GPS P(Y)码功率增强监测分析

2022-11-30李文玄焦文海王凯邱瑞瑾孙淑贤

北京航空航天大学学报 2022年11期

李文玄,焦文海,王凯,邱瑞瑾,孙淑贤

(1.信息工程大学地理空间信息学院,郑州 450001; 2.32021部队,北京 100094;3.北京跟踪与通信技术研究所,北京 100094)

面对日益频发的全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)干扰现象,卫星导航信号功率增强成为系统层面克服GNSS先天脆弱性、提升下行信号抗干扰能力最直接的措施,也是导航战体系的重要组成部分。全球定位系统(global postioning system,GPS)Block IIR-M和Block IIF卫星现代化的重要内容之一就是增加可编程功率输出的功能,也称为弹性功率(flex power),以增加卫星播发的军用P(Y)和M码的信号强度。2010年9月7日至12日,在美国空军太空司令部(AFSPC)组织的GPS弹性功率演示训练活动中,第二太空操作中队进行了GPS在轨卫星的星上功率可调技术试验,Jiménez-Baños等[1]利用伽利略实验传感器(GESS)网络的监测站数据和英国奇尔波顿天文台25m抛物面天线的观测数据对试验结果进行了分析。2017年2月7日和8日,7颗在轨运行的Block IIR-M卫星L1频点各个信号分量的功率发生了重新分配[2]。2017年1月27日开始,第二太空操作中队对10颗正常运行的Block IIF卫星在L1频点上实施了区域覆盖的弹性功率操作,C/A码和P(Y)码的功率比在标称模式下增强约2.5dB[3-4]。2018年以来,GPS功率增强行动开始进入实战,2018年4月13日至17日,美联合英法空袭叙利亚大马士革地区期间,GPS信号受到人为干扰,美军对Block IIR-M和Block IIF卫星播发的P(Y)码实施了功率增强操作,使得武器装备能够正常使用GPS提供的服务[3,5-6]。2019年6月20日和21日,美军对伊朗进行空袭威胁期间,同样监测到P(Y)码的功率增强现象[3,7]。可见,GPS P(Y)码功率增强行动已成为美国军事行动的先兆和常态化操作。GPS在轨运行的7颗Block IIR-M卫星和12颗Block IIF卫星播发的增强功率P(Y)信号,在战争和军事行动中有助于各型搭载GPS设备的武器装备提高抗干扰能力,在复杂电磁环境下有效确保军事行动效果。有关学者针对历次GPS信号功率调整和P(Y)码功率增强现象,从功率增强强度、调制方式和差分码偏差(differential code bias,DCB)的变化等方面进行了分析[1-7]。

2021年6月,随着第5颗GPS III卫星的发射入轨,目前在轨播发新一代军用M码信号的GPS卫星已达到24颗,但由于支持M码应用的地面运控系统和接收机尚没有形成完整能力[8-9],目前P(Y)码仍是GPS的主用授权信号。2020年2月14日以来,GPS对Block IIR-M和Block IIF卫星进行了常态化固定区域的弹性功率操作。

本文对GPS弹性功率的原理进行推导分析,综合多种数据分析2020年2月14日开始的GPS P(Y)码功率增强行动,提炼GPS功率增强能力指标,客观评价GPS P(Y)码功率增强能力。相关结论可为GPS P(Y)码功率增强的实时监测分析提供技术支撑,为下一代北斗系统的信号功率设计提供相关参考,也可为干扰条件下北斗和GPS的功率增强对抗提供有益借鉴。

1 GPS弹性功率原理分析

提高GPS的抗干扰能力是Block IIR-M卫星设计研发的主要目标之一,通过控制段(CS)上注指令,该型卫星搭载的新型发射机可以调整射频输出功率[10],后续的Block IIF卫星同样具备这种能力。在卫星发射总功率不增大的情况下,不同信号分量的功率可以实现重新分配,这种功能被称为弹性功率。

