3.7　GPS信号

本节介绍由GPS卫星发送的包括传统信号在内的导航信号，它是自1978年发射第一颗卫星以来每颗运行中的GPS卫星广播的信号集。如本章前面所述，目前正在对GPS星座进行现代化改造。本节还将介绍正在引入的现代化导航信号，以及传统和现代化信号的导航数据结构与内容。

3.7.1　传统信号

传统GPS卫星在两个载波频率上传输导航信号，主频率称为链路1（L1），副频率称为链路2（L2）。L1的频率为1575.42MHz，L2的频率为1227.6MHz。两个载波的频率间隔选为几百兆赫兹，以便用户设备估算信号通过电离层时经历的延迟。载波频率和调制波形全部使用由铷或铯AFS驱动的公共频率源在每颗GPS卫星上连贯地生成。在地面或地面附近的观测者看来，标称参考频率f0是10.23MHz，但通常将它设为一个稍低的频率，以便与SV一起移动的观测者补偿相对论效应。卫星频率标准的输出（在与SV一起移动的观测者看来）是10.23MHz，偏移为为f/f=4.467×10-10。于是有于f=4.57×10-3Hz和f0=10.22999999543MHz[29]。本节剩余部分给出的频率值参考的都是它们在地面或地面附近出现的方式（10.2.3节中将详细探讨GNSS相对论效应和相关补偿技术）。

载波频率通过扩展波形进行调制，扩展时使用与每颗卫星关联的唯一PRN序列及导航数据。所有GPS卫星都在相同的载波频率上传输，但由于PRN码的调制特性，它们的信号互不干扰。由于每颗卫星都被分配了唯一的PRN码，且所有PRN码序列几乎彼此不相关，因此可以分离和检测卫星信号。如2.4.2.2节所述，在多个发射机（卫星）之间共享公共载波频率的技术称为码分多址（CDMA）。

如图3.31所示，在传统的GPS卫星中，L1频率（154f0）由两个PRN测距码调制：粗码/采集码（C/A码）和精密码（P码）。当GPS SV处于反欺骗（A-S）操作模式时，加密P码，目前我们总是遇到这种情形。加密后的P码称为Y码，在任何一种操作模式（A-S开或A-S关）下，我们通常将P代码称为P(Y)码。C/A码的码片速率为1.023Mchips/s（=f0/10），P码的码片速率为10.23Mchips/s（=f0）。L1上的C/A码和P(Y)码都是由50bps的导航数据调制的。

如图3.31所示，在传统（如Block II/IIA/IIR）卫星上，L2频率（120f0）可以在任何给定的时间按如下方式进行调制：（1）有导航数据的P(Y)码；（2）无导航数据的P(Y)码；（3）有导航数据的C/A码。在这些选项中，有导航数据的P(Y)码最常见。在Block IIR-M和后来的GPS SV上，可以在L2上于有或没有导航数据的情况下广播传统码[C/A和P(Y)][29]，但在L2上最常见的模式是只有一个带50bps导航数据的传统码P(Y)（及本节后面将要介绍的现代化信号）。

P(Y)码表面上只在PPS用户于卫星的A-S模式下加密时可用。但是，有些民用用户设备已被设计为能够跟踪加密的P(Y)码。这种设备中使用的技术称为无代码或半代码处理技术，详见8.7.4节。

过去，C/A码和P(Y)码以及L1和L2载波频率都要经过加密的时变频率偏移（称为抖动），以及加密的星历和历差偏移误差，这称为选择可用性 （SA）。SA阻止独立SPS用户获得GPS的完全准确性。然而，从2000年5月1日起，所有GPS卫星上的SA都被禁用。美国没有再次启用SA的意图[1]，所以不再讨论这个问题。

