胡 輝，袁 媛

(華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院，南昌 330013)

目前，世界上除互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、移動(dòng)通信系統(tǒng)外，全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)的發(fā)展也十分迅速。美國(guó)的GPS一直在GNSS中處于主導(dǎo)地位，它不僅在軍用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，同時(shí)也在民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。GPS從開始運(yùn)行到現(xiàn)在，不斷改變著個(gè)人和社會(huì)的日常生活與行為方式。最初的GPS僅有L1的粗捕碼(C/A碼)和L2的精密碼(P碼)。C/A碼是一個(gè)民用信號(hào)，完全對(duì)外開放，而P碼專用于美國(guó)軍方，嚴(yán)格限制了使用權(quán)。隨著GNSS應(yīng)用的日益廣泛、技術(shù)的創(chuàng)新和需求的日益增長(zhǎng)，使得“現(xiàn)代化GPS”被列入日程。在發(fā)射的GPS衛(wèi)星上增加L5信號(hào)，是GPS現(xiàn)代化的一個(gè)重要的里程碑，其獨(dú)特的信號(hào)特性和結(jié)構(gòu)對(duì)GPS信號(hào)的性能提升產(chǎn)生巨大影響。

1 L5信號(hào)結(jié)構(gòu)

L5信號(hào)的基本結(jié)構(gòu)與L1信號(hào)相似，即載波用隨機(jī)噪聲碼進(jìn)行二進(jìn)制相調(diào)制和預(yù)先加載數(shù)據(jù)流。L5信號(hào)通常是由2個(gè)相位正交的序列位模二加形成的，每一條序列的載波都經(jīng)過二進(jìn)制相位鍵控調(diào)制(BPSK)，其中序列Ii(t)是由一個(gè)偽隨機(jī)噪聲(PRN)測(cè)距碼和調(diào)制了的導(dǎo)航電文的同步序列模二加形成，序列Qi(t)同樣是一個(gè)偽隨機(jī)碼測(cè)距碼和同步的序列模二加形成，但是此同步序列并沒有調(diào)制L5 CNAV格式的導(dǎo)航電文，其組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示［1-2］。

圖1 L5信號(hào)的組成結(jié)構(gòu)

序列Ii(t)形成:276 bits的L5 CNAV格式的數(shù)據(jù)與格式為24 bits的(CRC)循環(huán)冗余校驗(yàn)碼相加后形成一個(gè)子幀300 bits的數(shù)據(jù)序列(其數(shù)據(jù)速率為50 bps)，再在100 Hz的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘下通過前向糾錯(cuò)(FEC)編碼，其中 r=1/2，n=7，并以100 sps的碼速率輸出，然后通過10個(gè)符號(hào)的紐曼-哈弗曼(NH)編碼，10個(gè)符號(hào)的NH碼為0000110101，每10 ms產(chǎn)生并重復(fù)。每隔1 ms，當(dāng)前的NH碼就與PRN碼模二加，實(shí)現(xiàn)1 K波特的數(shù)據(jù)的輸出，最后與XI(偽隨機(jī)序列)模二加。

序列Qi(t)形成:同樣最后是2串?dāng)?shù)據(jù)經(jīng)過模二加形成的，只不過與偽隨機(jī)序列模二加的序列并沒有調(diào)制，而是直接通過20個(gè)符號(hào)的紐曼-哈弗曼編碼。該模塊是在1 ms的歷元時(shí)鐘基礎(chǔ)上驅(qū)動(dòng)的，所以1個(gè)周期(20 ms)就重啟1次，產(chǎn)生1 k波 特 的 數(shù) 據(jù)，其 中 20個(gè) NH 碼為00000100110101001110。

最后將這2個(gè)序列以1 176.54 MHz的頻率進(jìn)行QPSK調(diào)制，形成 L5信號(hào)［3-4］，并從衛(wèi)星上發(fā)射，所以L5信號(hào)可以用式(1)表示。

式(1)中:Si，L5(t)表示在t時(shí)刻接收到第i號(hào)衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào);PL5，i表示信號(hào)的能量;D5，i(t)表示 I路的導(dǎo)航數(shù)據(jù);NHI(t)、NHQ(t)分別表示10符號(hào)與 20 符號(hào)的紐曼 - 哈弗曼編碼;GI，i(t)、GQ，i(t)表示I、Q兩路的偽隨機(jī)序列;fL5為L(zhǎng)5的中心頻率，即 1 176.45 MHz;fD，i為多普勒頻偏;φL5，i為接收信號(hào)的起始相位;n(t)為噪聲。QPSK采用的是B方式，其輸出的L5信號(hào)如表1所示。

表1 發(fā)射的L5信號(hào)調(diào)制相位設(shè)置

主要模塊的作用:

QPSK可以使在很窄的預(yù)見帶寬下就能實(shí)現(xiàn)更健壯的碼和載波跟蹤，并且依靠獨(dú)立的編碼就可以消除QPSK帶來的誤差。

紐曼-哈弗曼編碼可以降低13 dB窄帶干擾帶來的影響，也可以減少互相關(guān)的大量時(shí)間，最重要的是可以提供更可靠的位同步。

1/2 FEC可以彌補(bǔ)QPSK帶來的3 dB損失。

信號(hào)功率水平方面，在最糟糕的情況下，也就是衛(wèi)星壽命即將結(jié)束時(shí)，該衛(wèi)星提供I5和Q5的最低能量應(yīng)該滿足表2所示的能量等級(jí)。

