GPS信號與Galileo信號特性分析

王華龍

摘 要：信號體制是衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)技術(shù)體制中最重要的部分之一，合理的信號體制對于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其導(dǎo)航，定位，授時，通信和測距等功能和滿足性能要求十分關(guān)鍵。該文首先介紹了GPS信號和GALILEO導(dǎo)航信號的特點(diǎn)，對他們的信號體制進(jìn)行分析與比較。闡述了GPS、Galileo兩種衛(wèi)星信號的特性，包括頻率及調(diào)制格式、相關(guān)性特性、功率特性；比較分析了兩種信號功率譜的區(qū)別，對兩種衛(wèi)星信號特性進(jìn)行了深入的比較與分析。

關(guān)鍵詞：GPS信號 GALILEO信號 特性

中圖分類號：TN96 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（b）-0021-02

1 GPS信號特性

1.1 頻率和調(diào)制格式

GPS衛(wèi)星發(fā)射L1和L2兩種波段的載波，L1（1 575.42 MHz）上調(diào)制有P碼、C/A碼及導(dǎo)航電文，L2（1 227.6 MHz）上僅調(diào)制了P碼和導(dǎo)航電文。該文只研究L1頻率上的C/A碼。L1頻率上的GPS信號為：

（1）

1.2 C/A碼產(chǎn)生

C/A碼是碼速率為1.023 MHz的二相調(diào)制信號，主瓣兩個零值之間的頻譜寬度是2.046 MHz。每個碼元的長度大約為977.5 ns。為了和P碼信號對應(yīng)，L1載頻上的GPS衛(wèi)星信號傳輸帶寬大約為20 MHz，因此，所傳輸?shù)腃/A碼就包括主瓣以及很多旁瓣。整個碼周期包括1 023個碼元，持續(xù)1 ms，因此C/A碼的時長為1 ms。

C/A碼的相關(guān)性是其最重要的特性，包括以下兩個方面。

（1）不同C/A碼的互相關(guān)值約等于零，所有的C/A碼都幾乎與其他的C/A碼不相關(guān)，即：對于衛(wèi)星i和j，其C/A碼的互相關(guān)性為：

不同衛(wèi)星產(chǎn)生的C/A碼的互相關(guān)是非常低的，接近于0。高自相關(guān)峰和低互相關(guān)峰可以提高信號的捕獲靈敏度，為了在強(qiáng)信號中檢測出弱信號，強(qiáng)信號的互相關(guān)峰必須比弱信號的自相關(guān)峰值低。

（2）C/A碼的自相關(guān)只有在相關(guān)間隔為0時存在峰值，即兩個相同的C/A碼序列只有完全對齊時才可以得到一個相關(guān)峰值，自相關(guān)峰值的最大值是1 023，等于C/A碼的長度。C/A碼的自相關(guān)函數(shù)為：

在接收機(jī)中正是利用C/A碼的自相關(guān)的這種性質(zhì)來移動本地C/A碼的相位，使本地C/A碼和接收信號的C/A碼相位對齊，獲得更高的處理增益，將深埋在噪聲中的信號檢測出來。

1.3 功率特性

GPS信號在接收時的強(qiáng)度由天線的發(fā)射功率，天線波瓣寬度，衛(wèi)星到接收機(jī)的距離和接收天線的有效面積決定。GPS衛(wèi)星天線的發(fā)射功率為478.63 W，即26.8 dBW。如果接收天線具有單位增益，有效面積是：

考慮到有大氣層造成信號的損失，一般在地球表面，接收功率大約為-160 dBW。

2 Galileo信號特性

Galileo系統(tǒng)的每顆衛(wèi)星都發(fā)射6種信號，分別是E5a、E5b、E6P、E6C、L1P、L1F。Galileo系統(tǒng)提供5種服務(wù)，分別是公開服務(wù)（OS，Open Service）、商用服務(wù)（CS，Commercial Service）、生命安全服務(wù)（SOL，Safety of Life Service）、公共特許服務(wù)（PRS，Public Regulated Service）以及搜索與救援服務(wù)（SAR，Search and Rescue Support Service），該文僅研究Galileo L1F信號。

Galileo L1F信號和GPS L1信號的中心頻率重合，L1F信號是用于公開服務(wù)，免費(fèi)對所有用戶開放的。L1F信號包括數(shù)據(jù)通道（L1B）和引導(dǎo)通道（L1C），導(dǎo)航電文的碼速率為125 b/s，采用了前向糾錯編碼，編碼后的速率為250 b/s。兩個通道的偽碼碼長均為4 029個碼元，是GPS C/A碼的4倍，碼速率為1.023 Mb/s，因此碼周期為4 ms。L1C信道上還有次級碼，次級碼與偽碼進(jìn)行模2加，碼長為25 bit，重復(fù)周期和偽碼相同為4 ms。L1F信號可以表示為：

3 Galileo L1F信號與GPS L1 C/A碼信號的比較

在跟蹤靈敏度方面，發(fā)射Galileo L1F信號的衛(wèi)星攜帶了更多載荷，衛(wèi)星信號的發(fā)射功率將比L1 C/A碼信號提高3dB-5dB，從而提高了保持正確跟蹤所需的信噪比；而且L1F信號可以利用沒用調(diào)制導(dǎo)航電文的引導(dǎo)通道L1C與L1B聯(lián)合跟蹤的方法有效的提高跟蹤靈敏度。

跟蹤可靠性是指跟蹤環(huán)路只利用碼的自相關(guān)峰的主峰來跟蹤信號的能力。C/A碼自相關(guān)旁瓣至少比主瓣低21.6 dB，但在復(fù)雜環(huán)境下，這個差值仍然太小，多址干擾會造成非常大的影響。L1F信號的偽碼長度是4 092個碼片，是C/A碼的4倍，這大大提高了自相關(guān)性能，但不利的是由于BOC調(diào)制產(chǎn)生相關(guān)副峰，比主峰低6 dB，在低信噪比的情況下，將可能造成錯誤的捕獲和跟蹤。

由于信號的功率譜遠(yuǎn)離載波中心頻率時，易于減輕熱噪聲對碼跟蹤環(huán)路的影響，抗干擾能力強(qiáng)，故采用了BOC（1，1）調(diào)制的Galileo L1F信號的跟蹤精度要比C/A碼高。

GPS L1 C/A碼信號與Galileo L1F信號的功率譜比較，L1F信號采用了BOC（1，1）調(diào)制，這種調(diào)制方法譜的主瓣分裂成兩部分，對稱地位于副載波頻率，如上圖所示，Galileo L1F信號的主瓣剛好位于GPS L1信號的兩邊，這樣就實(shí)現(xiàn)了Galileo與GPS的頻譜分離，從而減小了兩個系統(tǒng)間的干擾。

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