GPS現(xiàn)代化及其影響
---中篇

+ 劉進(jìn)軍

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圖8　城市高樓大廈遮擋了低仰角導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)

4　GPS現(xiàn)代化進(jìn)展

4.2GPS衛(wèi)星現(xiàn)代化

通過(guò)增加逐步增加導(dǎo)航信號(hào)（L1C、L1M 、L2C、L2M以及L5測(cè)距碼信號(hào)），美國(guó)國(guó)防部對(duì)GPS導(dǎo)航衛(wèi)星開(kāi)展了系統(tǒng)地升級(jí)和現(xiàn)代化。在L1和L2載波信號(hào)上采用“頻譜復(fù)用”技術(shù)調(diào)制軍用M測(cè)距碼信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了軍民導(dǎo)航信號(hào)分離，為GPS系統(tǒng)的開(kāi)導(dǎo)航戰(zhàn)提供了技術(shù)保障。在L2載波信號(hào)上調(diào)制第二民用信號(hào)L2C主要用于滿足測(cè)繪、大地測(cè)量等高端商業(yè)用戶的需求；增加第三民用信號(hào)L5主要用于航空導(dǎo)航的“生命安全”服務(wù)，在L1載波信號(hào)上調(diào)制第四民用信號(hào)L1C用于未來(lái)四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容互操作，同時(shí)解決目前接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)時(shí)所遇到的“城市峽谷”問(wèn)題，即通過(guò)四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)為用戶通過(guò)更多的L1頻點(diǎn)導(dǎo)航信號(hào)來(lái)解決現(xiàn)代城市高樓大廈對(duì)低仰角導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的遮擋問(wèn)題，更好地為全球民用用戶服務(wù)，如圖8所示。

通過(guò)加新的民用L2C碼信號(hào)，民用用戶可以利用L1 C/A和L2C信號(hào)高質(zhì)量地獲取雙頻偽距和雙頻載波相位觀測(cè)值。L2載波信號(hào)調(diào)制C/A碼信號(hào)，有利于高質(zhì)量地重建L2載波信號(hào)，減少了L2載波信號(hào)發(fā)生周跳的可能性，同時(shí)也縮短了求解整周模糊度的時(shí)間，對(duì)于利用L1載波信號(hào)和L2載波信號(hào)雙載波相位測(cè)量而言有著十分重要的意義。特別是普通民用用戶能夠雙頻偽距計(jì)算出兩種信號(hào)的電離層延遲改正，由此獲得雙頻電離層改正模型，實(shí)現(xiàn)精確而且實(shí)時(shí)的電離層延遲改正量。另外差分觀測(cè)值將不在受觀測(cè)基線長(zhǎng)度的影響，為消除多路徑效應(yīng)提供了幫助。

考慮到地面雷達(dá)等設(shè)備信號(hào)（1300～1500MHz）會(huì)潛在干擾GPS接收機(jī)對(duì)L2信號(hào)（1227.6MHz）的捕獲跟蹤，因此僅在L2頻點(diǎn)調(diào)制C/A碼信號(hào)還是不能滿足民航涉及“生命安全”應(yīng)用的需要，由此，GPS系統(tǒng)引入了第三民用頻率L5信號(hào)（1176.45MHz）。GPS衛(wèi)星信號(hào)發(fā)展歷程及其頻譜位置如圖9所示，詳見(jiàn) 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衛(wèi)星播發(fā)L5信號(hào)的功率比L1信號(hào)提高約6dB，并且被設(shè)計(jì)為同相數(shù)據(jù)通道（I支路）和正交無(wú)數(shù)據(jù)通道（Q支路），有助于提高信號(hào)的抗干擾能力。對(duì)于測(cè)量用戶而言，利用L1、L2和L5信號(hào)的不同線性組合，可以得到波長(zhǎng)比L1、L2雙頻寬相觀測(cè)值更長(zhǎng)的組合，更加有利于整周模糊的確定，減少整周模糊度的搜索時(shí)間，同時(shí)大幅度提高三頻GPS信號(hào)長(zhǎng)基線RTK應(yīng)用的可靠性。

