劉 亮，葉紅軍，郎興康

(衛(wèi)星導(dǎo)航裝備與系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著GPS用戶對(duì)其準(zhǔn)確性和可靠性需求的進(jìn)一步提升，2000年美國(guó)國(guó)會(huì)通過了副總統(tǒng)戈?duì)栍?998年發(fā)出的對(duì)GPS進(jìn)行升級(jí)改造的決議，GPS III的研制開發(fā)工作從此開展[1-3]。

2018年12月24日，GPS III首顆衛(wèi)星成功發(fā)射。相比于前期的舊體制衛(wèi)星，GPS III衛(wèi)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(qiáng)外，L1頻點(diǎn)的信號(hào)分量構(gòu)成也更加復(fù)雜，增加了新的民用信號(hào)L1C[4]，成為了繼L1C/A，L2C，L5之后的第4個(gè)民用信號(hào)[5]，且可以與北斗和GALILEO導(dǎo)航信號(hào)實(shí)現(xiàn)兼容互操作[6-7]。

隨著GNSS系統(tǒng)在各種領(lǐng)域的應(yīng)用需求不斷擴(kuò)大，導(dǎo)航系統(tǒng)在建設(shè)的過渡期內(nèi)需要滿足兼容新舊體制導(dǎo)航信號(hào)的要求，這就需要在既有的導(dǎo)航頻段內(nèi)向地面播發(fā)更多的下行信號(hào)，同時(shí)要滿足在同一頻點(diǎn)上調(diào)制更多信號(hào)的要求。由于導(dǎo)航載荷是一個(gè)功率受限系統(tǒng)以及衛(wèi)星功放的非線性特性，信號(hào)播發(fā)過程中的功率占比和相位關(guān)系會(huì)受到信號(hào)調(diào)制復(fù)用方式的選取和組合的影響[8]，并且在不同調(diào)制復(fù)用方式星座點(diǎn)的分布上，衛(wèi)星功率放大器的非線性特性也會(huì)影響到不同信號(hào)星座點(diǎn)對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值[9]。因此，一般的做法是在基帶調(diào)制端實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的恒包絡(luò)調(diào)制，以減小信號(hào)經(jīng)過功放以后的非線性失真。例如，早期的GPS衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)在同一頻點(diǎn)下播發(fā)2個(gè)信號(hào)分量，利用 QPSK調(diào)制技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)恒包絡(luò)發(fā)射。由于現(xiàn)代化的需求，GPS 需要在同一頻點(diǎn)上播發(fā)多個(gè)信號(hào)分量GPS 系統(tǒng) L1 頻點(diǎn)，除了原有的L1C/A碼以及P(Y)碼，還將播發(fā) M 碼信號(hào)，以及GPS III衛(wèi)星播發(fā)的L1C信號(hào)。

本文利用現(xiàn)有的15 m大口徑拋物面天線完成了對(duì)GPS III衛(wèi)星的信號(hào)采集，與上一代舊體制信號(hào)進(jìn)行了對(duì)比分析，并對(duì)其信號(hào)的調(diào)制方式、分量組成和復(fù)用方式等方面進(jìn)行了相應(yīng)分析。

1 GPS III衛(wèi)星L1頻點(diǎn)新型信號(hào)分析

對(duì)GPS III衛(wèi)星L1頻點(diǎn)的測(cè)試信號(hào)與本地偽碼進(jìn)行相關(guān)處理，得到對(duì)應(yīng)信號(hào)頻點(diǎn)的相關(guān)峰。為了準(zhǔn)確獲得在信號(hào)發(fā)射帶寬內(nèi)的GPS信號(hào)各分量的能量，相關(guān)運(yùn)算使用的信號(hào)采用30.69 MHz帶寬進(jìn)行濾波并能量歸一化處理，這樣相關(guān)峰峰值的平方就代表該信號(hào)分量在發(fā)射帶寬內(nèi)的功率占比。

對(duì)GPS III衛(wèi)星 L1C/A信號(hào)相關(guān)峰進(jìn)行歸一化處理，如圖1所示。

圖1 GPS III衛(wèi)星L1C/A信號(hào)相關(guān)峰Fig.1 Correlation peak of L1C/A signal of GPS III satellite

