+ 劉進軍

GPS現(xiàn)代化及其影響
---中篇

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圖8　城市高樓大廈遮擋了低仰角導(dǎo)航衛(wèi)星的信號

4　GPS現(xiàn)代化進展

4.2GPS衛(wèi)星現(xiàn)代化

通過增加逐步增加導(dǎo)航信號（L1C、L1M 、L2C、L2M以及L5測距碼信號），美國國防部對GPS導(dǎo)航衛(wèi)星開展了系統(tǒng)地升級和現(xiàn)代化。在L1和L2載波信號上采用“頻譜復(fù)用”技術(shù)調(diào)制軍用M測距碼信號，實現(xiàn)了軍民導(dǎo)航信號分離，為GPS系統(tǒng)的開導(dǎo)航戰(zhàn)提供了技術(shù)保障。在L2載波信號上調(diào)制第二民用信號L2C主要用于滿足測繪、大地測量等高端商業(yè)用戶的需求；增加第三民用信號L5主要用于航空導(dǎo)航的“生命安全”服務(wù)，在L1載波信號上調(diào)制第四民用信號L1C用于未來四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容互操作，同時解決目前接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號時所遇到的“城市峽谷”問題，即通過四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同時為用戶通過更多的L1頻點導(dǎo)航信號來解決現(xiàn)代城市高樓大廈對低仰角導(dǎo)航衛(wèi)星信號的遮擋問題，更好地為全球民用用戶服務(wù)，如圖8所示。

通過加新的民用L2C碼信號，民用用戶可以利用L1 C/A和L2C信號高質(zhì)量地獲取雙頻偽距和雙頻載波相位觀測值。L2載波信號調(diào)制C/A碼信號，有利于高質(zhì)量地重建L2載波信號，減少了L2載波信號發(fā)生周跳的可能性，同時也縮短了求解整周模糊度的時間，對于利用L1載波信號和L2載波信號雙載波相位測量而言有著十分重要的意義。特別是普通民用用戶能夠雙頻偽距計算出兩種信號的電離層延遲改正，由此獲得雙頻電離層改正模型，實現(xiàn)精確而且實時的電離層延遲改正量。另外差分觀測值將不在受觀測基線長度的影響，為消除多路徑效應(yīng)提供了幫助。

考慮到地面雷達等設(shè)備信號（1300～1500MHz）會潛在干擾GPS接收機對L2信號（1227.6MHz）的捕獲跟蹤，因此僅在L2頻點調(diào)制C/A碼信號還是不能滿足民航涉及“生命安全”應(yīng)用的需要，由此，GPS系統(tǒng)引入了第三民用頻率L5信號（1176.45MHz）。GPS衛(wèi)星信號發(fā)展歷程及其頻譜位置如圖9所示，詳見 Keith D. McDonald，The Modernization of GPS: Plans，New Capabilities and the Future Relationship to Galileo，Journal of Global Positioning Systems（2002） Vol. 1， No.1: 1-17。BLOCK-IIF衛(wèi)星播發(fā)L5信號的功率比L1信號提高約6dB，并且被設(shè)計為同相數(shù)據(jù)通道（I支路）和正交無數(shù)據(jù)通道（Q支路），有助于提高信號的抗干擾能力。對于測量用戶而言，利用L1、L2和L5信號的不同線性組合，可以得到波長比L1、L2雙頻寬相觀測值更長的組合，更加有利于整周模糊的確定，減少整周模糊度的搜索時間，同時大幅度提高三頻GPS信號長基線RTK應(yīng)用的可靠性。

4.2.1播發(fā)第二民用信號LC

GPS系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）主要是指，在和平時期為用戶免費提供用于商業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域的空間信號。GPS系統(tǒng)L1信號的頻率為1575.42MHz，調(diào)制一般精度C/A（Course acquisition）測距碼信號，使接收機能夠快速捕獲導(dǎo)航信號，供全世界一般用戶免費使用，并提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS），由此L1 C/A測距碼信號被稱為第一民用信號。

圖9　GPS系統(tǒng)衛(wèi)星信號發(fā)展

1997年2月，第一屆GPS聯(lián)合執(zhí)行委員會（IGEB）組織美國國防部（DoD）和交通部（DoT）等部門研討為廣大商業(yè)和民用用戶提高服務(wù)質(zhì)量（提高定位精度、為生命安全服務(wù)提供冗余信號）而增加第二民用信號L2 C的必要性，大會通過決議，在2003年前完成L2 C碼信號的加載。在GPS系統(tǒng)BLOCK IIR-M，IIF以及BLOCK III系列導(dǎo)航衛(wèi)星中將播發(fā)L2 CM碼信號和L2 CL碼信號，其中CM是“Civil Moderate”的縮寫，中文意思是“現(xiàn)代化民碼”，CL是“Civil Long”的縮寫，中文意思是“民用長測距碼”。GPS系統(tǒng)L2信號頻譜如圖10所示。

