GPS L1 L5双频定位系列文章之——揭秘L5工作频点     DATE: 2019-07-15 16:31

GPS信号最初民用的只有L1 C/A,为了满足用户定位导航授时性能的更高要求,美国于1998年宣布对GPS进行现代化,包括增加第二民用信号L2C和增加第三民用信号L5等。

根据L5 ICD文件IS-GPS-705E,GPS空间星座中的BlOCK IIF、BLOCKIII和未来其他卫星会播发L5射频信号。L5采用的是与L1、L2不同的工作频段,几种常见GNSS信号的工作频段如图所示。

GPS L5频点原理
(GNSS信号工作频率)

GPS L5信号从设计之初就是来解决L1C/A存在的问题的,因此其相对于L1 C/A具有先天的技术优势。

1.L1的载频为1575.42MHz,而L5的载频为1176.45MHz,L5的波长更长,自由空间衰减更小,因此同样条件下信号达到地面的功率更高。同样条件下,L5信号比L1信号的功率高6dB也就是4倍左右。

2.L1C/A码的码长为1023chips,码元速率为1.023MHz;L5的码长为10230 chips,码元速率为10.23MHz。码元周期和码元速率都提高到十倍后,更能对抗由多径效应引起的频率选择性衰落。从单颗卫星测距误差的角度来看,L5的测距精度可达30米,而L1C/A仅为300米。因此,L5可以提高位置解算的精度。

3.在导航电文的传输中,L5保持了与L1C/A码相同的子帧结构,但对其进行了1/2比率的前向纠错卷积编码(FEC),因此L5信号具有导航电文纠错能力,可提高在低功率环境下定位速度。

4.L5采用了纽曼-哈弗曼编码(Neuman–Hoffman码,N-H码),信号的自相关特性强。这种编码方式可以提高接收机抗窄带干扰能力,改善数据的位同步(从接收机找到数据比特的边缘)。

5.L5信号采用数据和导频双通道,其导频通道没有180模糊性,从而改善了载波恢复能力,可实现瞬时载波模糊性解。

另外,电离层延迟会使接收设备产生定位误差,支持L1、L5双频的接收机可以用两种频率的观测值加以组合来进行电离层延迟修正。

从理论上,L1、L5双频比单独的L1 C/A信号有诸多优势,对于支持L1和L5双频的终端,其理论定位性能应优于L1单频,实际情况是否是这样呢?

为了验证这个问题,泰尔终端实验室率先搭建了三套双频GPS定位测试系统。

1. 卫星信号模拟器系统。通过仪表模拟卫星导航信号,仿真卫星运行轨道、大气时延误差以及用户运动轨迹等,在实验室条件下构建终端仿真工作环境,可采用传导或OTA方式测试。系统的优点是测试方便、重复性高,缺点是由于模拟的是规范化的场景,难以反映真实的用户体验;

2. 高精度虚拟路测系统。为了反映真实的用户体验,实验室搭建了一套高精度虚拟路测系统,采集室外真实的卫星信号在实验室进行回放测试。该系统利用外置RTK组合惯导接收机,使卫星信号采集时的基准位置精度达到1cm以内,目前已采集高架桥、林荫路、高楼密集区、空旷高速路等不同场景,通过场景回放,在实验室条件下进行多次重复测试。

3. 共享云平台。卫星模拟测试和虚拟路测的系统建设成本都比较高,为降低本地实验室成本,实验室提出了共享云平台的创新服务模式,将虚拟路测系统采集的卫星场景储存在云端,云端资源共享、按需分配,本地通过低成本云播放器提供便捷的本地化测试。
对于移动通信终端的定位基本性能,可利用上述任一系统,测试首次定位时间、灵敏度、失锁重捕获时间、定位测速精度等指标,分别反映终端定位速度、达到或维持一定的定位精度所需的最低接收功率、定位中断后重新恢复定位的速度,位置和速度解算的精确程度等。

那么,如何才能对比出L1 L5双频相对于L1的优势呢?除了上述基本性能指标的测试,还应针对L5的技术特点,设计针对性的测试项目:

1. 多径测试:卫星信号到达接收机前经历多径信道环境,评估在多径环境下接收机的定位测速性能,验证高码率L5信号能够对抗多径效应;

2. 电离层误差测试:对卫星信号设置不同电离层误差模型,验证双频GPS定位技术能够有效消除电离层误差;

3. 导航电文误码测试:在导航电文中加入错误码片,验证L5信号的前向纠错能力;

4. 抗干扰测试:在播发卫星信号的同时加入窄带干扰或其他干扰信号,验证L5信号具有更强的抗干扰能力。

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