李宏肖

(民航空管技術(shù)裝備發(fā)展有限公司，北京 100015)

0 引言

首顆GPS III衛(wèi)星于2018年12月24日發(fā)射升空，GPS III衛(wèi)星除了在抗干擾能力、定位精度和使用壽命等方面得到提高外，在L1頻點信號分量的構(gòu)成上添加了一個新的民用導(dǎo)航信號L1C，且將該信號作為繼GPS系統(tǒng)L1C/A，L2C，L5之后的第4個民用信號[1-2]。自1999年GPS衛(wèi)星現(xiàn)代化以來，Block II RM型號衛(wèi)星開始在1 227.6 MHz頻點上播發(fā)新的民用信號L2C。隨著GPS現(xiàn)代化的推進(jìn)，新型的授權(quán)信號L1M和L2M也被加入到GPS發(fā)射的信號中，考慮到導(dǎo)航載荷作為功率受限系統(tǒng)和功放的非線性特性，在設(shè)計上需要在同一個頻點上調(diào)制更多的信號[3-4]，因此需要保證發(fā)射信號的星座圖分布在單位圓上，降低在通過功放時的失真程度。

在GPS III上一代衛(wèi)星GPS Block IIF中，采用互復(fù)用相干自適應(yīng)子載波調(diào)制(Coherent Adaptive Sub-carrier Modulation，CASM)技術(shù)進(jìn)行復(fù)用調(diào)制，保證了多路信號的恒包絡(luò)復(fù)用[5]，本文重點針對GPS III的調(diào)制復(fù)用方式開展研究，考慮到衛(wèi)星導(dǎo)航信號到達(dá)地面時功率較低，所以針對調(diào)制復(fù)用方式的分析研究不能使用通用的GPS全向天線進(jìn)行信號接收，只能利用高增益大口徑定向天線進(jìn)行信號分析采集并利用軟件接收機(jī)和相應(yīng)的信號質(zhì)量分析軟件開展精細(xì)分析。本文利用7.5 m拋物面天線完成了對GPS III首星L2頻段信號的采集，并與上一代GPS Block IIF的L2信號進(jìn)行了對比分析，并針對其信號調(diào)制方式、信號分量組成、復(fù)用方式等進(jìn)行詳細(xì)分析，為我國北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的后續(xù)設(shè)計提供參考。

1 高精度信號質(zhì)量采集分析技術(shù)

針對新體制信號開展高精度信號質(zhì)量分析，一般采用大口徑天線完成對GPS III衛(wèi)星導(dǎo)航信號數(shù)據(jù)的實時采集存儲[6]，利用Matlab等工具完成對存儲數(shù)據(jù)文件的分析。高精度的信號質(zhì)量采集分析技術(shù)主要包括2部分：低失真數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)和精細(xì)化信號軟件接收處理技術(shù)。

低失真數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)的基本流程如圖1所示。利用高增益大口徑天線完成對導(dǎo)航衛(wèi)星的實時穩(wěn)定跟蹤，導(dǎo)航衛(wèi)星信號依次通過饋源、L波段濾波器和低噪聲放大器，其中濾波器可實現(xiàn)在模擬端濾除其他頻段對導(dǎo)航頻段的影響[7-8]；然后利用分頻點濾波器完成對觀測頻帶范圍的濾波處理，以濾除L波段頻帶內(nèi)非導(dǎo)航頻帶可能引入的干擾，避免在射頻直接采集時產(chǎn)生混疊；最后將多路信號合路后，由射頻直采設(shè)備完成采集。射頻直采設(shè)備通過高速AD完成信號采樣，并對各頻點進(jìn)行數(shù)字變頻抽取處理，降低存儲數(shù)據(jù)的采樣率，從而提升數(shù)據(jù)分析效率[9-11]。隨后對抽取后的信號進(jìn)行通道補(bǔ)償，補(bǔ)償濾波器的參數(shù)根據(jù)整個采集通道的標(biāo)校結(jié)果確定，保證采集信號逼近無失真，最后利用高速總線完成數(shù)據(jù)的實時存儲。

圖1 低失真數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)Fig.1 Low-distortion data acquisition and processing technology

精細(xì)化信號軟件接收處理技術(shù)的基本流程如圖2所示。

圖2 精細(xì)化的信號軟件接收處理技術(shù)Fig.2 Refinement of signal software receiving and processing technology