圖10　GPS系統(tǒng)L2信號頻譜

L2 CM碼信號和L2 CL碼信號的擴頻調(diào)制方式均為BPSK（1），采用CDMA碼分多址技術(shù)區(qū)分不同的導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的L2 C碼信號，最低接受功率為-161.5dBW（IIR-M， IIF以及BLOCK III衛(wèi)星）。其中L2 CM測距碼信號的碼速率是511.5kbps，碼的周期是20 msec，每個周期含有10230個碼片；L2 CL測的新的復(fù)合信號的碼速率仍是1.023 kbps，即信號頻率1.023 MHz。

生成第二民用信號L2 C的數(shù)據(jù)碼（導(dǎo)航電文）時，采用了前向誤差改正技術(shù)FEC（forward error correction），該技術(shù)用于改正解調(diào)導(dǎo)航電文過程中所出現(xiàn)的數(shù)據(jù)位判定誤差（bit decision error）問題，恢復(fù)所丟失的數(shù)據(jù)，確保導(dǎo)航電文解碼的正確性進而可靠性。采用前向誤差改正技術(shù)FEC后，使L2 C信號信噪比提高5dB，有利于微弱信號的跟蹤和捕獲。

2005年9月26日，GPS系統(tǒng)第一顆第三代導(dǎo)航衛(wèi)星BLOCK-IIRM衛(wèi)星入軌運行，如圖12所示，按計劃播發(fā)了第二民用信號L2 C，是實現(xiàn)GPS現(xiàn)代化的里程碑標(biāo)志。距碼信號的碼速率是511.5kbps，碼的周期是1.5 sec，每個周期含有767250碼片（CM碼的75倍）。

需要特別指出的是，在正式播發(fā)第二民用信號L2 CM和CL測距碼信號之前，有一個過渡時期，在L2頻點播發(fā)L2 C/A測距碼信號。L2導(dǎo)航信號的生成框圖如圖11所示，由圖11可知，盡管L2 CM和L2 CL測距碼信號的碼速率是511.5kbps，時分多路復(fù)用后，所生成

圖11　L2C導(dǎo)航信號的生成框圖

圖12　BLOCK-IIRM衛(wèi)星地面總裝測試（AIT）及在軌展開示意圖

圖13　BLOCK-IIF衛(wèi)星地面總裝測試（AIT）及在軌展開狀態(tài)示意

4.2.2播發(fā)第三民用信號L5

1998年3月，GPS聯(lián)合執(zhí)行委員會IGEB確定GPS系統(tǒng)播發(fā)兩種新的民用信號（第二民用信號L2C和第三民用信號L5），1999年1月時任美國副總統(tǒng)戈爾宣布為“生命安全Safety-of-life”而設(shè)計的L5信號將在2005年正式播發(fā)，美國國防部（DoD）宣布第三民用信號L5的中心頻點為1176.45 MHz，該頻點被包括在航空無線電導(dǎo)航服務(wù)（ARNS）的頻譜中。1999年2月，IGEB成立L5第三民用信號體制論證組，協(xié)調(diào)IGEB和RTCA協(xié)議之間的關(guān)系。1999年11月，IGEB完成立L5第三民用信號體制論證工作，L5信號功率比L1 C/A 碼信號高6 dB；L5信號碼速率為10.23 Mchip/second。2010年5月27日，美軍發(fā)射了第一顆BLOCK IIF現(xiàn)代化導(dǎo)航衛(wèi)星，正式播發(fā)L5頻點第三民用導(dǎo)航信號，BLOCK-IIF衛(wèi)星如圖13所示。

L5頻點第三民用導(dǎo)航信號的擴頻調(diào)制方式為BPSK（10），采用CDMA碼分多址技術(shù)區(qū)分不同導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的L5信號，信號碼速率為10.23 Mchip/second，偽隨機碼PRN長度為10230個碼片，I支路調(diào)制導(dǎo)航電文，Q支路調(diào)制導(dǎo)頻數(shù)據(jù)，電文數(shù)據(jù)率50和100bps可調(diào)，地面最低接收功率為-157.9dBW，L5導(dǎo)航信號的生成框圖如圖14所示，L5信號頻譜如圖15所示。