GPS卫星在3个频点播发民用和军用导航信号,即1575.42MHz的L1频点、1227.60MHz的L2频点和1176.45MHz的L5频点。所有类型的卫星均在L1频点上播发民用C/A码,在L1和L2频点上播发军用P(Y)码。2005年9月首发的Block IIR-M卫星在L2频点上增加了民用L2C码,在L1和L2频点上增加了军用M码。Block IIF卫星又增加了L5信号。通常情况下,GPS卫星发射信号的总功率和功率比是恒定的。对于民用信号和P(Y)码,发射功率满足接口规范[11-12]中给出的接收最小信号强度的要求。Barker等[13]给出了军用M码的近似值。

Block IIR-M和Block IIF卫星具备可编程功率输出能力,可以在L1和L2频点的各个信号之间进行发射功率的重新分配[14-15],使得单个信号分量的功率可能会超过规定的最大值,但不会超过-150dBW[11]。下面以Block IIF卫星L1频点分析弹性功率原理。

Block IIF卫星L1频点共播发民用C/A码、军用P(Y)码和M码3种信号,为了保证合路信号包络恒定,采用了相干自适应副载波调制(coherent adaptive subcarrier modulation,CASM)来解决播发新的军用M码的难题。L1频点合路基带信号理论解析式[16]可由式(1)表示:

式中:I(t)、Q(t)分别为同相和正交分量;d(t)和dM(t)分别为NAV电文数据码和新的MNAV电文数据码;CP(Y)(t)、CM(t)、CC/A(t)分别为P(Y)码、M码、C/A码的电平值;PI、PQ分别为I、Q支路的功率;sqr(t)为M码信号扩频调制中采用的10.23MHz的方波;m为调制系数。

各信号分量的功率及与信号总功率的关系可表示为

式中:PT为信号发射总功率;PIM为互调分量的功率。

由式(2)可知,在总功率不变的条件下,增大P(Y)码功率可以通过减小m、增大PI、减小m同时增大PI3种方法实现,下面分别进行分析。正常情况下,L1频点的信号功率比和调制系数采用德国宇航中心(DLR)的高增益天线测量结果[3]:

PQ/PI≈65/35,m≈0.83,PC/A/PP(Y)≈2.9dB。

1)减小m。对于L1频点,当m减小为0时,即调制方式由CASM转换为四相相移键控(QPSK),此时M码和互调项IM的功率为0,PQ/PI=PC/A/PP(Y)≈2.9dB。根据I和Q支路及各信号分量的功率比,可知这种情况下P(Y)码的功率增强量最大为ΔPP(Y)=3.4dB,同时ΔPC/A=3.4dB,即P(Y)码和C/A码同步增强,P(Y)码和C/A码的功率比不变。方法1已在2018年1月的Block IIF卫星L1频点的各信号分量功率调整中得到验证,但由于L1频点总功率下降了约0.6～1.0dB,P(Y)码和C/A码的功率实际增强约2.5dB[3]。

2)增大PI。该情况下调制方式不变,互调分量IM的功率同时增加,复用效率将会下降,同时PQ减小,PC/A码的功率也减小。根据高增益天线测量结果,正常情况下,PI/PT=0.35,PQ/PT=0.65。极限情况下,当PI=PT时,P码功率最大只能增强4.6dB,但此时PQ为0,C/A码和M码不能正常播发。方法2会影响民用用户使用C/A码信号。

3)减小m同时增大PI。在方法1减小m为0的基础上,继续调整I和Q支路的功率比,当PQ/PI减小时,ΔPP(Y)将进一步增大,而ΔPC/A将减小,最终可以实现P(Y)码增强而C/A码功率不变的结果,此时ΔPP(Y)=6.3dB,PQ/PI≈31/69,PC/A/PP(Y)≈-3.5dB。2020年2月14日开始的GPS信号功率调整操作就是属于方法3。

分别分析得到Block IIF卫星L2频点、Block IIR-M卫星L1频点和L2频点在方法3下的功率变化情况:

1)Block IIF卫星L2频点Q和I支路的功率比PQ/PI≈55/45,调制系数m≈0.75[3],按照方法3实现P(Y)码增强而C码功率不变时,ΔPP(Y)=4.6dB,PQ/PI≈30/70,PC/PP(Y)≈-3.7dB。