注意，如图3.31所示，在使用L1载波进行调制前，相同的50bps导航电文数据模2后加到C/A码和P(Y)码上。调制过程使用了异或逻辑门⊕。由于C/A码数据和P(Y)码数据都是同步操作的，所以位转换速率不能超过PRN测距码的码片速率。还要注意的是，调制带有PRN测距码和导航数据的载波信号时使用了BPSK（见2.4.2.1节）。P(Y)码⊕数据用L1上的C/A码⊕数据同相调制。如图3.31所示，L1载波在被C/A码⊕数据BPSK调制前相移了90°。然后，这个结果与被P(Y)码⊕数据BPSK调制的L1的衰减输出结合。图3.32中的矢量相位图说明了L1上的P码和C/A码之间的3dB幅度差与相位关系。图3.33中显示了P码⊕数据和C/A⊕数据的结果。如图3.33所示，异或处理等同于两个1位值的二进制乘法，得到1位积，所用的规则是逻辑0为正，逻辑1为负。数据历元之间存在20460个P(Y)码历元和20460个C/A码历元，因此数据调制相位在PRN码序列中可能发生变化的次数相对较少，而频谱变化由于传统GPS信号中的数据调制非常显著。

图3.34中说明了一个P(Y)码⊕数据转换和一个C/A码⊕数据转换的BPSK调制之前和之后，信号波形的出现方式。每个P(Y)码片都有154个载波周期，L1上的每个C/A码片有1540个载波周期，所以L1载波的相移相对较少。尽管还有其他的卫星模式[29]，L2频率（1227.60MHz）最常使用一个传统信号来调制，即P(Y)码⊕数据。L2上的每个P(Y)码片有120个载波周期，所以L2载波上的相移相对较少。表3.12中小结了L1和L2上的GPS信号结构。

如3.2.3.2节所述，为提高可靠性，每颗卫星中都有冗余的AFS。例如，Block IIF卫星上有一个铯原子标准和两个铷原子标准。CS一次只选择一个原子标准来驱动卫星上的参考频率生成器。重要的是，10.23MHz的参考频率与铷钟或铯钟的固有频率无关。选择这个频率的目的是在时钟为f0/10时，让长度为1023的C/A测距码在方便的时间间隔（1ms）内重复。

3.7.1.1　PRN测距码的生成

图3.35中描述了直接序列PRN测距码生成的高层框图，它用于GPS C/A码和P(Y)码生成，以便实现CDMA技术。每个合成的PRN码都由另外两个码生成器导出。第二个码生成器的输出相对于第一个码生成器的输出延迟后，使用一个异或电路组合它们的输出。延迟量是可变的。与延迟量相关的是SV PRN号。在P码情形下，P个芯片中最初只有37个与PRN号相同的延迟为整数的PRN码。近年来，增加了一个有26个P码（PRN 38-63）的扩展集，它通过将原始37个序列中的26个序列（1周以上）循环移位对应于1天的量生成。对于C/A码，延迟对于每颗卫星来说是唯一的，所以与PRN号只有查表关系。表3.12中列出了PRN 1至37的延迟。P码和C/A码的PRN扩展集见文献[29]。C/A码延迟可由一种简单但等效的技术来实现，这种技术不需要延迟寄存器，详见下面几段中的说明。

GPS C/A码是Gold码[85]，其序列长度为1023位（码片）。由于C/A码的码片速率为1.023MHz，因此伪随机序列的重复周期为1023/(1.023×106)或1ms。图3.36中说明了GPS C/A码生成器的设计架构。图中未包含设置或读取寄存器或计数器的相位状态所需要的控件。有两个10位移位寄存器G1和G2，它们生成最大长度的PRN码，长度为210-1=1023位（移位寄存器不能进入的一种状态是全零状态）。通常用形如1+ΣXi的多项式来描述线性代码生成器的设计，其中Xi表示移位寄存器的第i个单元被用作模2加法器的输入（异或），1表示加法器的输出被馈送到第一个单元[86]。C/A码的设计规范要求G1移位寄存器的反馈抽头连接到阶段3和10。这些寄存器状态由一个异或电路组合，并反馈到阶段1。描述这种移位寄存器架构的多项式是G1=1+X3+X10。表3.13中小结了C/A码和P码生成器移位寄存器的多项式和初始状态。G1直接输出序列和G2直接输出序列的延迟序列被馈送到为每颗卫星生成唯一C/A码的异或电路。G2 PRN码中的等效延迟效应，由输出是G21的两个抽头的所选位置的异或得到。这是因为最大长度的PRN码序列具有如下性质，即添加到自身的相移序列中后，它不会改变，只是简单地得到另一个相位。图3.36中G2移位寄存器的两个抽头的功能是将G2中的码相位相对于G1中的码相位移位，而不需要额外的移位寄存器来执行延迟。每个C/A码PRN号与G2上的两个抽头位置相关联。表3.13中描述了所有定义的GPS PRN号的这些抽头组合，还指定了C/A码片中的等效直接序列延迟。这些PRN号的前32个为空间段预留。PRN 33至PRN 37最初为其他用途预留，如地面发

