GPS信号与Galileo信号特性分析

摘 要：信号体制是卫星导航定位系统技术体制中最重要的部分之一，合理的信号体制对于卫星导航定位系统实现其导航，定位，授时，通信和测距等功能和满足性能要求十分关键。该文首先介绍了GPS信号和GALILEO导航信号的特点，对他们的信号体制进行分析与比较。阐述了GPS、Galileo两种卫星信号的特性，包括频率及调制格式、相关性特性、功率特性；比较分析了两种信号功率谱的区别，对两种卫星信号特性进行了深入的比较与分析。

关键词：GPS信号 GALILEO信号 特性

中图分类号：TN96 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）03（b）-0021-02

1 GPS信号特性

1.1 频率和调制格式

GPS卫星发射L1和L2两种波段的载波，L1（1 575.42 MHz）上调制有P码、C/A码及导航电文，L2（1 227.6 MHz）上仅调制了P码和导航电文。该文只研究L1频率上的C/A码。L1频率上的GPS信号为：

（1）

1.2 C/A码产生

C/A码是码速率为1.023 MHz的二相调制信号，主瓣两个零值之间的频谱宽度是2.046 MHz。每个码元的长度大约为977.5 ns。为了和P码信号对应，L1载频上的GPS卫星信号传输带宽大约为20 MHz，因此，所传输的C/A码就包括主瓣以及很多旁瓣。整个码周期包括1 023个码元，持续1 ms，因此C/A码的时长为1 ms。

C/A码的相关性是其最重要的特性，包括以下两个方面。

（1）不同C/A码的互相关值约等于零，所有的C/A码都几乎与其他的C/A码不相关，即：对于卫星i和j，其C/A码的互相关性为：

不同卫星产生的C/A码的互相关是非常低的，接近于0。高自相关峰和低互相关峰可以提高信号的捕获灵敏度，为了在强信号中检测出弱信号，强信号的互相关峰必须比弱信号的自相关峰值低。

（2）C/A码的自相关只有在相关间隔为0时存在峰值，即两个相同的C/A码序列只有完全对齐时才可以得到一个相关峰值，自相关峰值的最大值是1 023，等于C/A码的长度。C/A码的自相关函数为：

在接收机中正是利用C/A码的自相关的这种性质来移动本地C/A码的相位，使本地C/A码和接收信号的C/A码相位对齐，获得更高的处理增益，将深埋在噪声中的信号检测出来。

1.3 功率特性

GPS信号在接收时的强度由天线的发射功率，天线波瓣宽度，卫星到接收机的距离和接收天线的有效面积决定。GPS卫星天线的发射功率为478.63 W，即26.8 dBW。如果接收天线具有单位增益，有效面积是：

考虑到有大气层造成信号的损失，一般在地球表面，接收功率大约为-160 dBW。

2 Galileo信号特性

Galileo系统的每颗卫星都发射6种信号，分别是E5a、E5b、E6P、E6C、L1P、L1F。Galileo系统提供5种服务，分别是公开服务（OS，Open Service）、商用服务（CS，Commercial Service）、生命安全服务（SOL，Safety of Life Service）、公共特许服务（PRS，Public Regulated Service）以及搜索与救援服务（SAR，Search and Rescue Support Service），该文仅研究Galileo L1F信号。

Galileo L1F信号和GPS L1信号的中心频率重合，L1F信号是用于公开服务，免费对所有用户开放的。L1F信号包括数据通道（L1B）和引导通道（L1C），导航电文的码速率为125 b/s，采用了前向纠错编码，编码后的速率为250 b/s。两个通道的伪码码长均为4 029个码元，是GPS C/A码的4倍，码速率为1.023 Mb/s，因此码周期为4 ms。L1C信道上还有次级码，次级码与伪码进行模2加，码长为25 bit，重复周期和伪码相同为4 ms。L1F信号可以表示为：

3 Galileo L1F信号与GPS L1 C/A码信号的比较

在跟踪灵敏度方面，发射Galileo L1F信号的卫星携带了更多载荷，卫星信号的发射功率将比L1 C/A码信号提高3dB-5dB，从而提高了保持正确跟踪所需的信噪比；而且L1F信号可以利用没用调制导航电文的引导通道L1C与L1B联合跟踪的方法有效的提高跟踪灵敏度。

跟踪可靠性是指跟踪环路只利用码的自相关峰的主峰来跟踪信号的能力。C/A码自相关旁瓣至少比主瓣低21.6 dB，但在复杂环境下，这个差值仍然太小，多址干扰会造成非常大的影响。L1F信号的伪码长度是4 092个码片，是C/A码的4倍，这大大提高了自相关性能，但不利的是由于BOC调制产生相关副峰，比主峰低6 dB，在低信噪比的情况下，将可能造成错误的捕获和跟踪。

由于信号的功率谱远离载波中心频率时，易于减轻热噪声对码跟踪环路的影响，抗干扰能力强，故采用了BOC（1，1）调制的Galileo L1F信号的跟踪精度要比C/A码高。

GPS L1 C/A码信号与Galileo L1F信号的功率谱比较，L1F信号采用了BOC（1，1）调制，这种调制方法谱的主瓣分裂成两部分，对称地位于副载波频率，如上图所示，Galileo L1F信号的主瓣刚好位于GPS L1信号的两边，这样就实现了Galileo与GPS的频谱分离，从而减小了两个系统间的干扰。

参考文献

[1] Dennis M Akos， Ene A， Thor J. A Prototyping Platform for Multi-Frequency GNSS Receivers [C]//Proceedings of International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation.2016.

[2] （美）Nesreen I.Ziedan，著.弱信号全球导航卫星系统接收机[M].张欣，译.国防工业出版社，2008.

[3] 刘舒莳，唐斌，唐卫涛，等.中频GPS信号模拟器的软件实现[C]//第十四届遥测遥控年会.2006.

[4] 巴晓辉，李金海，陈杰.不需要辅助信息的室内GPS信号捕获算法[J].电子技术应用，2006（9）：130-132.

[5] Ledvina B M，Psiaki M L，Powell S P，et al.A Real-Time Software Receiver for the GPS and Galileo L1 Signals [C]//ION GNSS.2006.

[6] 边少峰，李文魁.卫星导航系统概论[M].北京：电子工业出版社，2005.