GPS现代化及其影响---中篇

+ 刘进军

GPS现代化及其影响
---中篇

+ 刘进军

图8　城市高楼大厦遮挡了低仰角导航卫星的信号

4　GPS现代化进展

4.2GPS卫星现代化

通过增加逐步增加导航信号（L1C、L1M 、L2C、L2M以及L5测距码信号），美国国防部对GPS导航卫星开展了系统地升级和现代化。在L1和L2载波信号上采用“频谱复用”技术调制军用M测距码信号，实现了军民导航信号分离，为GPS系统的开导航战提供了技术保障。在L2载波信号上调制第二民用信号L2C主要用于满足测绘、大地测量等高端商业用户的需求；增加第三民用信号L5主要用于航空导航的“生命安全”服务，在L1载波信号上调制第四民用信号L1C用于未来四大卫星导航系统的兼容互操作，同时解决目前接收卫星导航信号时所遇到的“城市峡谷”问题，即通过四大卫星导航系统同时为用户通过更多的L1频点导航信号来解决现代城市高楼大厦对低仰角导航卫星信号的遮挡问题，更好地为全球民用用户服务，如图8所示。

通过加新的民用L2C码信号，民用用户可以利用L1 C/A和L2C信号高质量地获取双频伪距和双频载波相位观测值。L2载波信号调制C/A码信号，有利于高质量地重建L2载波信号，减少了L2载波信号发生周跳的可能性，同时也缩短了求解整周模糊度的时间，对于利用L1载波信号和L2载波信号双载波相位测量而言有着十分重要的意义。特别是普通民用用户能够双频伪距计算出两种信号的电离层延迟改正，由此获得双频电离层改正模型，实现精确而且实时的电离层延迟改正量。另外差分观测值将不在受观测基线长度的影响，为消除多路径效应提供了帮助。

考虑到地面雷达等设备信号（1300～1500MHz）会潜在干扰GPS接收机对L2信号（1227.6MHz）的捕获跟踪，因此仅在L2频点调制C/A码信号还是不能满足民航涉及“生命安全”应用的需要，由此，GPS系统引入了第三民用频率L5信号（1176.45MHz）。GPS卫星信号发展历程及其频谱位置如图9所示，详见 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卫星播发L5信号的功率比L1信号提高约6dB，并且被设计为同相数据通道（I支路）和正交无数据通道（Q支路），有助于提高信号的抗干扰能力。对于测量用户而言，利用L1、L2和L5信号的不同线性组合，可以得到波长比L1、L2双频宽相观测值更长的组合，更加有利于整周模糊的确定，减少整周模糊度的搜索时间，同时大幅度提高三频GPS信号长基线RTK应用的可靠性。

4.2.1播发第二民用信号LC

GPS系统的标准定位服务（SPS）主要是指，在和平时期为用户免费提供用于商业和科学领域的空间信号。GPS系统L1信号的频率为1575.42MHz，调制一般精度C/A（Course acquisition）测距码信号，使接收机能够快速捕获导航信号，供全世界一般用户免费使用，并提供标准定位服务（SPS），由此L1 C/A测距码信号被称为第一民用信号。

图9　GPS系统卫星信号发展

1997年2月，第一届GPS联合执行委员会（IGEB）组织美国国防部（DoD）和交通部（DoT）等部门研讨为广大商业和民用用户提高服务质量（提高定位精度、为生命安全服务提供冗余信号）而增加第二民用信号L2 C的必要性，大会通过决议，在2003年前完成L2 C码信号的加载。在GPS系统BLOCK IIR-M，IIF以及BLOCK III系列导航卫星中将播发L2 CM码信号和L2 CL码信号，其中CM是“Civil Moderate”的缩写，中文意思是“现代化民码”，CL是“Civil Long”的缩写，中文意思是“民用长测距码”。GPS系统L2信号频谱如图10所示。

图10　GPS系统L2信号频谱

L2 CM码信号和L2 CL码信号的扩频调制方式均为BPSK（1），采用CDMA码分多址技术区分不同的导航卫星播发的L2 C码信号，最低接受功率为-161.5dBW（IIR-M， IIF以及BLOCK III卫星）。其中L2 CM测距码信号的码速率是511.5kbps，码的周期是20 msec，每个周期含有10230个码片；L2 CL测的新的复合信号的码速率仍是1.023 kbps，即信号频率1.023 MHz。

生成第二民用信号L2 C的数据码（导航电文）时，采用了前向误差改正技术FEC（forward error correction），该技术用于改正解调导航电文过程中所出现的数据位判定误差（bit decision error）问题，恢复所丢失的数据，确保导航电文解码的正确性进而可靠性。采用前向误差改正技术FEC后，使L2 C信号信噪比提高5dB，有利于微弱信号的跟踪和捕获。

2005年9月26日，GPS系统第一颗第三代导航卫星BLOCK-IIRM卫星入轨运行，如图12所示，按计划播发了第二民用信号L2 C，是实现GPS现代化的里程碑标志。距码信号的码速率是511.5kbps，码的周期是1.5 sec，每个周期含有767250码片（CM码的75倍）。