將采集到的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行民用基準(zhǔn)信號的捕獲，確定數(shù)據(jù)的讀取起始點，按照起始點依次讀取積分周期長度的原始信號，利用DLL-PLL跟蹤環(huán)路完成對讀取信號的跟蹤處理[12]，獲取精準(zhǔn)的載波多普勒和碼相位，利用跟蹤環(huán)路的觀測結(jié)果獲取剝離多普勒和殘余碼相位的零中頻信號[13]，對零中頻信號進(jìn)行殘余的碼相位的剝離，并按照觀測頻點進(jìn)行發(fā)射帶寬濾波，最后進(jìn)行能量歸一化處理，得到最終精細(xì)化的信號質(zhì)量測試信號。

2 GPS III衛(wèi)星L2信號理論分析

2.1 L2信號體制分析

GPS III衛(wèi)星在L2頻點共發(fā)射3種信號：P(Y)碼信號、M碼信號和L2C碼信號。該頻點下的信號可以表示為：

(1)

式中，Pp，Pm,Pc分別表示P(Y)碼，M碼和L2C碼信號的發(fā)射功率；cp(t)，cm(t)，cc(t)分別表示P(Y)碼，M碼和L2C碼信號幅值；dp(t)，dm(t)，dc(t)分別表示P(Y)碼，M碼和L2C碼信號的導(dǎo)航電文；Dm(t)表示M碼信號的調(diào)制副載波；θL2表示L2信號的初始相位[14]。

GPS III衛(wèi)星L2頻點下的信號組成與上一代GPS IIF衛(wèi)星相比，并沒有發(fā)生變化。但是GPS III衛(wèi)星L2C信號的相關(guān)損耗為0.3 dB，相比上一代衛(wèi)星的0.6 dB，降低約0.3 dB；L2P(Y)的相關(guān)損耗并沒有改變，依舊約為0.6 dB。此外，從地面接收最小電平的角度來看，接收帶寬為20.46 MHz條件下，GPS III衛(wèi)星L2C信號的最小接收電平為-158.5 dBW，相較于GPS IIF衛(wèi)星的-160.0 dBW，增強(qiáng)了1.5 dBW；L2P(Y)的最小接收電平依舊為-161.5 dBW，并未發(fā)生變化[15]。L2C和L2P(Y)信號的相關(guān)損耗和地面最小接收電平的改變，意味著L2整個頻點下的3個信號的調(diào)制復(fù)用方式以及各信號功率占比發(fā)生變化，這樣的改變也表明未來美國導(dǎo)航系統(tǒng)的戰(zhàn)略意圖。

2.2 L2信號調(diào)制復(fù)用方式分析

GPS III衛(wèi)星L2頻點上共有3種信號，通過一定的調(diào)制復(fù)用方式來完成同一頻點多個信號的調(diào)制，實現(xiàn)該頻點下多路信號效率利用的最大化。

設(shè)I支路復(fù)用方式的映射函數(shù)為FI(x,y,z)，其中x，y，z分別為L2C,L2P(Y),L2M的碼片值(取值為0或1)。H(y,z)的映射關(guān)系如表1所示。由表1可以看出，在x和z不變的情況下，y取0或1時對應(yīng)的I支路映射值相同，即：

FI(x,0,z)=FI(x,1,z)。

(2)

表1 H(y,z)的映射關(guān)系Tab.1 Mapping relationship of H(y,z)

根據(jù)以上特性，可以將映射函數(shù)改寫為：

FI(x,y,z)=H(y,z)，

(3)

式中，H(y,z)為只考慮L2C和L2M的映射函數(shù)。

調(diào)整映射關(guān)系，將式(3)改寫為：

FI(x,y,z)=(1-2x)×S(x,z)，

(4)

式中，S(y,z)映射關(guān)系為：

(5)

令R=(1-2x)×(1-2z)，則當(dāng)R=1時，S(x,z)=-0.015，當(dāng)R=-1時，S(x,z)=1.2。構(gòu)建線性方程，可以得到S(x,z)表達(dá)式為：

S(x,z)=-0.607 5×R+0.592 5。

(6)

最終得到：

FI(x,y,z)=(1-2x)×

(-0.607 5×(1-2x)×(1-2z)+0.592 5)。

(7)

同理，設(shè)Q支路的復(fù)用方式FQ(x,y,z)，Q支路滿足x取0或1時對應(yīng)的映射值相同，即：

FQ(0,y,z)=FQ(1,y,z)。

(8)

經(jīng)處理，最終得到：

FQ(x,y,z)=(1-2y)×

(-0.575×(1-2y)×(1-2z)+0.425)。

(9)

進(jìn)一步對3路信號的偽碼表達(dá)形式進(jìn)行修改，每路信號波形的正負(fù)是偽碼極性轉(zhuǎn)換后與電文相乘得到的，因此可以表示為：

(10)