4.2.1播發(fā)第二民用信號(hào)LC

GPS系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）主要是指，在和平時(shí)期為用戶免費(fèi)提供用于商業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域的空間信號(hào)。GPS系統(tǒng)L1信號(hào)的頻率為1575.42MHz，調(diào)制一般精度C/A（Course acquisition）測(cè)距碼信號(hào)，使接收機(jī)能夠快速捕獲導(dǎo)航信號(hào)，供全世界一般用戶免費(fèi)使用，并提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS），由此L1 C/A測(cè)距碼信號(hào)被稱為第一民用信號(hào)。

圖9　GPS系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)發(fā)展

1997年2月，第一屆GPS聯(lián)合執(zhí)行委員會(huì)（IGEB）組織美國(guó)國(guó)防部（DoD）和交通部（DoT）等部門研討為廣大商業(yè)和民用用戶提高服務(wù)質(zhì)量（提高定位精度、為生命安全服務(wù)提供冗余信號(hào)）而增加第二民用信號(hào)L2 C的必要性，大會(huì)通過(guò)決議，在2003年前完成L2 C碼信號(hào)的加載。在GPS系統(tǒng)BLOCK IIR-M，IIF以及BLOCK III系列導(dǎo)航衛(wèi)星中將播發(fā)L2 CM碼信號(hào)和L2 CL碼信號(hào)，其中CM是“Civil Moderate”的縮寫，中文意思是“現(xiàn)代化民碼”，CL是“Civil Long”的縮寫，中文意思是“民用長(zhǎng)測(cè)距碼”。GPS系統(tǒng)L2信號(hào)頻譜如圖10所示。

圖10　GPS系統(tǒng)L2信號(hào)頻譜

L2 CM碼信號(hào)和L2 CL碼信號(hào)的擴(kuò)頻調(diào)制方式均為BPSK（1），采用CDMA碼分多址技術(shù)區(qū)分不同的導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的L2 C碼信號(hào)，最低接受功率為-161.5dBW（IIR-M， IIF以及BLOCK III衛(wèi)星）。其中L2 CM測(cè)距碼信號(hào)的碼速率是511.5kbps，碼的周期是20 msec，每個(gè)周期含有10230個(gè)碼片；L2 CL測(cè)的新的復(fù)合信號(hào)的碼速率仍是1.023 kbps，即信號(hào)頻率1.023 MHz。

生成第二民用信號(hào)L2 C的數(shù)據(jù)碼（導(dǎo)航電文）時(shí)，采用了前向誤差改正技術(shù)FEC（forward error correction），該技術(shù)用于改正解調(diào)導(dǎo)航電文過(guò)程中所出現(xiàn)的數(shù)據(jù)位判定誤差（bit decision error）問(wèn)題，恢復(fù)所丟失的數(shù)據(jù)，確保導(dǎo)航電文解碼的正確性進(jìn)而可靠性。采用前向誤差改正技術(shù)FEC后，使L2 C信號(hào)信噪比提高5dB，有利于微弱信號(hào)的跟蹤和捕獲。

2005年9月26日，GPS系統(tǒng)第一顆第三代導(dǎo)航衛(wèi)星BLOCK-IIRM衛(wèi)星入軌運(yùn)行，如圖12所示，按計(jì)劃播發(fā)了第二民用信號(hào)L2 C，是實(shí)現(xiàn)GPS現(xiàn)代化的里程碑標(biāo)志。距碼信號(hào)的碼速率是511.5kbps，碼的周期是1.5 sec，每個(gè)周期含有767250碼片（CM碼的75倍）。

需要特別指出的是，在正式播發(fā)第二民用信號(hào)L2 CM和CL測(cè)距碼信號(hào)之前，有一個(gè)過(guò)渡時(shí)期，在L2頻點(diǎn)播發(fā)L2 C/A測(cè)距碼信號(hào)。L2導(dǎo)航信號(hào)的生成框圖如圖11所示，由圖11可知，盡管L2 CM和L2 CL測(cè)距碼信號(hào)的碼速率是511.5kbps，時(shí)分多路復(fù)用后，所生成