2)Block IIR-M卫星L1频点Q和I支路的功率比PQ/PI≈61/39,调制系数m≈0.83[16],按照方法3实现P(Y)码增强而C/A码功率不变时,ΔPP(Y)=6.0dB,PQ/PI≈28/72,PC/A/PP(Y)≈-4.1dB。

3)Block IIR-M卫星L2频点Q和I支路的功率比PQ/PI≈48/52,调制系数m≈0.795[16],按照方法3实现P(Y)码增强而C码功率不变时,ΔPP(Y)=4.6dB,PQ/PI≈23.9/76.1,PC/PP(Y)≈-5.0dB。

可见,通过调节m、PI和PQ的比,可以灵活实现各信号分量功率的不同组合。方法1可以实现P(Y)码和C/A码的同步增强,减小M码和互调项IM的功率,直至为0;方法2中P码功率最大只能增强4.6dB,同时需要减小C/A码和M码的功率;方法3在C/A码功率不变的情况下,Block IIF卫星可以实现L1P(Y)码功率增强6.5dB。3种方法进行比较,可以看出方法3更符合导航战的内涵要求,无干扰时,民用用户不受弹性功率模式的影响,干扰环境下,民用用户较授权用户更容易受到干扰,弹性功率主要提高了授权用户的抗干扰能力。

GPS具备弹性功率功能的7颗Block IIR-M卫星和12颗Block IIF卫星构成了一个功率增强星座,精确控制星座中每颗卫星弹性功率开启和终止的时刻,可以灵活产生不同的增强星座覆盖情况,达到不同的星座性能,如2018年4月、2019年6月的全球覆盖和2020年2月14日以来的区域覆盖。

2 监测分析方法

利用全球分布的国际GNSS监测评估系统(iGMAS)和国际GNSS服务(IGS)监测站网络,实现了对GPS P(Y)码功率增强现象的连续监测,利用事后精密星历分析GPS功率增强卫星的覆盖性及星座性能。使用高增益天线对功率增强前后的GPS射频信号进行分析,得出了信号调制方式、各信号分量功率比的变化情况。增强后P(Y)码的抗干扰能力提升程度主要通过信号分析的方法得出。

2.1 数据来源

2.1.1 监测站观测数据

iGMAS目前已建成包括全球27个监测站的GNSS监测网络,均具备监测BDS/GPS/GLONASS/Galileo四系统信号的能力。IGS及其多GNSS试点项目(MGEX)目前已建成全球500余个监测站。以上2个监测网络提供了分析GPS功率增强能力所需的观测数据。选取分布于全球的多个监测站,主要利用2020年2月13日至17日GPS卫星各信号分量的信号强度观测量分析功率增强能力。

2.1.2 高增益天线监测数据

中国科学院国家授时中心建设的GNSS空间信号质量评估系统能够实现GNSS空间导航信号的连续监测和信号功率的测量,系统的核心设备是位于洛南昊平站的40m口径高增益天线[17]。2020年1月至3月,该系统对Block IIF卫星的L1频点信号进行了监测,监测数据可以用来分析信号调制方式及各信号分量功率比的变化情况。

2.1.3 精密星历和精确站坐标数据

利用2020年2月17日的IGS事后精密星历进行功率增强星座的性能分析。欧洲定轨中心(CODE)第2092GPS周的站坐标用于评价增强P(Y)码伪距单点定位的精度。IGS事后精密星历的精度为5cm(RMS)、数据间隔为15min,站坐标的平面精度为3mm、高程精度为6mm,满足星座性能和定位精度分析的要求。

2.2 分析方法

2.2.1 全球分布的监测站数据分析

目前,iGMAS和MGEX均提供RINEX3格式的观测文件,其中包含了接收机输出的各个信号分量的信号强度观测量,即载噪比密度(C/N0)。分析C/N0随时间的变化情况,若多个监测站同时观测到同一类卫星发射的相同信号超过一定阈值的C/N0阶跃变化,则认为对该信号进行了功率增强,进一步可分析得到每颗卫星的功率增强操作开始和结束时刻,然后计算分析得到功率增强星座性能、信号功率增强强度、定位精度等指标参数。

