gps现代化信号体制下的全球定位系统

gps现代化信号体制下的全球定位系统

1gps对军民心理的影响全球系统是美国在20世纪70年代建立的一个基于人造卫星的全球系统，用于引导星。该系统由广播导航信号的卫星星座构成空间部分、控制整个系统运行的地面监控设备和包含各种类型接收机的用户部分三部分组成,其可以为陆、海、空、天各类军民载体,全天候、24小时连续提供高精度的位置、速度和精密时间信息,被广泛应用于军用和民用导航领域。GPS导航定位除用于导航外,还被广泛应用于地震测绘、石油勘探、航标敷设维护、搜索救援、精密时间传递等领域。随着GPS应用的深入,GPS在现代高技术战争中得到广泛应用。到目前为止,GPS系统已在海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争以及伊拉克战争中得到了实战检验,并发挥了巨大威力。1991年海湾战争空袭中,美军只有10%的武器使用了GPS,而2003年的伊拉克战争中有95%以上的精确制导武器使用了GPS。尽管GPS在现代战争中显示了强大的战斗力,但,GPS系统的脆弱性却面临着干扰的挑战。由于GPS卫星距离地面远,信号发射功率有限,使得达到接收机天线口面的信号强度非常弱。而干扰源距离接收机则相对近得多,无需用很大功率就可淹没GPS接收机接收到的GPS信号。据报道,在伊拉克战争中,美军发射的800多枚依靠GPS制导的“战斧”式巡航导弹中,有许多因为受到干扰而没有击中预定军事目标,偏离目标的导弹数量约占10%左右。此外,GPS系统在民用导航领域的领导地位也正在面对其他导航系统的挑战。特别是欧洲正在建设的Galileo导航系统。从设计性能看,Galileo导航系统提供的定位精度为10m(普通用户)/1m(特殊用户),优于美国现有GPS系统,而且,Galileo导航系统除提供与GPS导航系统相同的导航定位、授时、载波相位测量业务外,还提供通信、搜索救援功能,在民用市场中比GPS导航系统将更具竞争力。为了加强GPS对美军现代化战争的支撑作用并保持其在全球民用导航领域中的领导地位,美国提出了GPS现代化计划,从卫星星座、信号体制、星上抗干扰、军民信号分离等角度,对现有GPS系统进行改进。在信号体制上,GPS现代化信号体制主要具有以下特点:(1)GPS信号占用三个频段,其中L5频段只用于广播民用导航信号;L1、L2频段同时广播民用导航信号和军用导航信号;并通过采用频谱分离,有效地实现军民导航信号分离。(2)三路民用信号,互为观测冗余,有利于修正电离层时延,提高定位精度;(3)GPS现代化进程中将增加GPS信号发射功率。特别是军用M码信号,在军事对抗的情况下,可通过点波束技术实现区域增强,以增加其抗电子干扰能力;(4)为了提高性能,所有新设计的民用信号都设置有无数据调制的分量;并采用卷积码实现前向纠错编码(FEC),有利于从弱信号中提取出导航电文;设计新民用导航电文CNAV,提高民用服务质量。2gps信号体制目前GPS信号主要为1575.42MHz(L1)频率上的C/A码和P/Y码信号,1227.6MHz(L2)频率上的P/Y码信号,共三种信号;伴随着GPS现代化计划的实施,改进型GPS卫星的发射,GPS信号体制将在现有信号体制的基础上,在L2频率广播L2C民码信号、增加第三民用频率(1176.45MHz)广播L5民码信号以及在L1、L2频率上广播M码信号。大约2013年,发射GPSⅢ卫星时,在L1频率上广播新型民码L1C信号。GPS现代化计划完成以后,其信号频谱分布变化如图所示。2.1基码-基码多工器的合成组L2C信号是GPS现代化过程中在L2频率上新增的民码信号,采用BPSK调制传输,接收电平为-158.5dBW。