式中，CL2C(t)，CL2P(t)，CL2M(t)分別為L2C，L2P，L2M三個分量的極性偽碼；DL2C(t)，DL2P(t)，DL2M(t)為對應(yīng)分量上的電文。由于極性偽碼和電文只能取1或-1，所以可以將IQ支路的復(fù)用方式改寫為：

(11)

IQ支路組合后的復(fù)用方式F(t)表達(dá)式為：

F(t)=FI(t)+jFQ(t)。

(12)

最后將零中頻信號轉(zhuǎn)換為射頻信號，可以得到：

(13)

3 GPS新舊體制L2頻點信號分析

3.1 頻域分析

GPS III衛(wèi)星與GPS II衛(wèi)星在L2頻點處的信號功率譜如圖3所示。GPS L2頻點處新舊體制兩代信號均具備L2C和L2M分量，且信號調(diào)制方式和調(diào)制頻點無明顯改變；但GPS III衛(wèi)星新體制信號L2頻點的L2M信號功率占比強(qiáng)于GPS II衛(wèi)星舊體制信號。

(a) GPS III L2信號功率譜

(b) GPS II L2信號功率譜圖3 新舊體制GPS衛(wèi)星L2信號功率譜比較Fig.3 Comparison of L2 signal power spectrum of GPS satellites in old and new systems

3.2 調(diào)制域分析

GPS III衛(wèi)星與GPS II衛(wèi)星在L2頻點處信號的星座圖如圖4所示。從圖4中可以明顯看出,GPS III衛(wèi)星L2頻點星座圖包含8個頂點，且并未像舊體制信號那樣分布在單位圓上，表明新體制信號采用了不同于GPS II衛(wèi)星舊體制信號設(shè)計時采用的恒包絡(luò)復(fù)用方式。理論上，非恒包絡(luò)調(diào)制復(fù)用方式會導(dǎo)致信號幅值和相位的失真，但是卻能夠充分利用衛(wèi)星上的資源，提高調(diào)制復(fù)用的效率[13]。GPS III衛(wèi)星L2頻點采用非恒包絡(luò)調(diào)制復(fù)用方式，有可能采用新技術(shù)來減小因幅值和相位失真帶來的影響。

(a) GPS III L2信號星座圖

(b) GPS II L2信號星座圖圖4 新舊體制GPS衛(wèi)星L2信號星座圖比較Fig.4 Comparison of L2 signal constellation diagrams of GPS satellites in old and new systems

3.3 相關(guān)域分析

L2信號各分量的相關(guān)峰如圖5所示。對于L2C信號，新舊2種體制L2CL信號分量與其對應(yīng)的L2CM信號分量功率一致，且信號分量的調(diào)制復(fù)用方式和幅值基本一致，這是由于L2CM和L2CL均采用分時復(fù)用的調(diào)制方式，即各信號分量積分時間各占一半[16-17]。對于L2M信號，由于信號采集場景增益高，所以采用盲識別方式實現(xiàn)對L2M信號分量的判決，并繪制其相應(yīng)的相關(guān)峰；L2M信號分量的調(diào)制方式仍為BOC(15,2.5)，且GPS III新體制L2M信號分量的功率占比約為44.44%。對L2P(Y)信號相關(guān)峰的觀測，同樣采用盲識別的方式實現(xiàn)對L2P(Y)信號分量的判決，并繪制其相應(yīng)的相關(guān)峰；L2P(Y)信號分量的調(diào)制方式仍然為BPSK(10)，且GPS III新體制L2P(Y)信號的功率占比約為13.57%。

(a) GPS III L2CM發(fā)射帶寬相關(guān)峰

(b) GPS III L2CL發(fā)射帶寬相關(guān)峰

(c) GPS III L2M發(fā)射帶寬相關(guān)峰

(d) GPS III L2P發(fā)射帶寬相關(guān)峰圖5 GPS III衛(wèi)星L2頻點各信號分量相關(guān)峰Fig.5 Correlation peaks of each signal component at L2 frequency of GPS III satellite

通過對L2信號各分量的相關(guān)峰分析表明，新舊2種體制的L2信號各分量的調(diào)制方式并未發(fā)生改變，新體制L2信號依然采用舊體制L2信號調(diào)制方式，這也表明GPS系統(tǒng)在升級迭代過程中保持了良好的繼承性。

3.4 信號分量功率占比分析

表2所示為GPS III衛(wèi)星新體制信號與GPS II衛(wèi)星舊體制信號在L2頻點處信號各分量的功率占比。新舊2種體制L2頻點的各信號分量功率占比有較大變化，可能是由于GPS II舊體制L2頻點信號采用了恒包絡(luò)調(diào)制方式，且加入較多交調(diào)信號分量，導(dǎo)致L2頻點信號的有效總占比約為69.16%[18]。GPS III衛(wèi)星新體制L2頻點信號并未使用恒包絡(luò)調(diào)制方式，因此L2頻點信號的有效總占比約為87.07%。此外，新體制信號分量L2M的功率占比得到明顯提升，同時L2P(Y)的功率占比有較大幅度降低。

