GPS现代化后L2载波的数据质量分析

邱 蕾，刘正平，伍 岳，王海军

（1．深圳市地籍测绘大队，广东 深圳 518000；2．湖北省地质环境总站，湖北 武汉 430034；3．三峡大学 土木与建筑学院，湖北宜昌443002；4．二炮士官学校作战保障教研室，山东 青州262500）

美国从1999年实施GPS现代化措施，其中一个主要的措施是在L2载波上增加新的民用码L2C码。截止目前，美国已经发射了9颗现代化的GPS Bl ock IIR－M卫星，该卫星上调制了L2C码，9颗卫星 分 别 是 PRN01、PRN05、PRN07、PRN12、PRN15、PRN17、PRN25、PRN29 和 PRN31。为了说明新增加的L2C码以及L2载波的优势，本文利用实际观测到的9颗卫星的观测数据，先分别从L2C码的信号结构、多路径效应和信噪比进行分析，然后从求解整周模糊度方面综合进行分析。

1 L2C码的信号结构

GPS现代化后，GPS伪距观测值主要有两种，分别是调制在L1载波上的C／A码和调制在L2载波上的L2C码。C／A码的码元长度为1 023码元，周期为1 ms，码率为1．023 MHz，而L2C码采用新的设计结构，包含了民用中等长度码（CM）和民用长度码（CL）码。CM码的长度为10 230码元，周期为20 ms，并且调制有速率为25 bit／s的导航数据。CL码的长度为767 250码元，周期为1 500 ms，不含调制数据，码率为1．023 MHz。

将调制了导航数据的CM码与未调制数据的CL码通过时分复用（TDM）的方式，就可以获得新的L2C码。正是因为使用了TDM方式，L2C码的数据解调门限与C／A码相比，降低了5 d B，这种性能使得L2C码在信号较微弱的情况下，也可以捕捉到较好的信号。

2 加载L2C码的数据质量分析

2．1 多路径效应分析

多路径效应检核可采用式（1）和式（2）进行。

式中，C／A和L2C是双频伪距观测值，φ1和φ2是L1载波和L2载波相位观测值，MPCA和MPL2C是C A和L2C伪距的多路径效应，为L1载波和L2载波的频率的平方比。

为了分析新增加的L2C码的数据质量，本文利用式（1）和式（2）对实际采集到的观测数据进行了计算并且将结果绘制成表1和表2。数据采样时间为1 s，数据采集时间为2012年083日—090日连续8 d的观测数据。表1为测站连续8 d的多路径效应每天平均中误差。表2列出了8 d的平均中误差。

表1 测站1连续8 d的多路径统计结果m

表2 连续8 d的多路径效应平均中误差m

从表1中可以看出，PRN01卫星的观测质量整体较差，PRN15的多路径效应在C／A码和L2C码上最为接近，PRN01的多路径效应在C／A码和L2C码上的多路径效应相差最大为0．17 m。从表2可以看出，采取现代化措施后的GPS卫星，C／A码的多路径效应平均中误差为0．31 m，L2C码的多路径效应平均中误差为0．33 m，平均中误差较为接近。

因此，利用GPS现代化后的卫星得到的L2C码的多路径效应与C／A码的多路径效应比较接近，两者的数据观测质量非常接近。

2．2 信噪比质量分析

信噪比（SNR）是指接收机的载波信号强度与噪声强度的比值，单位为d B－Hz，如式（3）所示。在GPS数据观测质量中，信噪比可以用来分析接收机接收到的数据质量。一般信噪比越高，观测数据质量越好。

式中：k为玻兹曼常数，S为信号平均功率，T为开氏温度。

选取2012年年积日083日的全天观测数据，数据采样率为1 s，共86 400个历元。图1左图为调制了 L2C码的PRN25、PRN31、PRN1、PRN17及PRN1卫星的L1载波和L2载波的信噪比变化；图1右图为调制了L2C码的PRN12、PRN29、PRN15和PRN17卫星的L1载波和L2载波的信噪比变化。图1中，左纵坐标代表信噪比，单位为d B－Hz，右纵坐标为高度角变化，单位为（°）。图中曲线变化为卫星的信噪比变化，虚线变化为卫星的高度角变化。

图2为未调制有L2C信号的上述GPS卫星的 信噪比随高度角变化图。图中单位与图1一致。

图1 调制L2C信号的GPS卫星信噪比图

图2 未调制L2C信号的GPS卫星信噪比图

图1 中L2载波的信噪比值变化范围为20～40 d B－Hz，图2中L2载波的信噪比值变化范围为12～40 d B－Hz。所有卫星的L1载波的信噪比值变化范围为23～53 d B－Hz。L1载波和L2载波信噪比的变化趋势与高度角密切相关。高度角越大，信噪比越高，高度角越低，信噪比越低。