L2C的调制信号使用两种PRN码:CM码和CL码。CM码长10230chips,周期为20ms,调制有导航电文数据;CL码长767250chips,周期为1.5s,不调制导航电文。两者的码速率均为511.5kHz。调制有导航电文的CM码与不调制导航电文的CL码在基码-基码多工器中合成,CM基码先发送,CL基码后发送,经这种时分复用合成后,以1.023Mbps码速率传输。L2C信号调制的导航电文原始速率为25bps,经1/2比率的K=7的前向纠错(FEC)卷积编码,速率变为50sps。2.2基于prn的安装L5信号是GPS现代化过程中新增民用频率1176.45MHz上的民码信号,带宽为24MHz,采用QPSK调制传输,接收电平为-154.9dBW。扩频PRN码码长10230chips,码速率为10.23MHz,周期为1ms。L5信号由相互正交的两个通道分量构成,其同相通道(I通道)调制有导航电文数据,正交通道(Q通道)不调制导航电文,并分别使用10bit和20bit的Neuman-Hoffman(NH)同步码调制,以进一步提高抗窄带干扰能力、改善卫星信号之间的互相关性、改善数据字符同步。导航电文初始速率为50bps,经1/2比率的K=7的前向纠错(FEC)卷积编码,后数据速率为100sps。2.3军民用信号的调制传输M码信号是加载到L1和L2上的新军码信号,采用二进制偏移载波(BOC(10,5))调制传输,以实现军码信号与民码信号的谱分离,减小军民用信号间的相互干扰。BOC(10,5)调制的码速率为5.115MHz,副载波(subcarrier)的频率为10.23MHz。在军事对抗时,GPSⅢ可以通过点波束技术使区域功率谱密度增强20dB。2.4信号调制方案的确定L1C信号由不调制导航数据的L1Cp信号和调制导航信号的L1CD信号两种分量构成。其中L1Cp还经覆盖码L1Co调制。覆盖码长1800bit,速率为100bps,周期18s。扩频码长为10230chips,速率为1.023Mbps,周期10ms。最小接收电平为-157dBW。导航电文中,时间间隔信息使用BCH编码,其他使用低密度奇偶校验FEC编码,传输速率为100sps。L1C信号调制方式存在两种可能采用的方案,即采用二进制偏移载波(BOC(1,1))调制,或采用BOC(1,1)与BOC(6,1)进行时分复用二进制偏移载波调制。两种方案最终选择哪个,现在尚未确定。详细的介绍可参考文献。2.5自我所有特征数据的基本格式目前,GPS导航电文NAV数据结构基于1500bit长帧格式,由5个子帧组成,每个子帧为300bit。数据以50Hz速率发送。由于4、5号子帧占用25个页面,因此一条完整的导航电文需要25帧(称为超帧)才能传完,耗时12.5min;每个分帧都包含单独的校验比特位。在GPS现代化进程中,定义了一种新的民用导航电文格式CNAV。CNAV采用一种长度为300bit(含有24bitCRC奇偶校验),发送时间为12s的基本格式广播。导航电文根据内容构成不同类型的数据块。如数据类型10和11为星历数据块,数据类型30为时钟、电离层、群时延校正参数数据块,数据类型31为简化历书数据块等等。每个数据块都有相同的8bit(10001011)数据作为帧头,其后是卫星传输PRN序号(6bit),数据块ID号(6bit)以及数据周内时间计数(17bit)。不同的数据内容广播的时间间隔不同,如星历广播时间间隔不超过48s,简化历书广播时间间隔不超过20min,地球轨道参数广播时间间隔不超过30min等,更详细的内容,可参见文献。两种导航电文格式相比,主要存在以下不同的特点:1)CNAV主要用于民用,电文速率为25bps。低传输速率,首次定位时间增长,但可靠性高。