表2 射頻前端接受的最低能量限度

2 XI和XQ碼產(chǎn)生原理

XI和XQ PRN碼可以使用圖2所示的邏輯電路產(chǎn)生，這一電路構(gòu)建在3個(gè)13位線性反饋移位寄存器之上。每隔1ms，XA編碼器初始化到全“1”狀態(tài)，同時(shí)XBI和XBQ編碼器初始化到相應(yīng)的狀態(tài)，從而產(chǎn)生I5和Q5 PRN碼［5-6］。

PRN碼結(jié)構(gòu):XI(I5的代碼)和XQ(Q5的代碼)都是由2個(gè)PRN碼經(jīng)過模二加形成的，XI由XA與XBI模二加產(chǎn)生，XQ由XA與XBQ模二加產(chǎn)生。其中XA編碼器產(chǎn)生XA PRN碼，相應(yīng)地XBI、XQI編碼器產(chǎn)生 XBI、XQI PRN 碼，它們產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘都是10.23 MHz，周期為1 ms，周期內(nèi)碼片數(shù)為 10 230，所以XI、XQ的周期也是1 ms，周期碼片數(shù)為 10 230。XA、XBI、XQI編碼器基本結(jié)構(gòu)相同，都包含13位移位寄存器，但是XA編碼器內(nèi)移位寄存器初始狀態(tài)全為“1”。XBI、XQI編碼器移位寄存器初始狀態(tài)根據(jù)衛(wèi)星號(hào)不同設(shè)置不同。

圖2 XI和XQ碼信號(hào)發(fā)生器

XA、XB的移位寄存器生成配置如圖3和圖4所示，XA 移位寄存器分別是9、10、12、13號(hào)寄存器異或后輸出給1號(hào)寄存器，最后一位寄存器作為輸出。XB 移位寄存器分別是 1、3、4、6、7、8、12、13號(hào)寄存器異或后輸出給1號(hào)寄存器，最后一位寄存器作為輸出。所以根據(jù)移位寄存器的反饋輸入，XA和XBI或XBQ碼的多項(xiàng)式可以表示為:

3 I5和Q5的相關(guān)特性

L5是由I5與Q5兩路BPSK信號(hào)進(jìn)行QPSK形成的。其中I5是數(shù)據(jù)通道，Q5是導(dǎo)航通道，捕獲是分開的。一般的L5接收機(jī)采用的捕獲和跟蹤數(shù)據(jù)通道至少有3種方案［7］:① 只使用 I5通道，即用它捕獲跟蹤，又用它解調(diào)出導(dǎo)航數(shù)據(jù);②使用Q5捕獲跟蹤，使用I5解調(diào)出導(dǎo)航數(shù)據(jù);③使用I5和Q5同時(shí)捕獲跟蹤，I5用于解調(diào)出導(dǎo)航數(shù)據(jù)。其相關(guān)性分析如下［6-8］:

與C/A的相關(guān)特性相同，只是周期的碼片數(shù)變?yōu)榱?0 230，而周期仍然是1 ms。因此碼片驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘變?yōu)榱?0.23 MHz。L5和Q5信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)如圖5所示。

圖5 L5和Q5信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)

功率譜函數(shù)是自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換，所以可表示為

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)L5的XQ、XI碼的產(chǎn)生原理，基于Matlab仿真XQ和XI碼。圖6表示的是PRN 11號(hào)衛(wèi)星產(chǎn)生XQ、XI碼方形圖。

圖6 PRN 11號(hào)衛(wèi)星的XI、XQ碼方形圖

由理論分析可知，XI碼和XQ碼的頻譜是一樣的，因此基于Matlab只需實(shí)現(xiàn)XI碼的頻譜圖。圖7表示PRN 3衛(wèi)星的XI頻譜圖。

圖7 PRN 3衛(wèi)星的XI頻譜圖

如圖7所示，L5 XI碼的頻譜主瓣2個(gè)零值之間的頻譜寬度是20.46 MHz。

根據(jù)式(4)，基于Matlab仿真出偽隨機(jī)碼的相關(guān)性。在仿真中，設(shè)置XI碼偏移量為5 002。圖8(a)表示PRN 3衛(wèi)星XI碼的自相關(guān)，圖8(b)表示PRN 3衛(wèi)星XI碼與PRN 17衛(wèi)星XI碼的互相關(guān)。

圖8 PRN 3衛(wèi)星XI碼的自相關(guān)與互相關(guān)

如圖8(a)所示，XI自相關(guān)主峰為10 230，次峰338，峰峰比為68.20 dB，它的自相關(guān)特性略低于L2 C，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于L1 C/A;并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際工程需要的最低峰峰比30 dB。由圖8所示，L5信號(hào)具有良好的自相關(guān)特性。

5 結(jié)束語

本文重點(diǎn)介紹了GPS現(xiàn)代化新增的另外一個(gè)民用信號(hào)L5，分析了信號(hào)的產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和2個(gè)偽隨機(jī)碼XI、XQ的產(chǎn)生原理，分析了與L1 C/A、L2C信號(hào)形成過程中一些不同的編碼方式，并對(duì)L5信號(hào)的相關(guān)特性和頻率譜進(jìn)行了分析和仿真。

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