射机（也称伪卫星）。在撰写本文时，只为这一应用预留了PRN 33。在GPS的阶段I（概念演示阶段）中使用伪卫星来验证卫星发射前系统的运行和准确性，并与最早的卫星结合使用。C/A码34和37是相同的。传统C/A PRN码已被扩展，用于GPS卫星和许多增强系统，其现代化设计细节请参阅文献[29]。

GPS P码是用X1A、X1B、X2A和X2B四个12位移位寄存器生成的PRN序列。这类移位寄存器架构的详细框图如图3.37所示[29]。图中未包括设置或读取寄存器和计数器的相位状态所需要的控件。注意，X1A寄存器的输出通过一个异或电路与X1B寄存器的输出组合，形成X1码生成器，X2A寄存器的输出通过一个异或电路与X2B寄存器的输出组合，形成X2码生成器。X2的组合结果被反馈到码片中SV PRN号的移位寄存器延迟，然后通过一个异或电路与X1复合结果组合，生成P码。采用这种移位寄存器架构，P码序列的长度将超过38周，但它被划分为37个唯一的序列，这些序列是在1周结束时被截断的。因此，每个PRN码的序列长度为6.1871×1012个码片，重复周期为7天。

P码的设计规范要求4个移位寄存器中的每个都有一组反馈抽头，这些反馈抽头通过一个异或电路组合在一起，并反馈到它们各自的输入级。描述这些反馈移位寄存器架构的多项式如表3.14所示，逻辑图如图3.37所示。

参考图3.37，发现所有4个反馈移位寄存器的自然周期都被截断。例如，X1A和X2A在4092个码片后都被复位，消除了自然的4095个码片序列中的最后三个码片。寄存器X1B和X2B在4093个码片后都被复位，消除了自然的4095个码片序列中的最后两个码片。这就使得X1B序列的相位相对于每个X1A寄存器周期的X1A序列滞后一个码片。因此，X1A和X1B寄存器之间存在相对的相位进动。在X2A和X2B之间出现了类似的相位进动。当GPS周开始时，所有移位寄存器都被同时设置为初始状态，如表3.14所示。此外，当每个X1A周期结束时，X1A移位寄存器被复位为初始状态。当每个X1B周期结束时，X1B移位寄存器被复位为初始状态。当每个X2A周期结束时，X2A移位寄存器被复位为初始状态。当每个X2B周期结束时，X2B移位寄存器被复位为初始状态。A和B寄存器的输出（第12级）通过异或一个电路组合，形成一个由X1A⊕X1B导出的X1序列和一个由X2A⊕X2B导出的X2序列。X2序列被i个码片（对应于SVi）延迟，形成X2i。SVi的P码是Pi=X1⊕X2i。

