GPS III新体制导航信号监测分析

刘 亮，叶红军，郎兴康

(卫星导航装备与系统技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081)

0 引言

随着GPS用户对其准确性和可靠性需求的进一步提升，2000年美国国会通过了副总统戈尔于1998年发出的对GPS进行升级改造的决议，GPS III的研制开发工作从此开展[1-3]。

2018年12月24日，GPS III首颗卫星成功发射。相比于前期的旧体制卫星，GPS III卫星除了在定位精度、抗干扰能力和使用寿命等方面得到加强外，L1频点的信号分量构成也更加复杂，增加了新的民用信号L1C[4]，成为了继L1C/A，L2C，L5之后的第4个民用信号[5]，且可以与北斗和GALILEO导航信号实现兼容互操作[6-7]。

随着GNSS系统在各种领域的应用需求不断扩大，导航系统在建设的过渡期内需要满足兼容新旧体制导航信号的要求，这就需要在既有的导航频段内向地面播发更多的下行信号，同时要满足在同一频点上调制更多信号的要求。由于导航载荷是一个功率受限系统以及卫星功放的非线性特性，信号播发过程中的功率占比和相位关系会受到信号调制复用方式的选取和组合的影响[8]，并且在不同调制复用方式星座点的分布上，卫星功率放大器的非线性特性也会影响到不同信号星座点对应的信号幅值[9]。因此，一般的做法是在基带调制端实现多路信号的恒包络调制，以减小信号经过功放以后的非线性失真。例如，早期的GPS卫星可以实现在同一频点下播发2个信号分量，利用 QPSK调制技术即可实现恒包络发射。由于现代化的需求，GPS 需要在同一频点上播发多个信号分量GPS 系统 L1 频点，除了原有的L1C/A码以及P(Y)码，还将播发 M 码信号，以及GPS III卫星播发的L1C信号。

本文利用现有的15 m大口径抛物面天线完成了对GPS III卫星的信号采集，与上一代旧体制信号进行了对比分析，并对其信号的调制方式、分量组成和复用方式等方面进行了相应分析。

1 GPS III卫星L1频点新型信号分析

对GPS III卫星L1频点的测试信号与本地伪码进行相关处理，得到对应信号频点的相关峰。为了准确获得在信号发射带宽内的GPS信号各分量的能量，相关运算使用的信号采用30.69 MHz带宽进行滤波并能量归一化处理，这样相关峰峰值的平方就代表该信号分量在发射带宽内的功率占比。

对GPS III卫星 L1C/A信号相关峰进行归一化处理，如图1所示。

图1 GPS III卫星L1C/A信号相关峰Fig.1 Correlation peak of L1C/A signal of GPS III satellite

从相关峰上可以看出，L1C/A调制方式仍然为BPSK(1)，GPS III L1C/A的信号功率占比约为14.75%。

在L1M信号分量上，采集信号场景增益较高，所以利用盲识别的方式可以完成M码码流的判决[10]，并绘制出相应的相关峰，如图2所示。从L1M相关峰上可以看出，信号调制方式仍然为BOC(10，5)，GPS III L1M的信号功率占比约为25.32%。

图2 GPS III卫星L1M信号相关峰Fig.2 Correlation peak of L1M signal of GPS III satellite

针对本次新体制的兼容互操作信号L1C，通过利用L1C的伪码按照BOC(1，1)的调制方式进行相关，可以发现GPS III信号播发了L1Cp(L1C pilot)信号和L1Cd(L1C data)信号，相关峰如图3(a)和图3(b)所示。

图3 GPS III卫星L1C信号相关峰Fig.3 Correlation peak of L1C signal of GPS III satellite

在信号幅度上，L1Cp信号功率占比约为14.49%，L1Cd信号功率占比约为5.80%。

进一步针对L1Cp信号进行研究，采用相关标准和文献提供的参考，利用TMBOC调制方式生成L1Cp信号伪码[11]，从而得到相关峰峰值更高的相关曲线，如图4所示。因此，可以确定GPS III播发了TMBOC的调制信号，且功率占比约为17.71%，根据之前推算的BOC(1，1)分量的功率占比14.49%，可得BOC(6，1)分量功率占比约为3.22%。