1)覆盖区域范围

利用精密星历和信号功率增强的开始、结束时刻,设置高度截止角为5°、格网大小为2.5°、时间间隔为1min,计算一个回归周期内每个空间格网点可见增强卫星数(NSAT)的95%分位数,然后按式(3)和式(4)计算功率增强覆盖区域面积S和空间覆盖率Sp:

式中:n为空间格网点总数;i为空间格网点序号;Si为第i个空间格网的面积;Sg为全球表面积。

2)可见增强卫星数

按照覆盖区域范围中的设置,计算一个回归周期内每个时空格网点的可见增强卫星数。分析全球性能时,分别计算5°、10°、15°高度截止角下的可见增强卫星数,统计最小值、最大值和平均值。

3)增强星座位置精度因子

格网点位置精度因子(position dilution of precision,PDOP)可用性和星座PDOP可用性[18]可以分别表示为

式中:Aj表示特定格网点j的PDOP≤n的可用性;(PDOP)表示格网点j在一个回归周期内采样计算所有PDOP的统计数;(PDOPn)表示格网点j在一个回归周期内采样计算PDOP≤n的统计数;AR表示特定覆盖区域PDOP≤n的星座可用性;(PDOP)表示特定覆盖区域R所有格网点在一个回归周期内采样计算所有PDOP的统计数;(PDOPn)表示特定覆盖区域R所有格网点在一个回归周期内采样计算PDOP≤n的统计数;n为星座可用性取值。

4)信号增强能力

C/N0描述了GNSS信号的载波功率与1Hz带宽中的噪声功率之比。接收机通常将C/N0作为测量值输出并作为衡量信号质量的重要参数。假设噪声功率保持恒定,则C/N0也可以作为接收信号强度的指标。由于天线增益、低噪声放大器和接收机特定的C/N0估计方法[19]的不同,不同监测站或者不同型号接收机的C/N0测量值无法直接比较,而同一接收机的C/N0变化可用于监测和评估卫星信号发射功率的变化量。

当AS(anti-spoofing)激活时,未授权的民用接收机一般通过无码或半无码技术恢复L2载波,间接获取L2频点的载波相位测量值。较直接P(Y)码相关法,由此产生的平方损耗会导致接收机输出的P(Y)码载噪比下降,因此,信号功率变化前后时刻S2W观测值的差值不能直接代表信号功率的变化量。几种半无码技术的平方损耗曲线[20]如图1所示。

图1 几种半无码技术的平方损耗Fig.1 Square loss of several semi-codeless techniques

由图1可知,在L2P(Y)码的C/N0小于一定值时,所有技术的理论平方损耗曲线的斜率都近似为1,区别只在于纵轴截距不同。不同型号的接收机可能存在差异,但只要在近似区间内,一般可以用式(6)表示的直线束来近似平方损耗曲线。

式中:l为平方损耗;C/N0为直接相关法得到的L2 P(Y)码的载噪比;λ为常数。

由于

式中:(C/N0)O为接收机输出的L2P(Y)码载噪比(S2W)。

结合式(6)、式(7),可得

则L2P(Y)载噪比的变化量Δ(C/N0)与S2W值变化量Δ(C/N0)O的关系可表示为

可见,载噪比变化量与λ的取值无关。在平方损耗的线性区间内按式(9)计算的载噪比变化量即代表了L2P(Y)码的功率变化量。

5)定位误差

利用监测站观测的增强卫星伪距进行单点定位,并与精确站坐标进行比较,得到站心坐标系中的水平、高程和位置误差。

2.2.2 高增益天线测量

民用接收机可以利用半无码技术跟踪GPS L2 P(Y)码,一般不输出L1P(Y)码的观测值。具有较大有效接收面积的抛物面天线可以实现在射频端将处于噪底之下的微弱GPS信号提升到噪底之上。利用星座图和极大似然法[21]分析得到各频点信号分量功率比和信号调制方式的变化情况。