X2A/X2B移位寄存器与X1A/X1B移位寄存器之间也存在相位进动，它表现为X2历元和X1历元之间每个X1时段37个码片的相位进动。图3.37中除以37的计数器，使得X2周期要比X1周期长37个码片。这个阶段岁差的细节如下。X1历元定义为3750个X1A周期。当X1A循环通过3750个这样的周期或375034092=15345000个码片时，出现1.5s的X1历元。当X1B循环通过3749个周期（每个周期4093个码片）或15344657个码片后，它相对于额外的343个码片保持静止，即中止时钟控制直到1.5s的X1A周期后恢复它，以便与X1A对齐。因此，X1寄存器的组合周期为15345000个码片。X2A和X2B的控制方式分别与X1A和X1B的相同，但有一点不同：在1.5s内完成15345000个码片后，X2A和X2B通过中止时钟控制直到X2历元（除以37计数器的输出）或本周开始时恢复它。因此，X2寄存器的组合周期为15345037个码片，它要比X1寄存器的长37个码片。

注意，如果P码是由X1⊕X2生成的，并且在本周末尾未复位，那么它的潜在序列长度为15345000×15345037=2.3547×1014个码片。当码片率为10.23×106时，这个序列的周期为266.41天或38.058周。然而，由于序列在周末被截断，因此每颗卫星只使用该序列中的一周，且有38个唯一的一周PRN序列可用。如C/A码情形中那样，前32个PRN序列最初是为GPS空间段预留的，且PRN 33至37为其他用途（如伪卫星）预留。PRN 38 P码有时被用作P(Y)码GPS接收机中的测试码，并且产生一个参考噪声电平（由于最初的接口规范，不能将它与使用的任何SV PRN信号联系起来）。然而，近年来，如前所述，已使用最初的PRN 1-26测距码的1天延迟选择了一组扩展的P码（PRN 38-63），且现在只有PRN 33是为其他用途预留的。

每颗卫星的唯一P码是X2输出序列中不同延迟的结果。表3.12中显示了每个SV PRN号的P码码片中的延迟。P码码片中的P码延迟与它们各自的SV的PRN号相同，但C/A码码片中的C/A码延迟与它们的PRN号不同。C/A码延迟通常要比它们的PRN号长得多。通常通过编程G2移位寄存器上的抽头选择来合成传统GPS接收机的复制C/A码。

表3.12中还显示了从一周开始的八进制格式的前10个C/A码码片和前12个P码码片。例如，PRN 5 C/A码的前10个码片的二进制序列是1001011011，PRN 5 P码的前12个码片的二进制序列是100011111111。注意，PRN 10到PRN 37的前12个P码码片是相同的。P码的这一码片数量微不足道，因此序列的差异直到后面的序列才变得明显。

3.7.1.2　功率电平

表3.15中小结了三个传统GPS信号的最小接收功率电平，不包括在L2上广播C/A码的很少使用的GPS卫星模式。这些电平用相对于1W的分贝数（dBW）表示。指定的接收GPS信号功率[29]基于用户天线收到的信号，后者以3dB的增益线性极化，通常会旋转，以便实现最大的极化失配损耗。这对应于具有单位增益的理想RHCP天线，单位增益表示为0dBic（即相对于各向同性圆极化天线的0dB增益）。规范中使用的是线性极化天线，因为：（1）不可能建造完美的RHCP天线；（2）通过国家计量机构，可以使用能够溯源到国际计量局的增益校准来建造和校准线性极化天线；（3）对于这样的参考用户天线，如果用户天线被定义为0dBic RHCP，那么卫星天线极化特性的任何缺陷都不会导致用户的功率损耗。

图3.38表明，当卫星位于两个仰角位置时，接收功率最小：用户55仰角和用户天顶。在这两个仰角之间，最小接收信号功率电平对L1信号逐渐增至最大2dB，对L2信号功率电平逐渐增至最大1dB，然后降低到规定的最小值。出现这种特性的原因是，卫星发射天线阵上的成形波束方向图只能匹配对应地心和接近地球边缘的角度所需的最小增益，使得发射天线阵增益在这些最低点之间稍有增加。用户的天线增益方向图通常在天顶处最大，在水平5°及以上和低仰角处最小。

