L5載波的信號(hào)質(zhì)量分析

伍 岳，羅和平，邱 蕾

(1.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002；2.深圳市大鵬新區(qū)土地整備中心，廣東 深圳 518000；3.深圳市地籍測(cè)繪大隊(duì)，廣東 深圳 518034)

L5載波的信號(hào)質(zhì)量分析

伍 岳1，羅和平2，邱 蕾3

(1.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002；2.深圳市大鵬新區(qū)土地整備中心，廣東 深圳 518000；3.深圳市地籍測(cè)繪大隊(duì)，廣東 深圳 518034)

增加第三民用頻率L5載波是GPS現(xiàn)代化措施中的一項(xiàng)，目前美國(guó)已經(jīng)有4顆衛(wèi)星具有L5觀測(cè)值。從L5的信號(hào)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分析，應(yīng)用L5載波的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，與L1載波和L2載波相比較，L5載波不但在信噪比上得到提高，而且其多路徑效應(yīng)的影響也比較小，具有較好的數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量。

GPS現(xiàn)代化；L5載波；多路徑效應(yīng)；信號(hào)質(zhì)量分析

GPS現(xiàn)代化前，GPS衛(wèi)星共發(fā)射L1載波(1 575.42 MHz)和L2載波(1227.60MHz)兩個(gè)頻率。1999年，為了提高GPS的競(jìng)爭(zhēng)力，美國(guó)提出GPS現(xiàn)代化措施，主要內(nèi)容是在第二個(gè)頻率L2載波上增加了L2C碼以及增加了第三民用頻率L5載波。新增加的L5載波，從信號(hào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上已經(jīng)不同于L1載波和L2載波，它的設(shè)計(jì)比L1載波和L2載波更具有抗干擾性能，其性能也得到大大的提高。第三民用頻率L5載波的增加，不但可以與L1載波和L2載波形成更多的線性組合，而且可以減少電離層延遲的影響，加快整周模糊度的求解。本文先從L5的信號(hào)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分析，通過(guò)L5載波的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，與L1載波和L2載波相比較，結(jié)果表明，L5載波不但在信噪比上得到提高，而且其多路徑效應(yīng)的影響也比較小，具有較好的數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量。

1 BLOCK ⅡR

2009年3月，美國(guó)成功發(fā)射一顆現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星BLOCK ⅡR20-(M)衛(wèi)星，該衛(wèi)星的發(fā)射標(biāo)志著GPS第三民用頻率開(kāi)始使用。2010年5月，美國(guó)的佛羅里達(dá)州發(fā)射第一顆具有第三民用頻率L5載波的現(xiàn)代化衛(wèi)星。截止目前，具有第三民用頻率L5載波的BLOCK IIR衛(wèi)星分別為PRN01、PRN24、PRN25和PRN27，但是仍然無(wú)法在同一時(shí)刻組成觀測(cè)方程進(jìn)行解算。

2 L5載波的信號(hào)結(jié)構(gòu)

L5載波頻率1176.45 MHz，波長(zhǎng)25.48 cm，帶寬24 MHz，由 2個(gè)幅度相等且相位正交的分量組成(見(jiàn)圖1)。其中一個(gè)載有導(dǎo)航信息，稱為數(shù)據(jù)通道 I (data channel)；另外一個(gè)沒(méi)有導(dǎo)航信息，稱為導(dǎo)航信道Q(pilot channel)。因此，第j顆衛(wèi)星的L5載波可以定義為

sj=n(20,t)g(i,t)sin(w5t+Φ)+

Dj(t)n(10,t)g(k,t)cos(w5t+Φ).

(1)

式中：n(20,t)和n(10,t)是周期長(zhǎng)度為10個(gè)基碼和20個(gè)基碼的Neuman-Hoffman同步碼(簡(jiǎn)稱NH同步碼)；g(k,t)和g(i,t)為偽隨機(jī)碼流；w5=2π×1 176.45 MHz；Dj(t)為導(dǎo)航數(shù)據(jù)流。

圖1 GPS現(xiàn)代化后的GPS信號(hào)

第三民用頻率L5載波與L1載波和L2載波的設(shè)計(jì)不同，它在I通道和Q通道上均具有隨機(jī)碼生成器。此外，L5信號(hào)采用NH同步碼，NH同步碼以1千波特/s的速率調(diào)制在I通道和Q通道上，提高抗窄帶干擾的能力。同時(shí)，L5信號(hào)的最低接受功率比L1信號(hào)提高0.6 dB，這會(huì)提高L5信號(hào)在噪聲環(huán)境下的表現(xiàn)。

3 L5的信號(hào)質(zhì)量分析

3.1 信噪比質(zhì)量分析

信號(hào)的信噪比是指載波信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值，單位dB-Hz，表達(dá)如式(2)所示。通常使用信噪比來(lái)表示GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞，信噪比越高，GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量越好，更有益于提高GPS基線解算的精度。

(2)

