GPS III新体制L2频点导航信号分析

李宏肖

(民航空管技术装备发展有限公司，北京 100015)

0 引言

首颗GPS III卫星于2018年12月24日发射升空，GPS III卫星除了在抗干扰能力、定位精度和使用寿命等方面得到提高外，在L1频点信号分量的构成上添加了一个新的民用导航信号L1C，且将该信号作为继GPS系统L1C/A，L2C，L5之后的第4个民用信号[1-2]。自1999年GPS卫星现代化以来，Block II RM型号卫星开始在1 227.6 MHz频点上播发新的民用信号L2C。随着GPS现代化的推进，新型的授权信号L1M和L2M也被加入到GPS发射的信号中，考虑到导航载荷作为功率受限系统和功放的非线性特性，在设计上需要在同一个频点上调制更多的信号[3-4]，因此需要保证发射信号的星座图分布在单位圆上，降低在通过功放时的失真程度。

在GPS III上一代卫星GPS Block IIF中，采用互复用相干自适应子载波调制(Coherent Adaptive Sub-carrier Modulation，CASM)技术进行复用调制，保证了多路信号的恒包络复用[5]，本文重点针对GPS III的调制复用方式开展研究，考虑到卫星导航信号到达地面时功率较低，所以针对调制复用方式的分析研究不能使用通用的GPS全向天线进行信号接收，只能利用高增益大口径定向天线进行信号分析采集并利用软件接收机和相应的信号质量分析软件开展精细分析。本文利用7.5 m抛物面天线完成了对GPS III首星L2频段信号的采集，并与上一代GPS Block IIF的L2信号进行了对比分析，并针对其信号调制方式、信号分量组成、复用方式等进行详细分析，为我国北斗导航卫星系统的后续设计提供参考。

1 高精度信号质量采集分析技术

针对新体制信号开展高精度信号质量分析，一般采用大口径天线完成对GPS III卫星导航信号数据的实时采集存储[6]，利用Matlab等工具完成对存储数据文件的分析。高精度的信号质量采集分析技术主要包括2部分：低失真数据采集处理技术和精细化信号软件接收处理技术。

低失真数据采集处理技术的基本流程如图1所示。利用高增益大口径天线完成对导航卫星的实时稳定跟踪，导航卫星信号依次通过馈源、L波段滤波器和低噪声放大器，其中滤波器可实现在模拟端滤除其他频段对导航频段的影响[7-8]；然后利用分频点滤波器完成对观测频带范围的滤波处理，以滤除L波段频带内非导航频带可能引入的干扰，避免在射频直接采集时产生混叠；最后将多路信号合路后，由射频直采设备完成采集。射频直采设备通过高速AD完成信号采样，并对各频点进行数字变频抽取处理，降低存储数据的采样率，从而提升数据分析效率[9-11]。随后对抽取后的信号进行通道补偿，补偿滤波器的参数根据整个采集通道的标校结果确定，保证采集信号逼近无失真，最后利用高速总线完成数据的实时存储。

图1 低失真数据采集处理技术Fig.1 Low-distortion data acquisition and processing technology

精细化信号软件接收处理技术的基本流程如图2所示。

图2 精细化的信号软件接收处理技术Fig.2 Refinement of signal software receiving and processing technology

将采集到的信号数据进行民用基准信号的捕获，确定数据的读取起始点，按照起始点依次读取积分周期长度的原始信号，利用DLL-PLL跟踪环路完成对读取信号的跟踪处理[12]，获取精准的载波多普勒和码相位，利用跟踪环路的观测结果获取剥离多普勒和残余码相位的零中频信号[13]，对零中频信号进行残余的码相位的剥离，并按照观测频点进行发射带宽滤波，最后进行能量归一化处理，得到最终精细化的信号质量测试信号。

2 GPS III卫星L2信号理论分析

2.1 L2信号体制分析

GPS III卫星在L2频点共发射3种信号：P(Y)码信号、M码信号和L2C码信号。该频点下的信号可以表示为：

(1)

式中，Pp，Pm,Pc分别表示P(Y)码，M码和L2C码信号的发射功率；cp(t)，cm(t)，cc(t)分别表示P(Y)码，M码和L2C码信号幅值；dp(t)，dm(t)，dc(t)分别表示P(Y)码，M码和L2C码信号的导航电文；Dm(t)表示M码信号的调制副载波；θL2表示L2信号的初始相位[14]。

GPS III卫星L2频点下的信号组成与上一代GPS IIF卫星相比，并没有发生变化。但是GPS III卫星L2C信号的相关损耗为0.3 dB，相比上一代卫星的0.6 dB，降低约0.3 dB；L2P(Y)的相关损耗并没有改变，依旧约为0.6 dB。此外，从地面接收最小电平的角度来看，接收带宽为20.46 MHz条件下，GPS III卫星L2C信号的最小接收电平为-158.5 dBW，相较于GPS IIF卫星的-160.0 dBW，增强了1.5 dBW；L2P(Y)的最小接收电平依旧为-161.5 dBW，并未发生变化[15]。L2C和L2P(Y)信号的相关损耗和地面最小接收电平的改变，意味着L2整个频点下的3个信号的调制复用方式以及各信号功率占比发生变化，这样的改变也表明未来美国导航系统的战略意图。