对L1通道上的C/A码和P(Y)码分量，接收到的信号电平预计分别不超过-153dBW和-150.0dBW，而对L2上的任何一个信号分量，接收到的信号电平预计不超过-155.5dBW。一般来说，当卫星是新卫星时，卫星的信号功率处于最大电平，并且几乎保持不变，直到寿命结束。因此，对于L1 C/A码、L1 P(Y)码和L2 P(Y)码（或L2 C/A码），在卫星寿命期内保证最小功率以上的信号功率变化预计分别小于5.5dB、11.5dB和6dB。注意，这些是传统最大功率限制。在较新的卫星上，现代化的柔性功率操作模式有意地增大了P(Y)码和M码的功率。

表3.16以最小用户接收功率电平为起点，给出了摘自文献[87]的Block II GPS卫星的导航卫星信号功率预算。表中显示了离轴角为14.3°的最坏情况下的输出功率电平，以及大气损耗为0.5dB的最坏情况下的输出功率电平。参考表3.16，L1 C/A码使用单位增益发射天线提供信号功率的链路预算为-158.5-3.0+184.4+0.5+3.4=26.8dBW。由于卫星L1天线阵在离轴角为14.3°的最坏情况下的C/A码最小增益为13.4dB，因此C/A码的最小L1天线发射功率为log-1[(26.8-13.4)/10]=21.9W。注意，必须向卫星天线阵发送至少32.6W的L1功率和6.6W的L2功率（共39.2W），才能维持规范要求。高功率放大器（HPA）组件的效率决定卫星必须提供多少实际功率。

3.7.1.3　传统导航数据

如前所述，C/A码和P(Y)码信号在L1和L2上都用相同的50bps导航数据进行调制。该数据为用户提供计算每颗可见卫星的精确位置和每个导航信号的传输时间所需要的信息。该数据还包括一组重要的辅助信息，如协助接收机捕获新卫星、将GPS系统时转换为UTC（见3.5.2.2节）及校正多个影响测距的误差。本节概述传统GPS导航（LNAV）电文的主要功能。更完整的介绍，请读者参阅文献[29]。

GPS LNAV导航电文在5个300比特的子帧中传输，如图3.39所示。每个子帧本身由10个30位字组成。在导航电文的每个字中，最后6位用于奇偶校验，为用户设备提供解调期间检测误码的能力。错误检测采用汉明码[32, 26]。5个子帧按从子帧1开始的顺序发送。子帧4和5各自都由25页组成，以便在首次通过这5个帧时，广播（帧4和5的）第1页。下次通过这5个子帧时，广播第2页，以此类推，直到广播第25页，然后再次开始子帧4和5的分页序列。如果没有数据丢失，那么读取全部5页需要30s，接收机读取全部25页需要12.5分钟（25×30=750s）。

尽管存在与地面失联的情况，但CS通常每天都向每颗卫星上传一次或两次关键导航数据元素。在这种标称操作模式中，相同的关键导航数据元素（如卫星星历表和时钟校正数据）在2小时内重复广播（除非已在此期间进行了上传）。在2小时时间的边界上，每颗卫星都切换到广播一组不同的关键要素，这些要素存储在卫星随机存取存储器内的表格中。CS根据当前对每颗卫星位置和时钟误差的估计及这些参数随时间变化的预测算法，生成这些电文元素。

每个子帧的前两个字（位1～60）包含遥测（TLM）数据和切换字（HOW）。TLM字是每个子帧内的10个字中的第一个字，它包含一个固定的前导码，即永不变化的固定8位模式10001011。这个固定模式的前导码用于帮助用户设备定位每个子帧的起始位置（称为帧同步），但必须测试其位置的一致性，以防电文中其他地方出现相同的位模式。每个TLM字还包含只对授权用户有意义的14位数据。HOW之所以如此命名，是因为它允许PPS用户设备从C/A码跟踪切换到P(Y)码跟踪，提供对应下个子帧前缘的GPS周时间（TOW）模6s。HOW中的TOW对SPS用户来说也是必不可少的，目的是消除1ms C/A码周期的时间模糊性。接收机必须首先求出数据转换（20ms）边界的位置（称为位同步），位置的精度要远高于1ms，然后才能可靠地使用HOW建立为6s的模糊度。HOW还提供了两个标志位，一个用于指示是否已激活反欺骗（见3.7.1节），另一个用作警报指示器。若设置了警告标志，则表明信号的精度可能较差，此时应由用户承担处理风险。最后，HOW提供子帧号（1～5）。