圖11　L2C導(dǎo)航信號(hào)的生成框圖

圖12　BLOCK-IIRM衛(wèi)星地面總裝測(cè)試（AIT）及在軌展開(kāi)示意圖

圖13　BLOCK-IIF衛(wèi)星地面總裝測(cè)試（AIT）及在軌展開(kāi)狀態(tài)示意

4.2.2播發(fā)第三民用信號(hào)L5

1998年3月，GPS聯(lián)合執(zhí)行委員會(huì)IGEB確定GPS系統(tǒng)播發(fā)兩種新的民用信號(hào)（第二民用信號(hào)L2C和第三民用信號(hào)L5），1999年1月時(shí)任美國(guó)副總統(tǒng)戈?duì)栃紴椤吧踩玈afety-of-life”而設(shè)計(jì)的L5信號(hào)將在2005年正式播發(fā)，美國(guó)國(guó)防部（DoD）宣布第三民用信號(hào)L5的中心頻點(diǎn)為1176.45 MHz，該頻點(diǎn)被包括在航空無(wú)線電導(dǎo)航服務(wù)（ARNS）的頻譜中。1999年2月，IGEB成立L5第三民用信號(hào)體制論證組，協(xié)調(diào)IGEB和RTCA協(xié)議之間的關(guān)系。1999年11月，IGEB完成立L5第三民用信號(hào)體制論證工作，L5信號(hào)功率比L1 C/A 碼信號(hào)高6 dB；L5信號(hào)碼速率為10.23 Mchip/second。2010年5月27日，美軍發(fā)射了第一顆BLOCK IIF現(xiàn)代化導(dǎo)航衛(wèi)星，正式播發(fā)L5頻點(diǎn)第三民用導(dǎo)航信號(hào)，BLOCK-IIF衛(wèi)星如圖13所示。

L5頻點(diǎn)第三民用導(dǎo)航信號(hào)的擴(kuò)頻調(diào)制方式為BPSK（10），采用CDMA碼分多址技術(shù)區(qū)分不同導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的L5信號(hào)，信號(hào)碼速率為10.23 Mchip/second，偽隨機(jī)碼PRN長(zhǎng)度為10230個(gè)碼片，I支路調(diào)制導(dǎo)航電文，Q支路調(diào)制導(dǎo)頻數(shù)據(jù)，電文數(shù)據(jù)率50和100bps可調(diào)，地面最低接收功率為-157.9dBW，L5導(dǎo)航信號(hào)的生成框圖如圖14所示，L5信號(hào)頻譜如圖15所示。

圖14 L2C導(dǎo)航信號(hào)的生成框圖

圖15 GPS系統(tǒng)L5信號(hào)頻譜

盡管第三民用信號(hào)L5主要用于航空導(dǎo)航的“生命安全”，但是它可以作為一種穩(wěn)健的信號(hào)被所有的用戶使用，L5信號(hào)能提供多于觀測(cè)，提高定位精度，增加信號(hào)的可用性和完整性，增加信號(hào)使用的連續(xù)性和提高對(duì)信號(hào)的抗干擾能力。另外，還可以利用L5信號(hào)進(jìn)行高精度的長(zhǎng)基線差分定位，用于飛機(jī)的起飛和降落以及地球科學(xué)研究等領(lǐng)域。