從相關(guān)峰上可以看出，L1C/A調(diào)制方式仍然為BPSK(1)，GPS III L1C/A的信號(hào)功率占比約為14.75%。

在L1M信號(hào)分量上，采集信號(hào)場(chǎng)景增益較高，所以利用盲識(shí)別的方式可以完成M碼碼流的判決[10]，并繪制出相應(yīng)的相關(guān)峰，如圖2所示。從L1M相關(guān)峰上可以看出，信號(hào)調(diào)制方式仍然為BOC(10，5)，GPS III L1M的信號(hào)功率占比約為25.32%。

圖2 GPS III衛(wèi)星L1M信號(hào)相關(guān)峰Fig.2 Correlation peak of L1M signal of GPS III satellite

針對(duì)本次新體制的兼容互操作信號(hào)L1C，通過利用L1C的偽碼按照BOC(1，1)的調(diào)制方式進(jìn)行相關(guān)，可以發(fā)現(xiàn)GPS III信號(hào)播發(fā)了L1Cp(L1C pilot)信號(hào)和L1Cd(L1C data)信號(hào)，相關(guān)峰如圖3(a)和圖3(b)所示。

圖3 GPS III衛(wèi)星L1C信號(hào)相關(guān)峰Fig.3 Correlation peak of L1C signal of GPS III satellite

在信號(hào)幅度上，L1Cp信號(hào)功率占比約為14.49%，L1Cd信號(hào)功率占比約為5.80%。

進(jìn)一步針對(duì)L1Cp信號(hào)進(jìn)行研究，采用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)提供的參考，利用TMBOC調(diào)制方式生成L1Cp信號(hào)偽碼[11]，從而得到相關(guān)峰峰值更高的相關(guān)曲線，如圖4所示。因此，可以確定GPS III播發(fā)了TMBOC的調(diào)制信號(hào)，且功率占比約為17.71%，根據(jù)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(wèi)星L1Cp信號(hào)相關(guān)峰Fig.4 Correlation peak of L1Cp signal of GPS III satellite

然而對(duì)于GPS III衛(wèi)星，卻無(wú)法從衛(wèi)星中解出相應(yīng)的L1P(Y)長(zhǎng)碼，在舊體制的GPS衛(wèi)星L1頻點(diǎn)信號(hào)中，L1C/A信號(hào)位于I支路，L1P(Y)信號(hào)位于Q支路，而此時(shí)的新體制信號(hào)中摻雜了L1C信號(hào)，包括L1Cp和L1Cd，無(wú)法直接辨識(shí)L1P(Y)信號(hào)。需要采用更加復(fù)雜的方式進(jìn)行提取。通過對(duì)信號(hào)中其余信號(hào)分量的剔除，將剝離了其他信號(hào)分量后的信號(hào)進(jìn)行處理，利用盲識(shí)別的方式完成對(duì)剩余信號(hào)內(nèi)的L1P(Y)偽碼碼流的判決提取，并與原始的功率歸一化信號(hào)進(jìn)行相關(guān)，可以得到L1P(Y)信號(hào)的相關(guān)峰，如圖5所示。

圖5 GPS III衛(wèi)星L1P(Y)信號(hào)相關(guān)峰Fig.5 Correlation peak of L1 P(Y) signal of GPS III satellite

測(cè)量得到L1P(Y)信號(hào)處于I支路，與L1C信號(hào)同相位，功率占比約為8.17%。

2 GPS III衛(wèi)星L2頻點(diǎn)新型信號(hào)分析

對(duì)GPS III衛(wèi)星L2頻點(diǎn)信號(hào)進(jìn)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(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，得到對(duì)應(yīng)信號(hào)頻點(diǎn)的相關(guān)峰。為了準(zhǔn)確獲得在信號(hào)發(fā)射帶寬內(nèi)的各信號(hào)分量的能量，相關(guān)運(yùn)算使用的信號(hào)統(tǒng)一采用30.69 MHz帶寬進(jìn)行濾波后的歸一化信號(hào)，這樣相關(guān)峰峰值的平方就代表該信號(hào)分量在發(fā)射帶寬內(nèi)的功率占比。