2)CNAV保留比特数(未定义的数据位)少,发播频率低,通信资源利用率高;导航电文内容相比,主要差别为1)CNAV提供了GPS时间与其他GNSS系统时间之间的时间转换参数,方便用户同时使用多种卫星导航系统的数据进行定位。2)CNAV中时钟改正数据精度更高,而且增加了差分改正项,包括时钟差分改正CDC和卫星星历差分改正EDC。3)CNAV中卫星星历数据精度提高,卫星历书精度降低。另外,在GPS现代化进程中,民用信号导航电文将采用独立通道(或时分复用实现等效独立通道)广播,同时,采用1/2比率的K=7的前向纠错(FEC)卷积编码。3gps系统性能测试GPS星座以最低发射电平播发导航信号,通常GPS接收机接收到的载噪比要大于接收机正常工作的最低接收载噪比,从而留有一定裕量,即为GPS系统裕量(这个定义是参考文献关于门限备余量的定义给出的)。GPS系统裕量从一定程度上反映了GPS系统的抗干扰性能。接收机正常工作的最低接收载噪比C/N0与接收机灵敏度Eb/N0、信息速率Rb以及导航电文编码的译码增益G相关。用分贝值表示,其关系式为:[CN0]=[EbN0]+[Rb]−[G](1)接收机灵敏度的定义为在给定要求的输出信噪比的条件下,接收机所能检测的最低输入信号电平。在误码率10-6时,对应的[Eb/N0]为10.6dB。GPS现代化改进前导航电文速率为50bps,改进后,GPSⅡR-M卫星发射功率提高,新民用导航电文速率为25bps,并且采用RS(2,1,7)卷积编码,软判决译码增益[G]为5.3dB。GPSⅡF卫星广播L5信号,导航电文速率为50bps,也采用RS(2,1,7)卷积编码,编码后符号速率为100sps,软判决译码增益[G]为5.3dB。据公式(1)可以计算GPS现代化改进前后,各型卫星广播不同信号,接收机最低接收载噪比(假设GPS现代化以后,军民用信号均采用CNAV导航电文),详细数据如表1所示。接收机接收到的信号载噪比C/N0与输入信号Cin、接收机天线增益Gr、接收机的噪声系数NF相关,其具体关系可表示为:[CN0]=[Cin]+[Gr]−[KTs]−L(2)Ts=Ta+(NF-1)T0(3)其中:Ts系统等效噪声温度;Ta天线噪声温度;T0室温,通常取290K;K为波尔兹曼常数,1.38×10-23;L为实现损耗(信号处理损耗)。当GPS接收机天线增益Gr为0dB,噪声系数NF为4dB,信号处理损耗L为2dB的条件下GPS卫星以最小发射功率播发导航信号,接收机接收载噪比数据见表1。载噪比因受到干扰而降低的电平称为等效载波-噪声功率密度比[C/N0]eq。[C/N0]eq与未受干扰时C/N0和干信比J/S的关系表达式为:[CN0]eq=11C/N0+J/SQRc(4)其中,C/N0为1Hz带宽内未受到干扰时的载波-噪声功率比;J/S为干扰-信号功率比;Rc为GPS伪随机噪声码的基码速率;Q为扩频处理增益调节因数,对窄带干扰机,取值为1,对宽带扩频干扰机,取值为1.5,对宽带高斯噪声干扰机,取值为2。据此,可以计算GPS系统可容忍的干信比(这里计算时,Q取值为2),具体数据见表1。从表中GPS现代化前后的系统裕量数据,可知,对于L1频点C/A码和P(Y)码都有将近10dB的系统裕量改善,L2频点P(Y)码信号则改善约13dB。新增的民码L2C、L5信号的系统裕量分别达到19.48dB,19.08dB。从系统裕量的角度,改进后的GPS系统抗干扰能力将有较大提高,可容忍干信比均由8～9dB的提升。当GPS现代化发射GPSIII卫星以后,其M码信号将在必要时(战时)通过点波束天线技术实现区域功率增强,接收机接收电平可增大20dB,约为-138dBW,此时系统裕量和干扰容限将得到进一步提高,系统抗干扰能力进一步增强