图1中，L1载波和L2载波信噪比差值最大的为PRN29，其L1载波的信噪比变化范围为25～45 d B－Hz，L2载波的信噪比变化范围为20～30 d BHz，其差值在15 d B－Hz内。图2中，L1载波和L2载波的差值明显比图1中的差值要大。同时，在高度角变化较快的地方，加载了L2C码的L2载波信噪比的变化比未加载L2C码的L2载波信噪比的变化更缓慢。

上述实验结果表明，加载了L2C码的L2载波信噪比比未加载L2C码的L2载波以及L1载波的信噪比明显提高。随着高度角的变化，其信噪比变化较缓慢，加载了L2C码的L2载波的抗干扰能力明显得到提高。

2．3 整周模糊度解算实验

载波相位观测数据质量的好坏直接影响到整周模糊度固定的效率。在GPS现代化之前，由于L1载波的观测数据质量较好，在单个频率解算时通常采用L1载波固定整周模糊度而未采用L2载波数据。通过上面分析可知，GPS现代化后L2载波的观测质量明显提高。本实验利用现代化后的L2载波与L1载波在固定整周模糊度效率上进行对比来说明L2载波的观测质量得到了明显提高。

在GPS基线解算中，通常采用式（4）进行双差整周模糊度浮点解的解算，可以看出，双差整周模糊度浮点解的解算受到多种因素的影响，包括多路径效应和噪声。

式中：▽ΔN为双差整周模糊度，▽Δρ为双差伪距观测值，▽Δφ为双差载波相位观测值，▽Δs为双差后的剩余误差。

实验中采用两个测站的观测数据，观测时间为24 h，采样率为1 s。两个测站的坐标精确已知，接收机类型一致。将所有的数据进行处理后，只利用具有L2C观测值的GPS卫星对按照式（4）计算双差整周模糊度的浮点解。选取其中的3组卫星对5－15、5－29和5－12计算L1载波和L2载波的单历元双差整周模糊度浮点解，将双差整周模糊度浮点解与其固定解真值的差值变化见图3、图4和图5，红色为L1载波，绿色为L2载波。各图的横坐标为观测历元，单位为s，左纵坐标为差值，单位为周，所绘制曲线为L1载波和L2载波双差整周模糊度的浮点解与其真值的差值；右纵坐标为卫星的高度角，单位为度，直线为卫星的高度角。

图3 卫星对5－15 L1及L2载波的双差模糊度浮点解与真值差值

图4 卫星对5－29L1及L2载波的双差模糊度浮点解与真值差值

从各图可以看出，卫星对5－15、卫星对5－29和卫星对5－12的L1载波和L2载波的模糊度浮点解与真值的差值均在（－0．2，0．4）周内。当卫星高度角在20°～40°内，L1载波与L2载波的模糊度浮点解与真值的差值仅在0．2周内。利用L1载波和L2载波计算模糊度浮点解的效果基本相同，都可以较好地计算出模糊度的浮点解，为进一步固定整周模糊度缩小搜索空间。因此，加载了L2C码的L2载波的数据观测质量与L1载波的数据观测质量较为一致，模糊度浮点解与真值较为接近，能够较好地提高计算整周模糊度的浮点解的精度，缩小模糊度的搜索空间。

图5 卫星对5－12L1及L2载波的双差模糊度浮点解与真值差值

3 结 论

随着GPS现代化的推进，新增加的民用码L2C码对用户将具有较大的优势。从本文的实验中可以看出，L2C码的多路径误差和C／A码的多路径误差较一致；加载了L2C码的L2载波的信噪比比原L2载波的信噪比明显提高，同时，随着高度角的变化，信噪比变化较缓慢。通过单历元整周模糊度解算实验，说明了加载了L2C的L2载波在计算模糊度时与L1效果较为一致，能达到L1载波的解算效果。

［1］ 王泽民，邱蕾，孙伟．GPS现代化后L2载波的定位精度研究［J］．武汉大学学报：信息科学版，2008，33（8）：779－782．

［2］ 伍岳，邱蕾．网络RTK模式下多频载波相位观测值解算整周模糊度［J］．测绘工程，2013，22（4）：1－4．

［3］ 陆明泉，冯振明，张祺．GPSL2捕获算法研究及性能分析［J］．电子与信息学报，2012，32（2）：2．

［4］ LILIÁNA SÜKEOVÁ，MARCELO C S，RICHARD B，et al．GPS L2C Signal Quality Analysis［C］．Pr oceedings of the 63rd Annual Meeting，2007，Cambridge，Massachusetts：232－241．

［5］ 张笑凡，何宏，陈建峰．GPS技术中对流层延迟影响分析［J］．测绘与空间地理信息，2014，37（2）：187－188．

［6］ 罗伙军，李程，岳国栋．GPS数据质量检查软件的可视化开 发［J］．测 绘 与 空 间 地 理 信 息，2014，37（2）：162－164．

［7］ 刘基余．GPS卫星导航定位原理与方法［M］．北京：科学出版社，2003．