對(duì)GPS III衛(wèi)星 L2CM信號(hào)相關(guān)峰進(jìn)行歸一化處理，如圖6所示。

圖6 GPS III衛(wèi)星L2CM信號(hào)相關(guān)峰Fig.6 Correlation peak of L2CM signal of GPS III satellite

在L2CM信號(hào)分量上，從相關(guān)峰上可以看出，GPS III L2CM的信號(hào)功率占比約為14.53%。

對(duì)GPS III衛(wèi)星 L2CL信號(hào)相關(guān)峰進(jìn)行歸一化處理，如圖7所示。

圖7 GPS III衛(wèi)星L2CL信號(hào)相關(guān)峰Fig.7 Correlation peak of L2CL signal of GPS III satellite

在L2CL信號(hào)分量上，從相關(guān)峰上可以看出，2類信號(hào)在調(diào)制方式和信號(hào)幅度上并無(wú)差別，且均與各自對(duì)應(yīng)的L2CM信號(hào)分量功率一致，原因是L2CL與L2CM信號(hào)分量采用分時(shí)復(fù)用的調(diào)制，在相同的積分時(shí)間內(nèi)各占一半。GPS III L2CL的信號(hào)功率占比約為14.53%。

在L2M信號(hào)分量上，采集信號(hào)場(chǎng)景增益較高，所以利用盲識(shí)別的方式可以完成M碼信號(hào)的判決，并繪制出相應(yīng)的相關(guān)峰，如圖8所示。

圖8 GPS III衛(wèi)星L2M信號(hào)相關(guān)峰Fig.8 Correlation peak of L2M signal of GPS III satellite

從相關(guān)峰上可以看出，信號(hào)在調(diào)制方式仍為BOC(15，2.5)，GPS III L2M的信號(hào)功率占比約為44.44%。

在L2P(Y)信號(hào)分量上，同樣利用盲識(shí)別的方式可以完成L2P(Y)碼信號(hào)的判決，并繪制出相應(yīng)的相關(guān)峰，如圖9所示。

圖9 GPS III衛(wèi)星L2P(Y)信號(hào)相關(guān)峰Fig.9 Correlation peak of L2P(Y) signal of GPS III satellite

從相關(guān)峰上可以看出，L2P(Y)信號(hào)在調(diào)制方式仍然為BPSK(10)，GPS III L2P(Y)的信號(hào)功率占比約為13.57%。

3 GPS新舊信號(hào)體制比較

從頻域、調(diào)制域和信號(hào)分量占比3個(gè)層面對(duì)GPS新舊體制信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，從而分析二者的區(qū)別。

3.1 頻域

通過GPS III衛(wèi)星與GPS II衛(wèi)星L1頻點(diǎn)信號(hào)功率譜進(jìn)行比較，從功率譜上可以明顯看出在1 575.42 MHz頻點(diǎn)上，GPS III衛(wèi)星采用了調(diào)制方式為BOC(1，1)的兼容互操作信號(hào)L1C，如圖10(a)所示，而GPS II衛(wèi)星只有L1C/A信號(hào)，如圖10(b)所示。

圖10 L1頻點(diǎn)新舊信號(hào)體制功率譜對(duì)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(hào)都具備L1M信號(hào)分量，且所處頻點(diǎn)和調(diào)制方式無(wú)明顯改變。

通過GPS III衛(wèi)星與GPS II衛(wèi)星L2頻點(diǎn)信號(hào)功率譜進(jìn)行比較，從功率譜上可以明顯看出2類信號(hào)都具備L2C，L2M信號(hào)分量，且所處頻點(diǎn)和調(diào)制方式無(wú)明顯改變，但是從功率譜包絡(luò)的幅值上明顯看出新體制信號(hào)的L2M信號(hào)功率占比強(qiáng)于舊體制，如圖11(a)和圖11(b)所示。

圖11 L2頻點(diǎn)新舊信號(hào)體制功率譜對(duì)比Fig.11 Power spectrum comparison between the new and old signal systems at L2 frequency point