图4 GPS III卫星L1Cp信号相关峰Fig.4 Correlation peak of L1Cp signal of GPS III satellite

然而对于GPS III卫星，却无法从卫星中解出相应的L1P(Y)长码，在旧体制的GPS卫星L1频点信号中，L1C/A信号位于I支路，L1P(Y)信号位于Q支路，而此时的新体制信号中掺杂了L1C信号，包括L1Cp和L1Cd，无法直接辨识L1P(Y)信号。需要采用更加复杂的方式进行提取。通过对信号中其余信号分量的剔除，将剥离了其他信号分量后的信号进行处理，利用盲识别的方式完成对剩余信号内的L1P(Y)伪码码流的判决提取，并与原始的功率归一化信号进行相关，可以得到L1P(Y)信号的相关峰，如图5所示。

图5 GPS III卫星L1P(Y)信号相关峰Fig.5 Correlation peak of L1 P(Y) signal of GPS III satellite

测量得到L1P(Y)信号处于I支路，与L1C信号同相位，功率占比约为8.17%。

2 GPS III卫星L2频点新型信号分析

对GPS III卫星L2频点信号进行捕获跟踪，利用本地伪码和剥离载波多普勒后的基带信号进行相关处理，得到对应信号频点的相关峰。为了准确获得在信号发射带宽内的各信号分量的能量，相关运算使用的信号统一采用30.69 MHz带宽进行滤波后的归一化信号，这样相关峰峰值的平方就代表该信号分量在发射带宽内的功率占比。

对GPS III卫星 L2CM信号相关峰进行归一化处理，如图6所示。

图6 GPS III卫星L2CM信号相关峰Fig.6 Correlation peak of L2CM signal of GPS III satellite

在L2CM信号分量上，从相关峰上可以看出，GPS III L2CM的信号功率占比约为14.53%。

对GPS III卫星 L2CL信号相关峰进行归一化处理，如图7所示。

图7 GPS III卫星L2CL信号相关峰Fig.7 Correlation peak of L2CL signal of GPS III satellite

在L2CL信号分量上，从相关峰上可以看出，2类信号在调制方式和信号幅度上并无差别，且均与各自对应的L2CM信号分量功率一致，原因是L2CL与L2CM信号分量采用分时复用的调制，在相同的积分时间内各占一半。GPS III L2CL的信号功率占比约为14.53%。

在L2M信号分量上，采集信号场景增益较高，所以利用盲识别的方式可以完成M码信号的判决，并绘制出相应的相关峰，如图8所示。

图8 GPS III卫星L2M信号相关峰Fig.8 Correlation peak of L2M signal of GPS III satellite

从相关峰上可以看出，信号在调制方式仍为BOC(15，2.5)，GPS III L2M的信号功率占比约为44.44%。

在L2P(Y)信号分量上，同样利用盲识别的方式可以完成L2P(Y)码信号的判决，并绘制出相应的相关峰，如图9所示。

图9 GPS III卫星L2P(Y)信号相关峰Fig.9 Correlation peak of L2P(Y) signal of GPS III satellite

从相关峰上可以看出，L2P(Y)信号在调制方式仍然为BPSK(10)，GPS III L2P(Y)的信号功率占比约为13.57%。

3 GPS新旧信号体制比较

从频域、调制域和信号分量占比3个层面对GPS新旧体制信号进行对比，从而分析二者的区别。

3.1 频域

通过GPS III卫星与GPS II卫星L1频点信号功率谱进行比较，从功率谱上可以明显看出在1 575.42 MHz频点上，GPS III卫星采用了调制方式为BOC(1，1)的兼容互操作信号L1C，如图10(a)所示，而GPS II卫星只有L1C/A信号，如图10(b)所示。

