L5载波的信号质量分析

伍 岳，罗和平，邱 蕾

(1.三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌 443002；2.深圳市大鹏新区土地整备中心，广东 深圳 518000；3.深圳市地籍测绘大队，广东 深圳 518034)

L5载波的信号质量分析

伍 岳1，罗和平2，邱 蕾3

(1.三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌 443002；2.深圳市大鹏新区土地整备中心，广东 深圳 518000；3.深圳市地籍测绘大队，广东 深圳 518034)

增加第三民用频率L5载波是GPS现代化措施中的一项，目前美国已经有4颗卫星具有L5观测值。从L5的信号结构上进行分析，应用L5载波的实际观测数据，与L1载波和L2载波相比较，L5载波不但在信噪比上得到提高，而且其多路径效应的影响也比较小，具有较好的数据观测质量。

GPS现代化；L5载波；多路径效应；信号质量分析

GPS现代化前，GPS卫星共发射L1载波(1 575.42 MHz)和L2载波(1227.60MHz)两个频率。1999年，为了提高GPS的竞争力，美国提出GPS现代化措施，主要内容是在第二个频率L2载波上增加了L2C码以及增加了第三民用频率L5载波。新增加的L5载波，从信号结构设计上已经不同于L1载波和L2载波，它的设计比L1载波和L2载波更具有抗干扰性能，其性能也得到大大的提高。第三民用频率L5载波的增加，不但可以与L1载波和L2载波形成更多的线性组合，而且可以减少电离层延迟的影响，加快整周模糊度的求解。本文先从L5的信号结构上进行分析，通过L5载波的实际观测数据，与L1载波和L2载波相比较，结果表明，L5载波不但在信噪比上得到提高，而且其多路径效应的影响也比较小，具有较好的数据观测质量。

1 BLOCK ⅡR

2009年3月，美国成功发射一颗现代化实验卫星BLOCK ⅡR20-(M)卫星，该卫星的发射标志着GPS第三民用频率开始使用。2010年5月，美国的佛罗里达州发射第一颗具有第三民用频率L5载波的现代化卫星。截止目前，具有第三民用频率L5载波的BLOCK IIR卫星分别为PRN01、PRN24、PRN25和PRN27，但是仍然无法在同一时刻组成观测方程进行解算。

2 L5载波的信号结构

L5载波频率1176.45 MHz，波长25.48 cm，带宽24 MHz，由 2个幅度相等且相位正交的分量组成(见图1)。其中一个载有导航信息，称为数据通道 I (data channel)；另外一个没有导航信息，称为导航信道Q(pilot channel)。因此，第j颗卫星的L5载波可以定义为

sj=n(20,t)g(i,t)sin(w5t+Φ)+

Dj(t)n(10,t)g(k,t)cos(w5t+Φ).

(1)

式中：n(20,t)和n(10,t)是周期长度为10个基码和20个基码的Neuman-Hoffman同步码(简称NH同步码)；g(k,t)和g(i,t)为伪随机码流；w5=2π×1 176.45 MHz；Dj(t)为导航数据流。

图1 GPS现代化后的GPS信号

第三民用频率L5载波与L1载波和L2载波的设计不同，它在I通道和Q通道上均具有随机码生成器。此外，L5信号采用NH同步码，NH同步码以1千波特/s的速率调制在I通道和Q通道上，提高抗窄带干扰的能力。同时，L5信号的最低接受功率比L1信号提高0.6 dB，这会提高L5信号在噪声环境下的表现。

3 L5的信号质量分析

3.1 信噪比质量分析

信号的信噪比是指载波信号强度与噪声强度的比值，单位dB-Hz，表达如式(2)所示。通常使用信噪比来表示GPS观测数据质量的好坏，信噪比越高，GPS观测数据质量越好，更有益于提高GPS基线解算的精度。

(2)

式中:S为信号平均功率;k为玻兹曼常数;T为开氏温度。

提取采集到的观测数据的L1载波、L2载波和L5载波的信噪比，将结果绘制于图2。同时，将L5载波和L1载波的信噪比差值绘制于图3。图中横坐标为观测历元，纵坐标为信噪比，单位dB-Hz。观测数据的时间为2013年第279天，数据采样间隔为15 s。

