GPS III新體制L2頻點導航信號分析

李宏肖

(民航空管技術裝備發展有限公司，北京 100015)

0 引言

首顆GPS III衛星于2018年12月24日發射升空，GPS III衛星除了在抗干擾能力、定位精度和使用壽命等方面得到提高外，在L1頻點信號分量的構成上添加了一個新的民用導航信號L1C，且將該信號作為繼GPS系統L1C/A，L2C，L5之后的第4個民用信號[1-2]。自1999年GPS衛星現代化以來，Block II RM型號衛星開始在1 227.6 MHz頻點上播發新的民用信號L2C。隨著GPS現代化的推進，新型的授權信號L1M和L2M也被加入到GPS發射的信號中，考慮到導航載荷作為功率受限系統和功放的非線性特性，在設計上需要在同一個頻點上調制更多的信號[3-4]，因此需要保證發射信號的星座圖分布在單位圓上，降低在通過功放時的失真程度。

在GPS III上一代衛星GPS Block IIF中，采用互復用相干自適應子載波調制(Coherent Adaptive Sub-carrier Modulation，CASM)技術進行復用調制，保證了多路信號的恒包絡復用[5]，本文重點針對GPS III的調制復用方式開展研究，考慮到衛星導航信號到達地面時功率較低，所以針對調制復用方式的分析研究不能使用通用的GPS全向天線進行信號接收，只能利用高增益大口徑定向天線進行信號分析采集并利用軟件接收機和相應的信號質量分析軟件開展精細分析。本文利用7.5 m拋物面天線完成了對GPS III首星L2頻段信號的采集，并與上一代GPS Block IIF的L2信號進行了對比分析，并針對其信號調制方式、信號分量組成、復用方式等進行詳細分析，為我國北斗導航衛星系統的后續設計提供參考。

1 高精度信號質量采集分析技術

針對新體制信號開展高精度信號質量分析，一般采用大口徑天線完成對GPS III衛星導航信號數據的實時采集存儲[6]，利用Matlab等工具完成對存儲數據文件的分析。高精度的信號質量采集分析技術主要包括2部分：低失真數據采集處理技術和精細化信號軟件接收處理技術。

低失真數據采集處理技術的基本流程如圖1所示。利用高增益大口徑天線完成對導航衛星的實時穩定跟蹤，導航衛星信號依次通過饋源、L波段濾波器和低噪聲放大器，其中濾波器可實現在模擬端濾除其他頻段對導航頻段的影響[7-8]；然后利用分頻點濾波器完成對觀測頻帶范圍的濾波處理，以濾除L波段頻帶內非導航頻帶可能引入的干擾，避免在射頻直接采集時產生混疊；最后將多路信號合路后，由射頻直采設備完成采集。射頻直采設備通過高速AD完成信號采樣，并對各頻點進行數字變頻抽取處理，降低存儲數據的采樣率，從而提升數據分析效率[9-11]。隨后對抽取后的信號進行通道補償，補償濾波器的參數根據整個采集通道的標校結果確定，保證采集信號逼近無失真，最后利用高速總線完成數據的實時存儲。

圖1 低失真數據采集處理技術Fig.1 Low-distortion data acquisition and processing technology

精細化信號軟件接收處理技術的基本流程如圖2所示。

圖2 精細化的信號軟件接收處理技術Fig.2 Refinement of signal software receiving and processing technology

將采集到的信號數據進行民用基準信號的捕獲，確定數據的讀取起始點，按照起始點依次讀取積分周期長度的原始信號，利用DLL-PLL跟蹤環路完成對讀取信號的跟蹤處理[12]，獲取精準的載波多普勒和碼相位，利用跟蹤環路的觀測結果獲取剝離多普勒和殘余碼相位的零中頻信號[13]，對零中頻信號進行殘余的碼相位的剝離，并按照觀測頻點進行發射帶寬濾波，最后進行能量歸一化處理，得到最終精細化的信號質量測試信號。

2 GPS III衛星L2信號理論分析

2.1 L2信號體制分析

GPS III衛星在L2頻點共發射3種信號：P(Y)碼信號、M碼信號和L2C碼信號。該頻點下的信號可以表示為：

(1)

式中，Pp，Pm,Pc分別表示P(Y)碼，M碼和L2C碼信號的發射功率；cp(t)，cm(t)，cc(t)分別表示P(Y)碼，M碼和L2C碼信號幅值；dp(t)，dm(t)，dc(t)分別表示P(Y)碼，M碼和L2C碼信號的導航電文；Dm(t)表示M碼信號的調制副載波；θL2表示L2信號的初始相位[14]。

GPS III衛星L2頻點下的信號組成與上一代GPS IIF衛星相比，并沒有發生變化。但是GPS III衛星L2C信號的相關損耗為0.3 dB，相比上一代衛星的0.6 dB，降低約0.3 dB；L2P(Y)的相關損耗并沒有改變，依舊約為0.6 dB。此外，從地面接收最小電平的角度來看，接收帶寬為20.46 MHz條件下，GPS III衛星L2C信號的最小接收電平為-158.5 dBW，相較于GPS IIF衛星的-160.0 dBW，增強了1.5 dBW；L2P(Y)的最小接收電平依舊為-161.5 dBW，并未發生變化[15]。L2C和L2P(Y)信號的相關損耗和地面最小接收電平的改變，意味著L2整個頻點下的3個信號的調制復用方式以及各信號功率占比發生變化，這樣的改變也表明未來美國導航系統的戰略意圖。

