配比以及信號復用調制方式等信息[7]。如圖6和圖7所示，分別繪制GPS III和GPS II L1頻點星座圖，與GPS II相比，GPSIII星座圖包含8個未分布在單位圓上星座點，為非恒包絡調制。導航信號自星上發射至地面接收過程中路徑損耗以及大氣衰落十分嚴重，為了保證地面接收端足夠的接收功率，對星上發射機的發射功率提出了更高的需求[8]。為了使星上高功率放大器工作在非線性飽和區，以達到較高的發射效率，提出了合成信號恒包絡特性的需求。GPS III L1信號明顯未采用傳統的恒包絡調制方式，推測GPS在高功率放大器技術上有了明顯的提升，規避了恒包絡發射犧牲發射效率的弊端。

圖6 GPSIII L1星座圖

圖7 GPSII L1星座圖

對GPS III進行衛星俯仰角變化范圍為14°～36°，約6.5 h的全弧段監測。選取連續5個時間段(每間隔20 min一組，每組采集時常為10 s)數據進行分析處理，如圖8給出其中3個時間段的星座圖，在連續長時間分析中，發現L1信號星座圖處于“時變”中，結合頻譜分布中I/Q支路同時出現L1M調制特征頻譜，對該現象原因進行深入分析。

選取主瓣帶寬(單邊帶寬7 MHz)和發射帶寬(單邊帶寬30 MHz)兩種濾波器帶寬進行濾波后繪制星座圖，由于L1M信號為BOC(10,5)調制，信號主能量被搬移至距中頻10 MHz處，主瓣帶寬內星座圖主要是L1C/A,L1C,P(Y )以及三者的交調分量占主導，而發射帶寬內則包含L1M信號在內的所有分量能量的調制特性。圖8繪制出同時刻發射帶寬和主瓣帶寬條件下的星座圖。從星座圖變化趨勢來看，發射帶寬條件下為非恒包絡調制，且信號間相位關系處于變化中，主瓣帶寬內信號相位則相對恒定，為恒包絡QPSK調制。

圖8 GPSIII L1星座圖時變示意圖

為了進一步驗證，采取圖9所示星座圖表征方式，對不同時刻主瓣帶寬內信號星座圖的星座點幅值和相位進行統計分析。

圖9 GPSIII L1星座圖統計表征圖

表3中同時刻條件下，主瓣帶寬內4個星座點的幅度差異僅為0.01，不同時刻條件下，信號相位變化規律保持一致，佐證了L1C/A,P(Y )以及L1C信號分量間功率配比以及相位關系恒定，為恒包絡QPSK調制。L1M調制方式為BOC(10,5)，主瓣帶寬內信號能量分布較少，推測L1信號星座圖相位滑動現象主要是由L1M引起的，且L1M載波相位一直在“時變”。

表3 主瓣帶寬內星座點幅度相位統計結果

3.3 L1信號功率配比關系

假設信號失真引入的相關功率損失較小可忽略，基于跟蹤穩定后的即時支路輸出結果，可準確求解已解析信號分量的功率配比[9]。P(Y ),L1C以及L1M分量共同調制在正交支路上，由于有兩路授權信號在正交支路上，解碼誤碼率不能保障，本文對P(Y )的功率未作分析。表4為GPS III L1頻點所有可以穩定跟蹤的信號分量的功率占比。

表4 不同時刻L1頻點各信號分量功率配比統計表

4 L1 頻點授權信號解析

4.1 L1M授權信號解析

如圖10所示，由于L1C/A信號單個偽碼寬度內包含4個完整的L1M信號子載波碼片，根據偽隨機噪聲碼的平衡性式(3)可改寫為

圖10 副載波對應關系

通過式(4)可得L1M偽碼符號最佳判決門限為0，則取符號函數可直接判斷L 1M信號的偽碼符號。為驗證所解析L1M偽碼的正確性，對解析出L1M偽碼序列采用峰跳法[12]進行跟蹤，如圖11跟蹤結果所示，載波環路和碼環路均跟蹤穩定，由于默認電文未發生翻轉，所以跟蹤結果呈單極性。

圖11 L1M信號跟蹤結果

對解析出的L1M授權信號分別與本地接收信號的同相/正交支路進行互相關操作，如圖12和圖13，同相/正交支路均有明顯的相關曲線，均符合BOC(10,5)信號調制特征。

圖12 解析M碼與同相支路信號相關曲線

圖13 解析M碼與正交支路信號相關曲線

4.2 信號質量評估-相關特性分析

信號失真帶來的偽距誤差，可直接體現為相關函數的異常。利用相關曲線，可以評估由信道帶限和失真等因素引起的相關功率損耗及其對導航性能的影響[12–14]。理想情況下，接收機碼跟蹤環鑒相曲線(S曲線)的過0點(即碼環的鎖定點)應位于碼跟蹤誤差為0處，而實際上由于信道傳輸失真、多徑等影響會引起碼環鎖定存在偏差，由于用戶接收機設置帶寬和相關器間隔之間的差異，會造成嚴重的測距誤差[11]。S曲線過0點偏差(S-Curve Bias,SCB)則反映了碼環的鎖定點在不同相關器間隔情況下的測距表現。采用典型的非相干超前—滯后鑒相器為例，設其相關器的超前—滯后間距為δ,S曲線的表達式為

如表5所示，統計各支路信號相關間隔內SCB最大值。本次數據結果分析，由于L1Cp調制方式為高階BOC調制，信號SCB為1.271 ns，其余支路均小于0.3 ns。其中授權信號L1M性能最優，達到了0.058 ns，測距性能明顯優于其他信號分量。

表5 L1信號SCB統計表

5 結束語

本文對GPS III衛星的L1頻點空間信號進行了長期監測以及分析。相比以往GPS信號，非恒包絡調制首次出現在現代化GNSS中，且信號特性完好。推測GPS III衛星上高功率放大器有了新的突破，規避恒包絡復用方法犧牲發射效率的缺陷，北斗全球系統B1頻點為多信號分量恒包絡合成，后續可在該方向有所突破。文獻[1]中提到的GPS III設計M碼在星上采取單獨鏈路發射，在有需求時，GPS III將采用高增益天線定向產生M碼信號點波束發射理念，結合本文GPS III L1信號的載波相位滑動現象主要由L1M信號分量引起，推測L1M可能單獨于其他信號分量，有利于軍方的靈活調整。L1M功率占比明顯大于L1Cd,L1Cp及L1C/A信號支路，S曲線過0點偏差更小，性能更優，信號設計優先考慮了軍事應用，推測未來將以L1M信號作為主要的軍用信號。中國科學院國家授時中心GNSS空間信號質量評估系統，將持監測GPS信號變化情況，進一步進行GPS III新衛星信號結構的推演以及長期信號質量評估工作。