2.2 L2信号调制复用方式分析

GPS III卫星L2频点上共有3种信号，通过一定的调制复用方式来完成同一频点多个信号的调制，实现该频点下多路信号效率利用的最大化。

设I支路复用方式的映射函数为FI(x,y,z)，其中x，y，z分别为L2C,L2P(Y),L2M的码片值(取值为0或1)。H(y,z)的映射关系如表1所示。由表1可以看出，在x和z不变的情况下，y取0或1时对应的I支路映射值相同，即：

FI(x,0,z)=FI(x,1,z)。

(2)

表1 H(y,z)的映射关系Tab.1 Mapping relationship of H(y,z)

根据以上特性，可以将映射函数改写为：

FI(x,y,z)=H(y,z)，

(3)

式中，H(y,z)为只考虑L2C和L2M的映射函数。

调整映射关系，将式(3)改写为：

FI(x,y,z)=(1-2x)×S(x,z)，

(4)

式中，S(y,z)映射关系为：

(5)

令R=(1-2x)×(1-2z)，则当R=1时，S(x,z)=-0.015，当R=-1时，S(x,z)=1.2。构建线性方程，可以得到S(x,z)表达式为：

S(x,z)=-0.607 5×R+0.592 5。

(6)

最终得到：

FI(x,y,z)=(1-2x)×

(-0.607 5×(1-2x)×(1-2z)+0.592 5)。

(7)

同理，设Q支路的复用方式FQ(x,y,z)，Q支路满足x取0或1时对应的映射值相同，即：

FQ(0,y,z)=FQ(1,y,z)。

(8)

经处理，最终得到：

FQ(x,y,z)=(1-2y)×

(-0.575×(1-2y)×(1-2z)+0.425)。

(9)

进一步对3路信号的伪码表达形式进行修改，每路信号波形的正负是伪码极性转换后与电文相乘得到的，因此可以表示为：

(10)

式中，CL2C(t)，CL2P(t)，CL2M(t)分别为L2C，L2P，L2M三个分量的极性伪码；DL2C(t)，DL2P(t)，DL2M(t)为对应分量上的电文。由于极性伪码和电文只能取1或-1，所以可以将IQ支路的复用方式改写为：

(11)

IQ支路组合后的复用方式F(t)表达式为：

F(t)=FI(t)+jFQ(t)。

(12)

最后将零中频信号转换为射频信号，可以得到：

(13)

3 GPS新旧体制L2频点信号分析

3.1 频域分析

GPS III卫星与GPS II卫星在L2频点处的信号功率谱如图3所示。GPS L2频点处新旧体制两代信号均具备L2C和L2M分量，且信号调制方式和调制频点无明显改变；但GPS III卫星新体制信号L2频点的L2M信号功率占比强于GPS II卫星旧体制信号。

(a) GPS III L2信号功率谱

(b) GPS II L2信号功率谱图3 新旧体制GPS卫星L2信号功率谱比较Fig.3 Comparison of L2 signal power spectrum of GPS satellites in old and new systems

3.2 调制域分析

GPS III卫星与GPS II卫星在L2频点处信号的星座图如图4所示。从图4中可以明显看出,GPS III卫星L2频点星座图包含8个顶点，且并未像旧体制信号那样分布在单位圆上，表明新体制信号采用了不同于GPS II卫星旧体制信号设计时采用的恒包络复用方式。理论上，非恒包络调制复用方式会导致信号幅值和相位的失真，但是却能够充分利用卫星上的资源，提高调制复用的效率[13]。GPS III卫星L2频点采用非恒包络调制复用方式，有可能采用新技术来减小因幅值和相位失真带来的影响。

(a) GPS III L2信号星座图

(b) GPS II L2信号星座图图4 新旧体制GPS卫星L2信号星座图比较Fig.4 Comparison of L2 signal constellation diagrams of GPS satellites in old and new systems

3.3 相关域分析

L2信号各分量的相关峰如图5所示。对于L2C信号，新旧2种体制L2CL信号分量与其对应的L2CM信号分量功率一致，且信号分量的调制复用方式和幅值基本一致，这是由于L2CM和L2CL均采用分时复用的调制方式，即各信号分量积分时间各占一半[16-17]。对于L2M信号，由于信号采集场景增益高，所以采用盲识别方式实现对L2M信号分量的判决，并绘制其相应的相关峰；L2M信号分量的调制方式仍为BOC(15,2.5)，且GPS III新体制L2M信号分量的功率占比约为44.44%。对L2P(Y)信号相关峰的观测，同样采用盲识别的方式实现对L2P(Y)信号分量的判决，并绘制其相应的相关峰；L2P(Y)信号分量的调制方式仍然为BPSK(10)，且GPS III新体制L2P(Y)信号的功率占比约为13.57%。

