GPS現(xiàn)代化后L2載波的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

邱 蕾，劉正平，伍 岳，王海軍

（1．深圳市地籍測繪大隊(duì)，廣東 深圳 518000；2．湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430034；3．三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌443002；4．二炮士官學(xué)校作戰(zhàn)保障教研室，山東 青州262500）

美國從1999年實(shí)施GPS現(xiàn)代化措施，其中一個(gè)主要的措施是在L2載波上增加新的民用碼L2C碼。截止目前，美國已經(jīng)發(fā)射了9顆現(xiàn)代化的GPS Bl ock IIR－M衛(wèi)星，該衛(wèi)星上調(diào)制了L2C碼，9顆衛(wèi)星 分 別 是 PRN01、PRN05、PRN07、PRN12、PRN15、PRN17、PRN25、PRN29 和 PRN31。為了說明新增加的L2C碼以及L2載波的優(yōu)勢，本文利用實(shí)際觀測到的9顆衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，先分別從L2C碼的信號(hào)結(jié)構(gòu)、多路徑效應(yīng)和信噪比進(jìn)行分析，然后從求解整周模糊度方面綜合進(jìn)行分析。

1 L2C碼的信號(hào)結(jié)構(gòu)

GPS現(xiàn)代化后，GPS偽距觀測值主要有兩種，分別是調(diào)制在L1載波上的C／A碼和調(diào)制在L2載波上的L2C碼。C／A碼的碼元長度為1 023碼元，周期為1 ms，碼率為1．023 MHz，而L2C碼采用新的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，包含了民用中等長度碼（CM）和民用長度碼（CL）碼。CM碼的長度為10 230碼元，周期為20 ms，并且調(diào)制有速率為25 bit／s的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。CL碼的長度為767 250碼元，周期為1 500 ms，不含調(diào)制數(shù)據(jù)，碼率為1．023 MHz。

將調(diào)制了導(dǎo)航數(shù)據(jù)的CM碼與未調(diào)制數(shù)據(jù)的CL碼通過時(shí)分復(fù)用（TDM）的方式，就可以獲得新的L2C碼。正是因?yàn)槭褂昧薚DM方式，L2C碼的數(shù)據(jù)解調(diào)門限與C／A碼相比，降低了5 d B，這種性能使得L2C碼在信號(hào)較微弱的情況下，也可以捕捉到較好的信號(hào)。

2 加載L2C碼的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

2．1 多路徑效應(yīng)分析

多路徑效應(yīng)檢核可采用式（1）和式（2）進(jìn)行。

式中，C／A和L2C是雙頻偽距觀測值，φ1和φ2是L1載波和L2載波相位觀測值，MPCA和MPL2C是C A和L2C偽距的多路徑效應(yīng)，為L1載波和L2載波的頻率的平方比。

為了分析新增加的L2C碼的數(shù)據(jù)質(zhì)量，本文利用式（1）和式（2）對(duì)實(shí)際采集到的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算并且將結(jié)果繪制成表1和表2。數(shù)據(jù)采樣時(shí)間為1 s，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2012年083日—090日連續(xù)8 d的觀測數(shù)據(jù)。表1為測站連續(xù)8 d的多路徑效應(yīng)每天平均中誤差。表2列出了8 d的平均中誤差。

表1 測站1連續(xù)8 d的多路徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果m

表2 連續(xù)8 d的多路徑效應(yīng)平均中誤差m

從表1中可以看出，PRN01衛(wèi)星的觀測質(zhì)量整體較差，PRN15的多路徑效應(yīng)在C／A碼和L2C碼上最為接近，PRN01的多路徑效應(yīng)在C／A碼和L2C碼上的多路徑效應(yīng)相差最大為0．17 m。從表2可以看出，采取現(xiàn)代化措施后的GPS衛(wèi)星，C／A碼的多路徑效應(yīng)平均中誤差為0．31 m，L2C碼的多路徑效應(yīng)平均中誤差為0．33 m，平均中誤差較為接近。

因此，利用GPS現(xiàn)代化后的衛(wèi)星得到的L2C碼的多路徑效應(yīng)與C／A碼的多路徑效應(yīng)比較接近，兩者的數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量非常接近。

2．2 信噪比質(zhì)量分析

信噪比（SNR）是指接收機(jī)的載波信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值，單位為d B－Hz，如式（3）所示。在GPS數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量中，信噪比可以用來分析接收機(jī)接收到的數(shù)據(jù)質(zhì)量。一般信噪比越高，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量越好。

式中：k為玻茲曼常數(shù)，S為信號(hào)平均功率，T為開氏溫度。

選取2012年年積日083日的全天觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣率為1 s，共86 400個(gè)歷元。圖1左圖為調(diào)制了 L2C碼的PRN25、PRN31、PRN1、PRN17及PRN1衛(wèi)星的L1載波和L2載波的信噪比變化；圖1右圖為調(diào)制了L2C碼的PRN12、PRN29、PRN15和PRN17衛(wèi)星的L1載波和L2載波的信噪比變化。圖1中，左縱坐標(biāo)代表信噪比，單位為d B－Hz，右縱坐標(biāo)為高度角變化，單位為（°）。圖中曲線變化為衛(wèi)星的信噪比變化，虛線變化為衛(wèi)星的高度角變化。