圖14 L2C導(dǎo)航信號的生成框圖

圖15 GPS系統(tǒng)L5信號頻譜

盡管第三民用信號L5主要用于航空導(dǎo)航的“生命安全”，但是它可以作為一種穩(wěn)健的信號被所有的用戶使用，L5信號能提供多于觀測，提高定位精度，增加信號的可用性和完整性，增加信號使用的連續(xù)性和提高對信號的抗干擾能力。另外，還可以利用L5信號進行高精度的長基線差分定位，用于飛機的起飛和降落以及地球科學(xué)研究等領(lǐng)域。

2009年3月24日，美國成功發(fā)射了BLOCK-IIR（20）M導(dǎo)航衛(wèi)星，按計劃播發(fā)了第三民用導(dǎo)航信號L5，是GPS最具現(xiàn)代化的標(biāo)志，意味著GPS民用用戶可以接收L1、L2和L5三個頻點的導(dǎo)航信號，一般用戶能夠用GPS動態(tài)載波相位測量技術(shù)獲得厘米級定位精度，由此用戶可以獲得更完善的電離層改正、更好的定位精度和可靠性。同時這顆衛(wèi)星還播發(fā)了中心頻點為1381.05MHz的L3信號，分析認(rèn)為是GPS衛(wèi)星的核爆探測NDS（Nuclear Detonation/Detection System）系統(tǒng)的通信信號。

4.2.3播發(fā)第四民用信號L1C

GPS系統(tǒng)第四代導(dǎo)航衛(wèi)星BLOCK-III衛(wèi)星將播發(fā)第四民用信號L1C，L1C碼信號的中心頻點與L1 C/ A 碼信號、L1 P（Y）碼信號一致，仍均是1575.42 MHz。第四民用信號L1C由兩個分量組成，分量一是導(dǎo)頻信號L1CP，采用二進制偏置載波BOC（6，1） 方式調(diào)制信號，分量二是數(shù)據(jù)信號L1CD，采用二進制偏置載波BOC（1，1）方式調(diào)制信號，加載導(dǎo)航電文信息，詳見GPS ICD-800文件規(guī)定。

系統(tǒng)采用CDMA碼分多址技術(shù)區(qū)分不同的導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的L1C信號，碼速率為1.023 Mchip/second，偽隨機碼PRN長度為10230個碼片，采用時分多路復(fù)用二進制偏置載波TMBOC（6，1，1/11） 方式調(diào)制導(dǎo)頻數(shù)據(jù)和導(dǎo)航電文，電文數(shù)據(jù)率50和100bps可選，地面最低接收功率為-157.0dBW，GPS系統(tǒng)L1C信號頻譜如圖16所示。

表2 L1頻點上的全球衛(wèi)星導(dǎo)航信號主要特征參數(shù)

圖16 GPS系統(tǒng)L1信號頻譜

由圖14可知，L1C信號采用時分多路復(fù)用二進制偏置載波TMBOC（6，1，1/11） 方式調(diào)制導(dǎo)頻數(shù)據(jù)和導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)后，GPS系統(tǒng)L1C信號在高頻處集中了更高的功率。在同等條件下，L1C碼跟蹤精度相對L1C/A信號有明顯改善，提高量在50%～150%之間。由于具備導(dǎo)頻通道，預(yù)監(jiān)測積分時間不受符號位約束，能夠改善對弱信號的跟蹤能力。詳見《現(xiàn)代化的GPS新民用信號L1C碼跟蹤性能分析》，唐祖平，胡修林，電視技術(shù)，Vol.49，No.1，2009.1。

衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)RNSS（Radio Navigation Satellite Service）在L1頻點占據(jù)優(yōu)先地位，到目前為止，美國GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和歐洲Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)在1575.42 MHz為中心的L1頻點調(diào)制了6種導(dǎo)航信號。未來中國北斗系統(tǒng)（BDS）也將在該頻點調(diào)制導(dǎo)航信號，以實現(xiàn)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在L1頻點的兼容互操作，現(xiàn)在已經(jīng)確定的L1頻點導(dǎo)航信號參數(shù)如表2所示。

由表2可知，L1頻點的導(dǎo)航信號頻譜相當(dāng)擁擠，從而不可避免地產(chǎn)生相互間的干擾，因此，在開展對L1頻點的導(dǎo)航信號設(shè)計時，其測距碼跟蹤性能和跟蹤精度分析十分關(guān)鍵。