2.2 L2信號調制復用方式分析

GPS III衛星L2頻點上共有3種信號，通過一定的調制復用方式來完成同一頻點多個信號的調制，實現該頻點下多路信號效率利用的最大化。

設I支路復用方式的映射函數為FI(x,y,z)，其中x，y，z分別為L2C,L2P(Y),L2M的碼片值(取值為0或1)。H(y,z)的映射關系如表1所示。由表1可以看出，在x和z不變的情況下，y取0或1時對應的I支路映射值相同，即：

FI(x,0,z)=FI(x,1,z)。

(2)

表1 H(y,z)的映射關系Tab.1 Mapping relationship of H(y,z)

根據以上特性，可以將映射函數改寫為：

FI(x,y,z)=H(y,z)，

(3)

式中，H(y,z)為只考慮L2C和L2M的映射函數。

調整映射關系，將式(3)改寫為：

FI(x,y,z)=(1-2x)×S(x,z)，

(4)

式中，S(y,z)映射關系為：

(5)

令R=(1-2x)×(1-2z)，則當R=1時，S(x,z)=-0.015，當R=-1時，S(x,z)=1.2。構建線性方程，可以得到S(x,z)表達式為：

S(x,z)=-0.607 5×R+0.592 5。

(6)

最終得到：

FI(x,y,z)=(1-2x)×

(-0.607 5×(1-2x)×(1-2z)+0.592 5)。

(7)

同理，設Q支路的復用方式FQ(x,y,z)，Q支路滿足x取0或1時對應的映射值相同，即：

FQ(0,y,z)=FQ(1,y,z)。

(8)

經處理，最終得到：

FQ(x,y,z)=(1-2y)×

(-0.575×(1-2y)×(1-2z)+0.425)。

(9)

進一步對3路信號的偽碼表達形式進行修改，每路信號波形的正負是偽碼極性轉換后與電文相乘得到的，因此可以表示為：

(10)

式中，CL2C(t)，CL2P(t)，CL2M(t)分別為L2C，L2P，L2M三個分量的極性偽碼；DL2C(t)，DL2P(t)，DL2M(t)為對應分量上的電文。由于極性偽碼和電文只能取1或-1，所以可以將IQ支路的復用方式改寫為：

(11)

IQ支路組合后的復用方式F(t)表達式為：

F(t)=FI(t)+jFQ(t)。

(12)

最后將零中頻信號轉換為射頻信號，可以得到：

(13)

3 GPS新舊體制L2頻點信號分析

3.1 頻域分析

GPS III衛星與GPS II衛星在L2頻點處的信號功率譜如圖3所示。GPS L2頻點處新舊體制兩代信號均具備L2C和L2M分量，且信號調制方式和調制頻點無明顯改變；但GPS III衛星新體制信號L2頻點的L2M信號功率占比強于GPS II衛星舊體制信號。

(a) GPS III L2信號功率譜

(b) GPS II L2信號功率譜圖3 新舊體制GPS衛星L2信號功率譜比較Fig.3 Comparison of L2 signal power spectrum of GPS satellites in old and new systems

3.2 調制域分析

GPS III衛星與GPS II衛星在L2頻點處信號的星座圖如圖4所示。從圖4中可以明顯看出,GPS III衛星L2頻點星座圖包含8個頂點，且并未像舊體制信號那樣分布在單位圓上，表明新體制信號采用了不同于GPS II衛星舊體制信號設計時采用的恒包絡復用方式。理論上，非恒包絡調制復用方式會導致信號幅值和相位的失真，但是卻能夠充分利用衛星上的資源，提高調制復用的效率[13]。GPS III衛星L2頻點采用非恒包絡調制復用方式，有可能采用新技術來減小因幅值和相位失真帶來的影響。

(a) GPS III L2信號星座圖

(b) GPS II L2信號星座圖圖4 新舊體制GPS衛星L2信號星座圖比較Fig.4 Comparison of L2 signal constellation diagrams of GPS satellites in old and new systems

3.3 相關域分析

L2信號各分量的相關峰如圖5所示。對于L2C信號，新舊2種體制L2CL信號分量與其對應的L2CM信號分量功率一致，且信號分量的調制復用方式和幅值基本一致，這是由于L2CM和L2CL均采用分時復用的調制方式，即各信號分量積分時間各占一半[16-17]。對于L2M信號，由于信號采集場景增益高，所以采用盲識別方式實現對L2M信號分量的判決，并繪制其相應的相關峰；L2M信號分量的調制方式仍為BOC(15,2.5)，且GPS III新體制L2M信號分量的功率占比約為44.44%。對L2P(Y)信號相關峰的觀測，同樣采用盲識別的方式實現對L2P(Y)信號分量的判決，并繪制其相應的相關峰；L2P(Y)信號分量的調制方式仍然為BPSK(10)，且GPS III新體制L2P(Y)信號的功率占比約為13.57%。