图2 现代化卫星的信噪比图

图3 现代化卫星的信噪比差值图

从图2中可以看出，L1载波的信噪比变化范围为(26.8～50.3)dB-Hz，L2载波的信噪比变化范围为(29.6～49.2)dB-Hz，L5载波的信噪比变化范围为(36.6～54.5)dB-Hz。L5载波的信噪比明显比L1载波和L2载波的信噪比高，接收到的最低信噪比比L1载波的最低信噪比高9.8 dB-Hz，L2载波接收到的最低信噪比比L1载波的最低信噪比高2.8 dB-Hz。从图3中可以看出，L5载波的信噪比比L1载波的信噪比平均高6.5 dB-Hz。因此，L5载波的信噪比比L1载波和L2载波的信噪比明显提高，调制了L2C码的卫星的L2载波信噪比也比L1载波信噪比高。

3.2 多路径效应分析

GPS的伪距观测方程可以表示为式(3)，相位观测方程可以表示为式(4)。

ρi=ρ+c(dT-dt)+dioni+dtrop+mpρi+ερi,

(3)

Φi=ρ+c(dT-dt)+λiNi-dioni+

dtrop+mpΦi+εφi.

(4)

式中:i表示L1载波或者L2载波的频率;ρi表示伪距观测值;ρ表示几何距离;dT表示接收机钟差;dt表示卫星钟差;dioni表示电离层延迟;dtrop表示对流层延迟;mpρi表示多路径效应;ερi表示观测噪声;Φi为相位观测值;λi为波长;Ni为整周模糊度。

(5)

式(5)的右边包含伪距多路径效应、相位多路径效应、整周模糊度以及观测噪声。由于相位的多路径效应和观测噪声相对比较小，因此通过伪距平滑消除整周模糊度后，右式就可以用来表示伪距的多路径效应的影响。

利用式(5)，自编程序，求出PRN1、PRN24、PRN25和PRN27的C/A、C2和C5载波的多路径效应，将结果绘制成图4。图4中横坐标表示观测历元，纵坐标表示多路径效应延迟，单位为m。从图中可以看出，4颗卫星的C5的多路径效应明显比C/A和C2的多路径效应小，C2码的多路径效应比C/A码的多路径效应略小。

4 结 论

GPS现代化后，新增加的第三民用频率L5载波的独特设计使得它在性能方面优于L1载波和L2载波。新增加的L5载波的信噪比比L1载波和L2载波明显提高，L5载波的信噪比比L1载波的信噪比平均高6.5 dB-Hz，调制了L2C码的现代化GPS卫星的L2载波信噪比也比L1载波信噪比高。C5的多路径效应明显比C/A和C2的多路径效应小，C2码的多路径效应比C/A码的多路径效应略小。

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[责任编辑：张德福]

Quality analysis of GPS L5 signal

WU Yue1，LUO He-ping2，QIU Lei3

(1.Key Lab of Geological Hazards Controlling of Three Gorges Reservoir Area，Yichang 443002,China; 2.Dapeng Land Development Center，Shenzhen 518034,China; 3.Shenzhen Cadastral Surveying and Mapping Team, Shenzhen 518034,China)

In 1999，the GPS modernization measures are proposed.One of the main measures is to increase the third civil carrier frequency L5，which can not only be used to form a linear combination with the other two carrier phase，but also reduce the influence of the ionospheric delay.It presents the L5 signal structure firstly by the actual observation data.And then it analyzes the new L5 carrier compared with L1 carrier and L2 carrier，which can conclude that the signal-to-noise ratio is improved，and the influence of the multipath effect is small.

GPS modernization;L5 carrier phase;multipath effect quality analysis of signal

2013-11-18；补充更新日期：2014-11-29

国家自然科学基金资助项目(41004010)

伍岳(1977-)，男，博士.

P228

：A

：1006-7949(2014)12-0008-04