图10 L1频点新旧信号体制功率谱对比Fig.10 Power spectrum comparison between the new and old signal systems at L1 frequency point

除此之外2种体制信号都具备L1M信号分量，且所处频点和调制方式无明显改变。

通过GPS III卫星与GPS II卫星L2频点信号功率谱进行比较，从功率谱上可以明显看出2类信号都具备L2C，L2M信号分量，且所处频点和调制方式无明显改变，但是从功率谱包络的幅值上明显看出新体制信号的L2M信号功率占比强于旧体制，如图11(a)和图11(b)所示。

图11 L2频点新旧信号体制功率谱对比Fig.11 Power spectrum comparison between the new and old signal systems at L2 frequency point

3.2 调制域

通过GPS III卫星与GPS II卫星L1频点信号星座图进行比较，如图12(a)和图12(b)所示。从星座图的分布上，可以明显看出新体制下的GPS III卫星信号并未遵循早期的GPS信号采用恒包络复用方式，且主要星座点并没未分布在单位圆周上[12]。而目前现代化的北斗、伽利略卫星均采用恒包络调制方式[13]，这样使得卫星发射的信号包络恒定，从而降低卫星发射功放的非线性造成的失真程度[14]。GPS卫星自身功放的线性程度良好，因而GPS III卫星采用非恒包络复用调制信号在通过功放后造成的失真对定位影响小。

通过GPS III卫星与GPS II卫星L2频点信号星座图进行比较，如图13(a) 和图13(b)所示。从星座图上可以明显看出，新体制信号并没有按照上一代的设计采用恒包络复用方式，主要星座点并没有全部分布在单位圆上。

图12 L1频点新旧信号体制星座图对比Fig.12 Comparison of constellation of new and old signal systems at L1 frequency point

图13 L2频点新旧信号体制星座图对比Fig.13 Comparison of constellation of new and old signal systems at L2 frequency point

3.3 信号分量功率占比

在L1频点功率占比上，2种信号的信号功率组成存在很大的变化，如表1所示。由于添加了新信号分量L1C，L1C/A，L1P(Y)相应的功率占比也对应变小。新旧体制的复用效率相差不大，主要原因在于新体制信号在I支路上需要包含L1P(Y)，L1Cp，L1Cd三路信号[15]，需要添加相应的交调分量保证三路信号与Q支路的L1C/A信号共同合成UQPSK的调制方式。

表1 2种体制L1频点信号功率占比Tab.1 L1 frequency signal power ratio of two systems

在L2频点功率占比上，2种信号的信号功率占比存在很大的变化，初步分析是由于旧体制信号是使用CASM的恒包络调制方式[16]，信号中加入较多交调分量，所以有效信号总占比(复用效率)约为69.16%。而新体制信号并未使用恒包络调制，所以有效信号总占比约为87.07%，如表2所示。除此之外，可以看出新体制信号L2M的功率占比明显提升，这一结果与信号功率谱的观测结果一致。

表2 2种体制L2频点信号功率占比Tab.2 L2 frequency signal power ratio of two systems

4 结束语

通过对GPS III卫星的新体制信号调制复用方式进行实际的采集分析研究，可以得到以下结论：① 新体制信号目前采用复用方式不再是恒包络调制，主要原因是GPS卫星自身功放的线性程度良好，非恒包络复用调制信号在通过功放后造成的失真对定位影响小；② 新体制信号各分量的功率占比有所调整，在L1频点，原有的L1C/A，L1P(Y)功率占比下降一半，分出一半留给L1C信号，而L1M信号占比不变，对于L2频点，未采用恒包络调制后，减少的交调分量的能量占比部分由L2M信号代替，从而提升了M码信号的功率占比。

考虑到GPS III卫星还未正式提供服务，不同信号调制复用方式对测距定位性能的影响还有待于利用GPS接收机进行进一步分析测试。除此之外，针对其新体制信号调制复用方式的可能存在的调整还需要进一步的观测研究，为下一代卫星导航信号调制设计提供参考。