子帧1提供GPS传输周数，这是自1980年1月5日以来模1024的周数。GPS周数的第一次翻转发生在1999年8月22日。下一次翻转将在2019年4月发生。谨慎的做法是GPS接收机设计人员在非易失性存储器中记录罕见但不可避免的翻转历元（见3.5.2.1节）。子帧1还提供星钟校正项af0, af1, af2和时钟时间toc。这些术语对于精确测距非常重要，因为它们说明了卫星广播信号的时间与GPS系统时之间缺乏完美的同步（见10.2.1节）。称为星钟数据事件（IODC）的10位数字包含在子帧1中，它唯一地标识当前的一组导航数据。用户设备可以监控IODC字段，检测导航数据的变化。当前的IODC与过去7天使用的IODC不同。子帧1还包括群延迟校正Tgd、用户测距精度（URA）指示符、SV健康指示符、L2码指示符和L2 P数据标志。单频（单L1或L2）用户需要Tgd，因为时钟校正参数指的是L1和L2上的P(Y)码的时序，对使用双频线性组合的用户而言，它是透明的，L1/L2 P(Y)码测量可以减小电离层误差（见10.2.4.1节和10.2.7.1节）。URA指标向用户提供由卫星和CS错误导致的卫星1σ测距误差的估计值（且只完全适用于L1/L2 P码用户）。卫星健康指示符是一个6位字段，它指示卫星是否正常运行，或者指示信号或导航数据的组件是否出错。L2码指示符字段指示P(Y)码或C/A码在L2上是否是活动的。最后，L2 P数据标志指示导航数据是否正被调制到L2 P(Y)码上。

子帧2和3包含密切开普勒轨道元素，它们允许用户设备精确确定卫星的位置。

子帧2还包含一个拟合间隔标志和一个龄期数据偏移（AODO）项。拟合间隔标志指示轨道元素是基于标称的4小时曲线拟合（对应于上述2小时标称数据传输间隔）还是基于更长间隔的曲线拟合。自1995年以来，AODO术语就提供GPS导航数据中包含的导航信息修正表（NMCT）元素的龄期指示[88]。子帧2和3中都包含星历数据事件（IODE）字段。IODE由IODC的8个最低有效位（LSB）组成，并且可被用户设备用来检测广播轨道元素的变化。

子帧4的第2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10页和子帧5的1～24页包含卫星1～32（见文献[29]中的表20-VI）的历书数据（允许用户设备确定其他卫星的近似位置以帮助获取的粗略轨道元素）。子帧4的第13页包含NMCT测距校正。子帧4的第18页包含单频用户（见10.2.4.1节）的电离层校正参数，以便用户设备可将UTC与GPS系统时关联起来（见3.5.2.2节）。子帧4和5的第25页提供卫星1～32的配置和健康标志。子帧4和5的其余页中的数据载荷当前为军事用途预留。历史上，这些预留子帧中的数据在未激活时全部为零，但在为重要的军事用途激活后，数据会被加密且不为零。为重要的军事目的激活这些预留的子帧后，L1 C/A信号上的整个传统导航电文的公用性就会导致代价高昂的CS中断，这是因为有些SPS接收机的设计者会创建一个依赖于这些子帧中的无数据区间的接收机而忽略预留警告。