2009年3月24日，美國(guó)成功發(fā)射了BLOCK-IIR（20）M導(dǎo)航衛(wèi)星，按計(jì)劃播發(fā)了第三民用導(dǎo)航信號(hào)L5，是GPS最具現(xiàn)代化的標(biāo)志，意味著GPS民用用戶可以接收L1、L2和L5三個(gè)頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào)，一般用戶能夠用GPS動(dòng)態(tài)載波相位測(cè)量技術(shù)獲得厘米級(jí)定位精度，由此用戶可以獲得更完善的電離層改正、更好的定位精度和可靠性。同時(shí)這顆衛(wèi)星還播發(fā)了中心頻點(diǎn)為1381.05MHz的L3信號(hào)，分析認(rèn)為是GPS衛(wèi)星的核爆探測(cè)NDS（Nuclear Detonation/Detection System）系統(tǒng)的通信信號(hào)。

4.2.3播發(fā)第四民用信號(hào)L1C

GPS系統(tǒng)第四代導(dǎo)航衛(wèi)星BLOCK-III衛(wèi)星將播發(fā)第四民用信號(hào)L1C，L1C碼信號(hào)的中心頻點(diǎn)與L1 C/ A 碼信號(hào)、L1 P（Y）碼信號(hào)一致，仍均是1575.42 MHz。第四民用信號(hào)L1C由兩個(gè)分量組成，分量一是導(dǎo)頻信號(hào)L1CP，采用二進(jìn)制偏置載波BOC（6，1） 方式調(diào)制信號(hào)，分量二是數(shù)據(jù)信號(hào)L1CD，采用二進(jìn)制偏置載波BOC（1，1）方式調(diào)制信號(hào)，加載導(dǎo)航電文信息，詳見(jiàn)GPS ICD-800文件規(guī)定。

系統(tǒng)采用CDMA碼分多址技術(shù)區(qū)分不同的導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的L1C信號(hào)，碼速率為1.023 Mchip/second，偽隨機(jī)碼PRN長(zhǎng)度為10230個(gè)碼片，采用時(shí)分多路復(fù)用二進(jìn)制偏置載波TMBOC（6，1，1/11） 方式調(diào)制導(dǎo)頻數(shù)據(jù)和導(dǎo)航電文，電文數(shù)據(jù)率50和100bps可選，地面最低接收功率為-157.0dBW，GPS系統(tǒng)L1C信號(hào)頻譜如圖16所示。

表2 L1頻點(diǎn)上的全球衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)主要特征參數(shù)

圖16 GPS系統(tǒng)L1信號(hào)頻譜

由圖14可知，L1C信號(hào)采用時(shí)分多路復(fù)用二進(jìn)制偏置載波TMBOC（6，1，1/11） 方式調(diào)制導(dǎo)頻數(shù)據(jù)和導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)后，GPS系統(tǒng)L1C信號(hào)在高頻處集中了更高的功率。在同等條件下，L1C碼跟蹤精度相對(duì)L1C/A信號(hào)有明顯改善，提高量在50%～150%之間。由于具備導(dǎo)頻通道，預(yù)監(jiān)測(cè)積分時(shí)間不受符號(hào)位約束，能夠改善對(duì)弱信號(hào)的跟蹤能力。詳見(jiàn)《現(xiàn)代化的GPS新民用信號(hào)L1C碼跟蹤性能分析》，唐祖平，胡修林，電視技術(shù)，Vol.49，No.1，2009.1。

衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)RNSS（Radio Navigation Satellite Service）在L1頻點(diǎn)占據(jù)優(yōu)先地位，到目前為止，美國(guó)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和歐洲Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)在1575.42 MHz為中心的L1頻點(diǎn)調(diào)制了6種導(dǎo)航信號(hào)。未來(lái)中國(guó)北斗系統(tǒng)（BDS）也將在該頻點(diǎn)調(diào)制導(dǎo)航信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在L1頻點(diǎn)的兼容互操作，現(xiàn)在已經(jīng)確定的L1頻點(diǎn)導(dǎo)航信號(hào)參數(shù)如表2所示。

由表2可知，L1頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào)頻譜相當(dāng)擁擠，從而不可避免地產(chǎn)生相互間的干擾，因此，在開(kāi)展對(duì)L1頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào)設(shè)計(jì)時(shí)，其測(cè)距碼跟蹤性能和跟蹤精度分析十分關(guān)鍵。