2.2.3 增强信号分析

利用分析得到的可见增强卫星数和信号增强能力,通过计算等效载噪比,可以对用户端的抗干扰能力提升程度和对民用信号的影响进行针对性的分析。

1)用户端抗干扰能力提升程度

接收机同时接收多颗卫星播发的功率增强信号时,对其中某颗增强卫星信号而言,其他增强卫星信号对其构成多址干扰。功率增强情况下,各颗卫星增强P(Y)码间的多址干扰视为匹配谱干扰,用户端P(Y)码的等效载噪比可按式(10)计算:

式中:(C/N0)eff为P(Y)码的等效载噪比;C/N0为未增强P(Y)码的载噪比;ΔP为功率增强量;N为可见增强卫星数;Q为抗干扰品质因数,此处取为1.5[22];RC为P(Y)码的扩频码速率。

2)对其他信号的影响程度

由于L1频点上的C/A码和P(Y)码的频谱中心重叠,增强P(Y)码信号功率将会对C/A码信号的接收造成影响。增强P(Y)码对C/A码的影响类似于宽带干扰,用户端的C/A码等效载噪比可表示为

式中:(C/N0)eff为C/A码的等效载噪比;C/N0为C/A码无干扰时的载噪比;N为可见增强卫星数;J/S为增强P(Y)码和C/A码的功率比;Q为抗干扰品质因数,此处取为2.22[22];RC为C/A码的扩频码速率。

受P码干扰后C/A码的载噪比下降量Δ(C/N0)可按式(12)计算:

3 GPS P(Y)码功率增强能力

3.1 覆盖性及星座性能

3.1.1 覆盖区域范围

分析全球分布的监测站数据中每颗卫星P(Y)码的C/N0随时间的变化情况,得到7颗Block IIR-M卫星和12颗Block IIF卫星在2020年2月17日的功率增强操作开始和结束时刻,如表1所示。Esenbugˇa等[23]对星下点轨迹和覆盖区域中心坐标进行了分析。利用这些卫星的精密星历和功率增强操作时刻进行轨道仿真,以可见增强卫星数NSAT(95%)≥4作为判断条件,按式(3)和式(4)计算得到2020年2月17日一个回归周期内的7颗Block IIR-M卫星和12颗Block IIF卫星的覆盖区域面积为66378228.25km2,覆盖率为13%。覆盖区域范围如图2所示。

表1 2020年2月17日弹性功率开启和终止时刻(GPST)Table1 Flex power on and off moments on Feb.17th,2020(GPST)

图2 功率增强星座覆盖区域范围和可见增强卫星数Fig.2 Coverage area range and NSAT of power enhancement constellation

3.1.2 可见增强卫星数

高度截止角设为5°,计算得到2020年2月17日的可见增强卫星数(95%),如图2所示。在覆盖区域范围内,可见增强卫星数为5颗(95%)的区域和可见增强卫星数为4颗(95%)的区域的面积占比分别为30%和70%。

为分析GPS功率增强星座的全球覆盖性,假设7颗Block IIR-M卫星和12颗Block IIF卫星在一个回归周期内不间断播发功率增强信号,得到全球可见增强卫星数,如图3所示。分别将高度截止角设为5°、15°、30°,统计出全球可见增强卫星数的最小值、最大值、平均值,如表2所示。

表2 不同高度截止角下的全球可见增强卫星数Table2 Global NSAT at different elevation mask angle

图3 功率增强星座全球可见增强卫星数Fig.3 Global NSAT of power enhancement constellation

3.1.3 增强星座位置精度因子

高度截止角设为5°,计算得到2020年2月17日增强星座PDOP(95%),如图4所示。

图4 增强星座区域位置精度因子Fig.4 PDOP of enhanced constellation area

假设19颗卫星在一个回归周期内不间断播发功率增强信号,进一步分析得到增强星座全球位置精度因子PDOP(95%),如图5所示。GPS星座不是Walker型星座,并且功率增强卫星数量仅为19颗,因此PDOP值在同纬度地区的分布并不相同,PDOP(95%)最大不超过7。分别将高度截止角设为5°、15°、30°,统计出全球PDOP≤6星座可用性,如表3所示,5°高度截止角下的星座可用性可达98.6%。