表2 新舊體制L2頻點信號分量功率占比Tab.2 Power ratio of L2 frequency signal components in old and new systems 單位：%

新舊體制L2頻點各信號功率占比的改變，表明了新體制L2非恒包絡(luò)調(diào)制復(fù)用方式在調(diào)制復(fù)用效率方面的優(yōu)勢，尤其是L2P(Y)和L2M信號功率占比的大幅調(diào)整，更說明了未來美國對L2P(Y)軍用信號的依賴逐漸減弱，而現(xiàn)代化后的L2M信號將成為美國未來導(dǎo)航作戰(zhàn)的主要手段。

4 新體制L2頻點復(fù)用方式映射關(guān)系分析

由以上分析可知，新體制的GPS III衛(wèi)星L2頻點復(fù)用方式不同于上一代衛(wèi)星舊體制L2頻點的恒包絡(luò)調(diào)制復(fù)用方式，新體制的L2頻點采用非恒包絡(luò)調(diào)制復(fù)用方式對同一頻點下多路信號進(jìn)行調(diào)制。

如圖4所示的GPS III新體制L2信號星座圖，通過對GPS III L2頻點信號各分量的分析，可以看出L2頻點存在3個信號分量L2C，L2P(Y)，L2M。對L2的調(diào)制復(fù)用方式進(jìn)行研究，首先利用觀測得到的星座圖對內(nèi)部的8個星座點進(jìn)行描點，得到星座點坐標(biāo)如表3所示。

表3 GPS III新體制L2星座點Tab.3 L2 constellation points of new system of GPS III

利用得到的一個積分周期內(nèi)各分量信號的偽碼碼片的采樣值，將極性碼片值(±1)轉(zhuǎn)化為0和1，將3種信號分量按照其碼片的不同分為3類，將每一類對應(yīng)時刻的碼片進(jìn)行提取，并求得各類信號對應(yīng)時刻的歸一化能量的零中頻信號的I支路幅值和Q支路幅值，剔除各類幅值的野值點后，計算所有幅值坐標(biāo)到各星座點的平均距離，選取最小平均距離的星座點為其對應(yīng)星座點，得到如表4所示的星座映射關(guān)系表。

利用得到的映射查找表進(jìn)行復(fù)用處理，重新復(fù)現(xiàn)實際信號，以得到仿真的信號星座圖與實際信號星座圖的對比，如圖6所示。從調(diào)制域上可以看出，仿真信號星座圖與實際信號星座圖基本一致，唯一差別在于由于仿真信號添加的噪聲與實際信號中的噪聲不同，因此在紋理細(xì)節(jié)上略有不同。

(a) GPS III L2實際信號星座圖

(b) GPS III L2仿真信號星座圖圖6 GPS III L2頻點仿真與實際星座圖對比Fig.6 Comparison of simulated and actual GPS III L2 frequency point constellations

5 結(jié)束語

本文對GPS III L2頻點的信號體制和復(fù)用方式進(jìn)行了理論分析，然后對比分析了新舊體制GPS L2頻點在頻域、調(diào)制域、相關(guān)域以及信號分量功率占比等方面的異同，并對GPS III 新體制L2頻點信號的復(fù)用方式映射關(guān)系進(jìn)行了研究及仿真驗證，得到如下結(jié)論：① GPS III L2頻點采用了非恒包絡(luò)調(diào)制復(fù)用方式，信號的調(diào)制復(fù)用效率得到提升；② GPS III L2頻點各信號分量功率占比發(fā)生改變，其中L2M碼信號功率占比得到極大提升，L2P(Y)碼信號功率占比大幅降低；③ GPS III L2頻點各信號分量調(diào)制方式與上一代GPS L2頻點相同，GPS導(dǎo)航信號設(shè)計在系統(tǒng)迭代升級過程中保持了良好的繼承性；④ GPS III L2M碼信號采用了單獨鏈路的發(fā)射方式，提升了信號播發(fā)的靈活性，增強(qiáng)了信號功率調(diào)整的彈性。通過以上GPS III新體制L2頻點導(dǎo)航信號的分析，授權(quán)信號采用單獨鏈路發(fā)射，增強(qiáng)了信號播發(fā)的靈活性和功率調(diào)整的彈性，為某些特殊場景的應(yīng)用提供了極大的便利，這種信號播發(fā)的設(shè)計為我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)授權(quán)信號的設(shè)計提供了參考。