(a) GPS III L2CM發射帶寬相關峰

(b) GPS III L2CL發射帶寬相關峰

(c) GPS III L2M發射帶寬相關峰

(d) GPS III L2P發射帶寬相關峰圖5 GPS III衛星L2頻點各信號分量相關峰Fig.5 Correlation peaks of each signal component at L2 frequency of GPS III satellite

通過對L2信號各分量的相關峰分析表明，新舊2種體制的L2信號各分量的調制方式并未發生改變，新體制L2信號依然采用舊體制L2信號調制方式，這也表明GPS系統在升級迭代過程中保持了良好的繼承性。

3.4 信號分量功率占比分析

表2所示為GPS III衛星新體制信號與GPS II衛星舊體制信號在L2頻點處信號各分量的功率占比。新舊2種體制L2頻點的各信號分量功率占比有較大變化，可能是由于GPS II舊體制L2頻點信號采用了恒包絡調制方式，且加入較多交調信號分量，導致L2頻點信號的有效總占比約為69.16%[18]。GPS III衛星新體制L2頻點信號并未使用恒包絡調制方式，因此L2頻點信號的有效總占比約為87.07%。此外，新體制信號分量L2M的功率占比得到明顯提升，同時L2P(Y)的功率占比有較大幅度降低。

表2 新舊體制L2頻點信號分量功率占比Tab.2 Power ratio of L2 frequency signal components in old and new systems 單位：%

新舊體制L2頻點各信號功率占比的改變，表明了新體制L2非恒包絡調制復用方式在調制復用效率方面的優勢，尤其是L2P(Y)和L2M信號功率占比的大幅調整，更說明了未來美國對L2P(Y)軍用信號的依賴逐漸減弱，而現代化后的L2M信號將成為美國未來導航作戰的主要手段。

4 新體制L2頻點復用方式映射關系分析

由以上分析可知，新體制的GPS III衛星L2頻點復用方式不同于上一代衛星舊體制L2頻點的恒包絡調制復用方式，新體制的L2頻點采用非恒包絡調制復用方式對同一頻點下多路信號進行調制。

如圖4所示的GPS III新體制L2信號星座圖，通過對GPS III L2頻點信號各分量的分析，可以看出L2頻點存在3個信號分量L2C，L2P(Y)，L2M。對L2的調制復用方式進行研究，首先利用觀測得到的星座圖對內部的8個星座點進行描點，得到星座點坐標如表3所示。

表3 GPS III新體制L2星座點Tab.3 L2 constellation points of new system of GPS III

利用得到的一個積分周期內各分量信號的偽碼碼片的采樣值，將極性碼片值(±1)轉化為0和1，將3種信號分量按照其碼片的不同分為3類，將每一類對應時刻的碼片進行提取，并求得各類信號對應時刻的歸一化能量的零中頻信號的I支路幅值和Q支路幅值，剔除各類幅值的野值點后，計算所有幅值坐標到各星座點的平均距離，選取最小平均距離的星座點為其對應星座點，得到如表4所示的星座映射關系表。

利用得到的映射查找表進行復用處理，重新復現實際信號，以得到仿真的信號星座圖與實際信號星座圖的對比，如圖6所示。從調制域上可以看出，仿真信號星座圖與實際信號星座圖基本一致，唯一差別在于由于仿真信號添加的噪聲與實際信號中的噪聲不同，因此在紋理細節上略有不同。

(a) GPS III L2實際信號星座圖

(b) GPS III L2仿真信號星座圖圖6 GPS III L2頻點仿真與實際星座圖對比Fig.6 Comparison of simulated and actual GPS III L2 frequency point constellations

5 結束語

本文對GPS III L2頻點的信號體制和復用方式進行了理論分析，然后對比分析了新舊體制GPS L2頻點在頻域、調制域、相關域以及信號分量功率占比等方面的異同，并對GPS III 新體制L2頻點信號的復用方式映射關系進行了研究及仿真驗證，得到如下結論：① GPS III L2頻點采用了非恒包絡調制復用方式，信號的調制復用效率得到提升；② GPS III L2頻點各信號分量功率占比發生改變，其中L2M碼信號功率占比得到極大提升，L2P(Y)碼信號功率占比大幅降低；③ GPS III L2頻點各信號分量調制方式與上一代GPS L2頻點相同，GPS導航信號設計在系統迭代升級過程中保持了良好的繼承性；④ GPS III L2M碼信號采用了單獨鏈路的發射方式，提升了信號播發的靈活性，增強了信號功率調整的彈性。通過以上GPS III新體制L2頻點導航信號的分析，授權信號采用單獨鏈路發射，增強了信號播發的靈活性和功率調整的彈性，為某些特殊場景的應用提供了極大的便利，這種信號播發的設計為我國北斗導航系統授權信號的設計提供了參考。