图5 增强星座全球位置精度因子Fig.5 Global PDOP of enhanced constellation

表3 PDOP≤6星座可用性Table3 PDOP≤6constellation availability

3.2 空间信号

3.2.1 信号增强能力

图6绘出了IGS ABPO站观测的2020年2月13日(年积日044)和14日(年积日045)Block IIR-M G17卫星L1C/A、L2P(Y)、L2C的信号强度S1C、S2W、S2L。2020年2月13日Block IIRM G17卫星各信号分量的强度都保持连续状态,2月14日09:34,L2P(Y)的信号强度出现了瞬时增大的现象,表明从该时刻起,Block IIR-M G17卫星开启了L2P(Y)信号功率的增强。L2C在2月13日和2月14日两天的信号强度基本保持一致。L1C/A在2月14日的信号强度相比2月13日有所减小,平均减小约2.4dB,进一步分析发现,从2月14日00:00起,Block IIR-M卫星L1 C/A的信号强度都出现了减小,这表明自2017年2月7日开始的7颗Block IIR-M卫星L1频点各信号分量重新调整的操作[2]于2月14日00:00终止,Block IIR-M卫星的C/A码功率恢复到了正常状态。分析发现,S2W和S1C、S2L观测值的曲线不平行,其差距和S2W值的大小相关,这是由于普通民用接收机使用半无码技术恢复L2P(Y)码产生的平方损耗引起的,S2W值要低于采用直接相关法得到的L2P(Y)码载噪比,且其差值是非线性的。

图6 Block IIR-M G17卫星各信号分量强度(IGS ABPO站)Fig.6 Strength of each signal component of Block IIR-M G17satellite(IGS ABPO)

图7绘出了IGS MCIL站观测的2020年2月13日(年积日044)和14日(年积日045)Block IIF G24卫星L1C/A、L2P(Y)、L2C的信号强度S1C、S2W、S2X。S2X在2月13日和2月14日两天基本保持一致。2月13日的S1C和S2W值在00:34均出现约2.5dB的减小,在23:11均出现约2.5dB的增大,这是由于2017年1月27日开始的对Block IIF卫星L1频点各信号分量功率的调整造成的,由于半无码技术,L1C/A码功率的增强也会造成接收机输出的S2W增大,这种调整于2020年2月14日终止,被新的功率调整方式代替。2月14日的S1C保持连续状态,表明L1 C/A的信号强度恢复到了正常水平。2020年2月14日00:00起,S2W瞬时增大,01:26恢复,21:20又增大,表明从2月14日起,Block IIF G24卫星开启了区域覆盖的L2P(Y)信号功率的增强。

图7 Block IIF G24卫星各信号分量强度(IGS MCIL站)Fig.7 Strength of each signal component of Block IIF G24 satellite(IGS MCIL)

考虑卫星低仰角时的多路径效应和平方损耗曲线的近似区间问题,以S2W属于[38,45]dB·Hz区间确定计算各信号分量功率变化量的时段,在此时段内对2月13日和2月14日两天L1C/A、L2C的载噪比作差,L2P(Y)的载噪比变化量按式(9)计算,Block IIR-M G17卫星和Block IIF G24卫星的结果分别如图8和图9所示。图中,各个历元的载噪比差值基本保持恒定。

图8 Block IIR-M G17卫星各信号分量强度的变化Fig.8 Variation of strength of each signal component of Block IIR-M G17satellite

图9 Block IIF G24卫星各信号分量强度的变化Fig.9 Variation of strength of each signal component of Block IIF G24satellite

对各历元的载噪比差值取中数,结果如表4所示。结果表明,Block IIR-M G17卫星的L2P(Y)的功率增强了约5.1dB。L1C/A码的功率减小了约2.4dB,考虑到2017年2月7日开始的Block IIR-M卫星L1C/A码功率增强2.4dB的现象,经这次调整,L1C/A码的功率恢复到了正常水平。Block IIF G24卫星的L2P(Y)码功率增强了约5.4dB。

表4 Block IIR-M G17和Block IIF G24卫星各信号分量功率变化量Table4 Power variation of each signal component of Block IIR-M G17and Block IIF G24satellite