3.2 調(diào)制域

通過GPS III衛(wèi)星與GPS II衛(wèi)星L1頻點(diǎn)信號(hào)星座圖進(jìn)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(wèi)星信號(hào)并未遵循早期的GPS信號(hào)采用恒包絡(luò)復(fù)用方式，且主要星座點(diǎn)并沒未分布在單位圓周上[12]。而目前現(xiàn)代化的北斗、伽利略衛(wèi)星均采用恒包絡(luò)調(diào)制方式[13]，這樣使得衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)包絡(luò)恒定，從而降低衛(wèi)星發(fā)射功放的非線性造成的失真程度[14]。GPS衛(wèi)星自身功放的線性程度良好，因而GPS III衛(wèi)星采用非恒包絡(luò)復(fù)用調(diào)制信號(hào)在通過功放后造成的失真對(duì)定位影響小。

通過GPS III衛(wèi)星與GPS II衛(wèi)星L2頻點(diǎn)信號(hào)星座圖進(jìn)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(hào)并沒有按照上一代的設(shè)計(jì)采用恒包絡(luò)復(fù)用方式，主要星座點(diǎn)并沒有全部分布在單位圓上。

圖12 L1頻點(diǎn)新舊信號(hào)體制星座圖對(duì)比Fig.12 Comparison of constellation of new and old signal systems at L1 frequency point

圖13 L2頻點(diǎn)新舊信號(hào)體制星座圖對(duì)比Fig.13 Comparison of constellation of new and old signal systems at L2 frequency point

3.3 信號(hào)分量功率占比

在L1頻點(diǎn)功率占比上，2種信號(hào)的信號(hào)功率組成存在很大的變化，如表1所示。由于添加了新信號(hào)分量L1C，L1C/A，L1P(Y)相應(yīng)的功率占比也對(duì)應(yīng)變小。新舊體制的復(fù)用效率相差不大，主要原因在于新體制信號(hào)在I支路上需要包含L1P(Y)，L1Cp，L1Cd三路信號(hào)[15]，需要添加相應(yīng)的交調(diào)分量保證三路信號(hào)與Q支路的L1C/A信號(hào)共同合成UQPSK的調(diào)制方式。

表1 2種體制L1頻點(diǎn)信號(hào)功率占比Tab.1 L1 frequency signal power ratio of two systems

在L2頻點(diǎn)功率占比上，2種信號(hào)的信號(hào)功率占比存在很大的變化，初步分析是由于舊體制信號(hào)是使用CASM的恒包絡(luò)調(diào)制方式[16]，信號(hào)中加入較多交調(diào)分量，所以有效信號(hào)總占比(復(fù)用效率)約為69.16%。而新體制信號(hào)并未使用恒包絡(luò)調(diào)制，所以有效信號(hào)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(hào)L2M的功率占比明顯提升，這一結(jié)果與信號(hào)功率譜的觀測(cè)結(jié)果一致。

表2 2種體制L2頻點(diǎn)信號(hào)功率占比Tab.2 L2 frequency signal power ratio of two systems

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)GPS III衛(wèi)星的新體制信號(hào)調(diào)制復(fù)用方式進(jìn)行實(shí)際的采集分析研究，可以得到以下結(jié)論：① 新體制信號(hào)目前采用復(fù)用方式不再是恒包絡(luò)調(diào)制，主要原因是GPS衛(wèi)星自身功放的線性程度良好，非恒包絡(luò)復(fù)用調(diào)制信號(hào)在通過功放后造成的失真對(duì)定位影響?。虎?新體制信號(hào)各分量的功率占比有所調(diào)整，在L1頻點(diǎn)，原有的L1C/A，L1P(Y)功率占比下降一半，分出一半留給L1C信號(hào)，而L1M信號(hào)占比不變，對(duì)于L2頻點(diǎn)，未采用恒包絡(luò)調(diào)制后，減少的交調(diào)分量的能量占比部分由L2M信號(hào)代替，從而提升了M碼信號(hào)的功率占比。

考慮到GPS III衛(wèi)星還未正式提供服務(wù)，不同信號(hào)調(diào)制復(fù)用方式對(duì)測(cè)距定位性能的影響還有待于利用GPS接收機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步分析測(cè)試。除此之外，針對(duì)其新體制信號(hào)調(diào)制復(fù)用方式的可能存在的調(diào)整還需要進(jìn)一步的觀測(cè)研究，為下一代衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)調(diào)制設(shè)計(jì)提供參考。