需要特别指出的是，在正式播发第二民用信号L2 CM和CL测距码信号之前，有一个过渡时期，在L2频点播发L2 C/A测距码信号。L2导航信号的生成框图如图11所示，由图11可知，尽管L2 CM和L2 CL测距码信号的码速率是511.5kbps，时分多路复用后，所生成

图11　L2C导航信号的生成框图

图12　BLOCK-IIRM卫星地面总装测试（AIT）及在轨展开示意图

图13　BLOCK-IIF卫星地面总装测试（AIT）及在轨展开状态示意

4.2.2播发第三民用信号L5

1998年3月，GPS联合执行委员会IGEB确定GPS系统播发两种新的民用信号（第二民用信号L2C和第三民用信号L5），1999年1月时任美国副总统戈尔宣布为“生命安全Safety-of-life”而设计的L5信号将在2005年正式播发，美国国防部（DoD）宣布第三民用信号L5的中心频点为1176.45 MHz，该频点被包括在航空无线电导航服务（ARNS）的频谱中。1999年2月，IGEB成立L5第三民用信号体制论证组，协调IGEB和RTCA协议之间的关系。1999年11月，IGEB完成立L5第三民用信号体制论证工作，L5信号功率比L1 C/A 码信号高6 dB；L5信号码速率为10.23 Mchip/second。2010年5月27日，美军发射了第一颗BLOCK IIF现代化导航卫星，正式播发L5频点第三民用导航信号，BLOCK-IIF卫星如图13所示。

L5频点第三民用导航信号的扩频调制方式为BPSK（10），采用CDMA码分多址技术区分不同导航卫星播发的L5信号，信号码速率为10.23 Mchip/second，伪随机码PRN长度为10230个码片，I支路调制导航电文，Q支路调制导频数据，电文数据率50和100bps可调，地面最低接收功率为-157.9dBW，L5导航信号的生成框图如图14所示，L5信号频谱如图15所示。

图14 L2C导航信号的生成框图

图15 GPS系统L5信号频谱

尽管第三民用信号L5主要用于航空导航的“生命安全”，但是它可以作为一种稳健的信号被所有的用户使用，L5信号能提供多于观测，提高定位精度，增加信号的可用性和完整性，增加信号使用的连续性和提高对信号的抗干扰能力。另外，还可以利用L5信号进行高精度的长基线差分定位，用于飞机的起飞和降落以及地球科学研究等领域。

2009年3月24日，美国成功发射了BLOCK-IIR（20）M导航卫星，按计划播发了第三民用导航信号L5，是GPS最具现代化的标志，意味着GPS民用用户可以接收L1、L2和L5三个频点的导航信号，一般用户能够用GPS动态载波相位测量技术获得厘米级定位精度，由此用户可以获得更完善的电离层改正、更好的定位精度和可靠性。同时这颗卫星还播发了中心频点为1381.05MHz的L3信号，分析认为是GPS卫星的核爆探测NDS（Nuclear Detonation/Detection System）系统的通信信号。

4.2.3播发第四民用信号L1C

GPS系统第四代导航卫星BLOCK-III卫星将播发第四民用信号L1C，L1C码信号的中心频点与L1 C/ A 码信号、L1 P（Y）码信号一致，仍均是1575.42 MHz。第四民用信号L1C由两个分量组成，分量一是导频信号L1CP，采用二进制偏置载波BOC（6，1） 方式调制信号，分量二是数据信号L1CD，采用二进制偏置载波BOC（1，1）方式调制信号，加载导航电文信息，详见GPS ICD-800文件规定。

系统采用CDMA码分多址技术区分不同的导航卫星播发的L1C信号，码速率为1.023 Mchip/second，伪随机码PRN长度为10230个码片，采用时分多路复用二进制偏置载波TMBOC（6，1，1/11） 方式调制导频数据和导航电文，电文数据率50和100bps可选，地面最低接收功率为-157.0dBW，GPS系统L1C信号频谱如图16所示。

表2 L1频点上的全球卫星导航信号主要特征参数

图16 GPS系统L1信号频谱

由图14可知，L1C信号采用时分多路复用二进制偏置载波TMBOC（6，1，1/11） 方式调制导频数据和导航电文数据后，GPS系统L1C信号在高频处集中了更高的功率。在同等条件下，L1C码跟踪精度相对L1C/A信号有明显改善，提高量在50%～150%之间。由于具备导频通道，预监测积分时间不受符号位约束，能够改善对弱信号的跟踪能力。详见《现代化的GPS新民用信号L1C码跟踪性能分析》，唐祖平，胡修林，电视技术，Vol.49，No.1，2009.1。

卫星无线电导航业务RNSS（Radio Navigation Satellite Service）在L1频点占据优先地位，到目前为止，美国GPS卫星导航系统和欧洲Galileo卫星导航系统已经在1575.42 MHz为中心的L1频点调制了6种导航信号。未来中国北斗系统（BDS）也将在该频点调制导航信号，以实现全球卫星导航系统在L1频点的兼容互操作，现在已经确定的L1频点导航信号参数如表2所示。

由表2可知，L1频点的导航信号频谱相当拥挤，从而不可避免地产生相互间的干扰，因此，在开展对L1频点的导航信号设计时，其测距码跟踪性能和跟踪精度分析十分关键。