3.2.2 信号调制方式及信号分量功率比

常用测量型接收机一般只输出L2P(Y)码观测量。2020年1月至3月使用高增益天线对8颗Block IIF卫星的下行信号进行了监测,分析得到了L1频点信号调制方式、L1P(Y)码和L1C/A码功率比的变化情况,如表5所示。

表5 Block IIF卫星L1频点信号调制方式和功率比变化Table5 Variation of signal modulation mode and power ratio at L1frequency band of Block IIF satellites

2020年1月16日至21日的监测数据表明,8颗Block IIF卫星中有4颗的L1频点是CASM调制,另外4颗为QPSK调制。结合监测站的信号强度观测量,可以得出采用CASM调制的4颗卫星的L1频点各信号分量功率比已经恢复正常状态。而采用QPSK调制的G24、G30、G09、G26等4颗卫星仍然处于弹性功率模式,信号分量功率配比与2017年1月27日相同。分析2020年2月29至3月16日的监测数据,发现当8颗Block IIF卫星进入特定空域后开启弹性功率时,L1频点的调制方式均调整为QPSK,所有卫星的L1P(Y)和L1C/A的功率比的变化情况基本相同。由于C/A码功率基本未变,相当于P(Y)码功率平均增强了6.64dB,这与第一节中的理论分析结果基本一致。

3.2.3 增强频点数量

综合IGS ABPO站、MCIL站观测的L2P(Y)信号强度分析结果(见表4)和由高增益天线监测数据分析得出的L1频点信号分量功率比(见表5),可知L1和L2频点的P(Y)码均发生了功率增强。

3.3 用户端性能

3.3.1 抗干扰能力提升程度

结合3.1.2节中的结论,在式(10)中将可见增强卫星数NSAT设为3～6,计算得到接收机端的增强P(Y)码等效载噪比(C/N0)P(Y),eff,如图10所示。图10表明,功率增强情况下,由于多址干扰,接收机端的增强P(Y)码等效载噪比(C/N0)P(Y),eff小于未增强P(Y)码载噪比与功率增强量之和:

图10 P(Y)码的等效载噪比Fig.10 Equivalent carrier-to-noise ratio of P(Y)code

(C/N0)T=(C/N0)P(Y)+ΔP

其差值随NSAT和(C/N0)T的增大而增大。当NSAT为6,(C/N0)T为55dB·Hz时,等效载噪比下降量为0.4dB;(C/N0)T为60dB·Hz时,等效载噪比下降量可达1.2dB。

3.3.2 对系统内其他信号的影响程度

在特定的弹性功率模式下,增强P(Y)码和C/A码的功率比是恒定的,以Block IIF卫星L2频点为例,在式(11)中将J/S设为3.7dB,计算得到增强P(Y)码对C/A码干扰引起的载噪比下降量Δ(C/N0),如图11所示。可见,C/A码载噪比下降量Δ(C/N0)随可见增强卫星数NSAT的增大而增大,当NSAT一定时,Δ(C/N0)随C/A码载噪比(C/N0)C/A的增大而增大。当NSAT=6,(C/N0)C/A为50dB·Hz时,载噪比下降量可达2.1dB;(C/N0)C/A在46dB·Hz以下时,载噪比下降量小于1dB。

图11 增强P(Y)码引起的C/A码载噪比下降量Fig.11 Degradation of C/A code carrier-to-noise ratio caused by enhanced P(Y)code

3.3.3 定位误差

选择GPS增强P(Y)码覆盖区域内的7个IGS监测站(点位分布见图2),仅利用19颗功率增强卫星2020年2月14日的L1C/A和L2 P(Y)伪距观测量进行双频单点定位解算,高度截止角设为5°,采样间隔为30s,电离层延迟采用消电离层组合改正,对流层延迟采用萨斯塔莫宁(Saastamoinen)模型改正。进行单历元解,每个历元的解与CODE的周解站坐标作差,而后统计站点在站心坐标系下的水平、高程和位置误差(95%),各站点的定位误差如图12所示。

从图12可以看出,所有站点的水平误差均小于高程误差,7个站点中的最大水平误差不大于8m,最大位置误差不大于15m。