圖2為未調(diào)制有L2C信號(hào)的上述GPS衛(wèi)星的 信噪比隨高度角變化圖。圖中單位與圖1一致。

圖1 調(diào)制L2C信號(hào)的GPS衛(wèi)星信噪比圖

圖2 未調(diào)制L2C信號(hào)的GPS衛(wèi)星信噪比圖

圖1 中L2載波的信噪比值變化范圍為20～40 d B－Hz，圖2中L2載波的信噪比值變化范圍為12～40 d B－Hz。所有衛(wèi)星的L1載波的信噪比值變化范圍為23～53 d B－Hz。L1載波和L2載波信噪比的變化趨勢與高度角密切相關(guān)。高度角越大，信噪比越高，高度角越低，信噪比越低。

圖1中，L1載波和L2載波信噪比差值最大的為PRN29，其L1載波的信噪比變化范圍為25～45 d B－Hz，L2載波的信噪比變化范圍為20～30 d BHz，其差值在15 d B－Hz內(nèi)。圖2中，L1載波和L2載波的差值明顯比圖1中的差值要大。同時(shí)，在高度角變化較快的地方，加載了L2C碼的L2載波信噪比的變化比未加載L2C碼的L2載波信噪比的變化更緩慢。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加載了L2C碼的L2載波信噪比比未加載L2C碼的L2載波以及L1載波的信噪比明顯提高。隨著高度角的變化，其信噪比變化較緩慢，加載了L2C碼的L2載波的抗干擾能力明顯得到提高。

2．3 整周模糊度解算實(shí)驗(yàn)

載波相位觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞直接影響到整周模糊度固定的效率。在GPS現(xiàn)代化之前，由于L1載波的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，在單個(gè)頻率解算時(shí)通常采用L1載波固定整周模糊度而未采用L2載波數(shù)據(jù)。通過上面分析可知，GPS現(xiàn)代化后L2載波的觀測質(zhì)量明顯提高。本實(shí)驗(yàn)利用現(xiàn)代化后的L2載波與L1載波在固定整周模糊度效率上進(jìn)行對(duì)比來說明L2載波的觀測質(zhì)量得到了明顯提高。

在GPS基線解算中，通常采用式（4）進(jìn)行雙差整周模糊度浮點(diǎn)解的解算，可以看出，雙差整周模糊度浮點(diǎn)解的解算受到多種因素的影響，包括多路徑效應(yīng)和噪聲。

式中：▽?duì)為雙差整周模糊度，▽?duì)う褳殡p差偽距觀測值，▽?duì)う諡殡p差載波相位觀測值，▽?duì)為雙差后的剩余誤差。

實(shí)驗(yàn)中采用兩個(gè)測站的觀測數(shù)據(jù)，觀測時(shí)間為24 h，采樣率為1 s。兩個(gè)測站的坐標(biāo)精確已知，接收機(jī)類型一致。將所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，只利用具有L2C觀測值的GPS衛(wèi)星對(duì)按照式（4）計(jì)算雙差整周模糊度的浮點(diǎn)解。選取其中的3組衛(wèi)星對(duì)5－15、5－29和5－12計(jì)算L1載波和L2載波的單歷元雙差整周模糊度浮點(diǎn)解，將雙差整周模糊度浮點(diǎn)解與其固定解真值的差值變化見圖3、圖4和圖5，紅色為L1載波，綠色為L2載波。各圖的橫坐標(biāo)為觀測歷元，單位為s，左縱坐標(biāo)為差值，單位為周，所繪制曲線為L1載波和L2載波雙差整周模糊度的浮點(diǎn)解與其真值的差值；右縱坐標(biāo)為衛(wèi)星的高度角，單位為度，直線為衛(wèi)星的高度角。

圖3 衛(wèi)星對(duì)5－15 L1及L2載波的雙差模糊度浮點(diǎn)解與真值差值

圖4 衛(wèi)星對(duì)5－29L1及L2載波的雙差模糊度浮點(diǎn)解與真值差值

從各圖可以看出，衛(wèi)星對(duì)5－15、衛(wèi)星對(duì)5－29和衛(wèi)星對(duì)5－12的L1載波和L2載波的模糊度浮點(diǎn)解與真值的差值均在（－0．2，0．4）周內(nèi)。當(dāng)衛(wèi)星高度角在20°～40°內(nèi)，L1載波與L2載波的模糊度浮點(diǎn)解與真值的差值僅在0．2周內(nèi)。利用L1載波和L2載波計(jì)算模糊度浮點(diǎn)解的效果基本相同，都可以較好地計(jì)算出模糊度的浮點(diǎn)解，為進(jìn)一步固定整周模糊度縮小搜索空間。因此，加載了L2C碼的L2載波的數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量與L1載波的數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量較為一致，模糊度浮點(diǎn)解與真值較為接近，能夠較好地提高計(jì)算整周模糊度的浮點(diǎn)解的精度，縮小模糊度的搜索空間。

圖5 衛(wèi)星對(duì)5－12L1及L2載波的雙差模糊度浮點(diǎn)解與真值差值

3 結(jié) 論

隨著GPS現(xiàn)代化的推進(jìn)，新增加的民用碼L2C碼對(duì)用戶將具有較大的優(yōu)勢。從本文的實(shí)驗(yàn)中可以看出，L2C碼的多路徑誤差和C／A碼的多路徑誤差較一致；加載了L2C碼的L2載波的信噪比比原L2載波的信噪比明顯提高，同時(shí)，隨著高度角的變化，信噪比變化較緩慢。通過單歷元整周模糊度解算實(shí)驗(yàn)，說明了加載了L2C的L2載波在計(jì)算模糊度時(shí)與L1效果較為一致，能達(dá)到L1載波的解算效果。

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