式中:S為信號(hào)平均功率;k為玻茲曼常數(shù);T為開(kāi)氏溫度。

提取采集到的觀測(cè)數(shù)據(jù)的L1載波、L2載波和L5載波的信噪比，將結(jié)果繪制于圖2。同時(shí)，將L5載波和L1載波的信噪比差值繪制于圖3。圖中橫坐標(biāo)為觀測(cè)歷元，縱坐標(biāo)為信噪比，單位dB-Hz。觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間為2013年第279天，數(shù)據(jù)采樣間隔為15 s。

圖2 現(xiàn)代化衛(wèi)星的信噪比圖

圖3 現(xiàn)代化衛(wèi)星的信噪比差值圖

從圖2中可以看出，L1載波的信噪比變化范圍為(26.8～50.3)dB-Hz，L2載波的信噪比變化范圍為(29.6～49.2)dB-Hz，L5載波的信噪比變化范圍為(36.6～54.5)dB-Hz。L5載波的信噪比明顯比L1載波和L2載波的信噪比高，接收到的最低信噪比比L1載波的最低信噪比高9.8 dB-Hz，L2載波接收到的最低信噪比比L1載波的最低信噪比高2.8 dB-Hz。從圖3中可以看出，L5載波的信噪比比L1載波的信噪比平均高6.5 dB-Hz。因此，L5載波的信噪比比L1載波和L2載波的信噪比明顯提高，調(diào)制了L2C碼的衛(wèi)星的L2載波信噪比也比L1載波信噪比高。

3.2 多路徑效應(yīng)分析

GPS的偽距觀測(cè)方程可以表示為式(3)，相位觀測(cè)方程可以表示為式(4)。

ρi=ρ+c(dT-dt)+dioni+dtrop+mpρi+ερi,

(3)

Φi=ρ+c(dT-dt)+λiNi-dioni+

dtrop+mpΦi+εφi.

(4)

式中:i表示L1載波或者L2載波的頻率;ρi表示偽距觀測(cè)值;ρ表示幾何距離;dT表示接收機(jī)鐘差;dt表示衛(wèi)星鐘差;dioni表示電離層延遲;dtrop表示對(duì)流層延遲;mpρi表示多路徑效應(yīng);ερi表示觀測(cè)噪聲;Φi為相位觀測(cè)值;λi為波長(zhǎng);Ni為整周模糊度。

(5)

式(5)的右邊包含偽距多路徑效應(yīng)、相位多路徑效應(yīng)、整周模糊度以及觀測(cè)噪聲。由于相位的多路徑效應(yīng)和觀測(cè)噪聲相對(duì)比較小，因此通過(guò)偽距平滑消除整周模糊度后，右式就可以用來(lái)表示偽距的多路徑效應(yīng)的影響。

利用式(5)，自編程序，求出PRN1、PRN24、PRN25和PRN27的C/A、C2和C5載波的多路徑效應(yīng)，將結(jié)果繪制成圖4。圖4中橫坐標(biāo)表示觀測(cè)歷元，縱坐標(biāo)表示多路徑效應(yīng)延遲，單位為m。從圖中可以看出，4顆衛(wèi)星的C5的多路徑效應(yīng)明顯比C/A和C2的多路徑效應(yīng)小，C2碼的多路徑效應(yīng)比C/A碼的多路徑效應(yīng)略小。

4 結(jié) 論

GPS現(xiàn)代化后，新增加的第三民用頻率L5載波的獨(dú)特設(shè)計(jì)使得它在性能方面優(yōu)于L1載波和L2載波。新增加的L5載波的信噪比比L1載波和L2載波明顯提高，L5載波的信噪比比L1載波的信噪比平均高6.5 dB-Hz，調(diào)制了L2C碼的現(xiàn)代化GPS衛(wèi)星的L2載波信噪比也比L1載波信噪比高。C5的多路徑效應(yīng)明顯比C/A和C2的多路徑效應(yīng)小，C2碼的多路徑效應(yīng)比C/A碼的多路徑效應(yīng)略小。

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[責(zé)任編輯：張德福]

Quality analysis of GPS L5 signal

WU Yue1，LUO He-ping2，QIU Lei3

(1.Key Lab of Geological Hazards Controlling of Three Gorges Reservoir Area，Yichang 443002,China; 2.Dapeng Land Development Center，Shenzhen 518034,China; 3.Shenzhen Cadastral Surveying and Mapping Team, Shenzhen 518034,China)

In 1999，the GPS modernization measures are proposed.One of the main measures is to increase the third civil carrier frequency L5，which can not only be used to form a linear combination with the other two carrier phase，but also reduce the influence of the ionospheric delay.It presents the L5 signal structure firstly by the actual observation data.And then it analyzes the new L5 carrier compared with L1 carrier and L2 carrier，which can conclude that the signal-to-noise ratio is improved，and the influence of the multipath effect is small.

GPS modernization;L5 carrier phase;multipath effect quality analysis of signal

2013-11-18；補(bǔ)充更新日期：2014-11-29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41004010)

伍岳(1977-)，男，博士.

P228

：A

：1006-7949(2014)12-0008-04