(a) GPS III L2CM发射带宽相关峰

(b) GPS III L2CL发射带宽相关峰

(c) GPS III L2M发射带宽相关峰

(d) GPS III L2P发射带宽相关峰图5 GPS III卫星L2频点各信号分量相关峰Fig.5 Correlation peaks of each signal component at L2 frequency of GPS III satellite

通过对L2信号各分量的相关峰分析表明，新旧2种体制的L2信号各分量的调制方式并未发生改变，新体制L2信号依然采用旧体制L2信号调制方式，这也表明GPS系统在升级迭代过程中保持了良好的继承性。

3.4 信号分量功率占比分析

表2所示为GPS III卫星新体制信号与GPS II卫星旧体制信号在L2频点处信号各分量的功率占比。新旧2种体制L2频点的各信号分量功率占比有较大变化，可能是由于GPS II旧体制L2频点信号采用了恒包络调制方式，且加入较多交调信号分量，导致L2频点信号的有效总占比约为69.16%[18]。GPS III卫星新体制L2频点信号并未使用恒包络调制方式，因此L2频点信号的有效总占比约为87.07%。此外，新体制信号分量L2M的功率占比得到明显提升，同时L2P(Y)的功率占比有较大幅度降低。

表2 新旧体制L2频点信号分量功率占比Tab.2 Power ratio of L2 frequency signal components in old and new systems 单位：%

新旧体制L2频点各信号功率占比的改变，表明了新体制L2非恒包络调制复用方式在调制复用效率方面的优势，尤其是L2P(Y)和L2M信号功率占比的大幅调整，更说明了未来美国对L2P(Y)军用信号的依赖逐渐减弱，而现代化后的L2M信号将成为美国未来导航作战的主要手段。

4 新体制L2频点复用方式映射关系分析

由以上分析可知，新体制的GPS III卫星L2频点复用方式不同于上一代卫星旧体制L2频点的恒包络调制复用方式，新体制的L2频点采用非恒包络调制复用方式对同一频点下多路信号进行调制。

如图4所示的GPS III新体制L2信号星座图，通过对GPS III L2频点信号各分量的分析，可以看出L2频点存在3个信号分量L2C，L2P(Y)，L2M。对L2的调制复用方式进行研究，首先利用观测得到的星座图对内部的8个星座点进行描点，得到星座点坐标如表3所示。

表3 GPS III新体制L2星座点Tab.3 L2 constellation points of new system of GPS III

利用得到的一个积分周期内各分量信号的伪码码片的采样值，将极性码片值(±1)转化为0和1，将3种信号分量按照其码片的不同分为3类，将每一类对应时刻的码片进行提取，并求得各类信号对应时刻的归一化能量的零中频信号的I支路幅值和Q支路幅值，剔除各类幅值的野值点后，计算所有幅值坐标到各星座点的平均距离，选取最小平均距离的星座点为其对应星座点，得到如表4所示的星座映射关系表。

利用得到的映射查找表进行复用处理，重新复现实际信号，以得到仿真的信号星座图与实际信号星座图的对比，如图6所示。从调制域上可以看出，仿真信号星座图与实际信号星座图基本一致，唯一差别在于由于仿真信号添加的噪声与实际信号中的噪声不同，因此在纹理细节上略有不同。

(a) GPS III L2实际信号星座图

(b) GPS III L2仿真信号星座图图6 GPS III L2频点仿真与实际星座图对比Fig.6 Comparison of simulated and actual GPS III L2 frequency point constellations

5 结束语

本文对GPS III L2频点的信号体制和复用方式进行了理论分析，然后对比分析了新旧体制GPS L2频点在频域、调制域、相关域以及信号分量功率占比等方面的异同，并对GPS III 新体制L2频点信号的复用方式映射关系进行了研究及仿真验证，得到如下结论：① GPS III L2频点采用了非恒包络调制复用方式，信号的调制复用效率得到提升；② GPS III L2频点各信号分量功率占比发生改变，其中L2M码信号功率占比得到极大提升，L2P(Y)码信号功率占比大幅降低；③ GPS III L2频点各信号分量调制方式与上一代GPS L2频点相同，GPS导航信号设计在系统迭代升级过程中保持了良好的继承性；④ GPS III L2M码信号采用了单独链路的发射方式，提升了信号播发的灵活性，增强了信号功率调整的弹性。通过以上GPS III新体制L2频点导航信号的分析，授权信号采用单独链路发射，增强了信号播发的灵活性和功率调整的弹性，为某些特殊场景的应用提供了极大的便利，这种信号播发的设计为我国北斗导航系统授权信号的设计提供了参考。