3.7.2　现代化信号

如图3.40所示，现代化信号包含三个新民用信号、一个L2民用（L2C）信号[29, 89]、一个频率为1176.45MHz（115f0）的信号（称为L5）[90, 91]及L1处的一个额外的信号（称为L1C）[92]。现代化的军事信号（称为M码）也加在L1和L2上[93]。L2C和M码信号首先在Block IIR-M卫星上与传统GPS信号一起实现，因此不包含L5。第一颗Block IIR-M卫星于2005年发射。Block IIR-M卫星是Block IIR卫星的第一个现代化版本，它继续支持传统的GPS信号。L5的现代化民用信号通常称为生命安全信号，它首次包含在IIF卫星上。第一颗Block IIF卫星于2010年发射。Block IIF卫星是Block II系列中的最后一颗卫星，旨在提供现代化信号，直到GPS III卫星（目前计划于2018年发射）出现。现代化的L1民用信号（L1C）将由GPS III和后续卫星提供。

传统CS不为现代化信号提供全面的监控、控制和导航数据。它要么被更新，要么由开始运行的现代化CS OCX Block 2（截至本书这一版，它尚未运行）代替。与所有现代化的GPS信号一样，L1C信号提供一种改善载波跟踪的导频（无数据）组件。相对于C/A信号，L1C信号具有更强的鲁棒性和准确性，且能够改善与其他卫星导航系统在相同载波频率下传输信号的互操作性。

3.7.2.1　L2C信号

如图3.40所示，L2民用（L2C）信号使用与C/A信号相同的BPSK-R(1)扩频调制。然而，在许多其他方面，L2C信号与C/A信号非常不同。首先，L2C对每个信号使用两个不同的PRN码。第一个PRN码称为中度民用（CM）码，因为它采用每10230个码片就重复一次的PRN码，因此被人们视为中等长度的民用码。第二个扩展码是长民用（CL）码，它是长达767250个码片的民用码。在图3.41中，生成了这两个扩频码，每个扩频码的码率都是511.5kchip/s，并且按照如下方式生成整个L2C信号。首先，在用1/2的前向纠错（FEC）码率将导航数据编码为50波特流之后，25bps导航数据流调制CM码。25bps的数据速率是C/A码和P(Y)码信号上导航数据速率的一半，它可让L2C信号上的数据在复杂环境下解调（如在室内或浓密的树荫下），在这类环境下不能使用50bps的数据。接着，逐个码片地复用CM码和CL码，形成基带L2C信号。L2C信号BPSK-R(1)扩频调制所需的总码片速率为2×511.5kchip/s=1.023Mchip/s。L2C和C/A码信号功率谱之间存在一些重要差异；然而，由于CM和CL都要比长度为1023的C/A码长得多，所以L2C功率谱中的线间隔频率更接近，并且功率远低于C/A码中的功率谱。如第9章中所述，L2C功率谱中较低的线在窄带干扰情况下，鲁棒性会大大提高。

CM和CL码使用图3.42中相同的27级线性反馈移位寄存器生成。图中使用了缩写符号。图中每块中出现的数字表示反馈抽头之间的级数（每级保持1位）。不同卫星的CM码和CL码由寄存器的不同初始值生成。CM每10230个码片就复位寄存器一次，CL每767250个码片就复位寄存器一次。对于CL码的每次重复，CM码重复75次。在码片速率为511.5kchip/s时，CM码的周期为20ms[一个P(Y)码数据位周期]，CL码的周期为1.5s（一个X1历元或Z计数）。

将25bps L2C导航数据编码为50波特流的码率1/2约束长度7 FEC方案如图3.43所示。

IIR-M和IIF卫星广播信号规定的最小接收L2C信号功率电平为-160dBW，GPS III卫星的是-158.5dBW[29]。

3.7.2.2　L5信号

GPS L5信号的生成如图3.44所示。使用四象限相移键控（QPSK）组合一个同相信号分量（I5）和一个四象限信号分量（Q5）。对I5和Q5使用不同的PRN码，每个码的长度都为10230位。I5由50bps的导航数据调制，用与L2C相同的卷积编码添加FEC后，得到整个符号率为100波特。对I5和Q5 PRN码都采用10.23MHz的码片速率，进而生成一个1ms的码重复周期。

Neuman-Hofman（NH）同步码[94]以1kHz的速率对I5和Q5进行调制。对于I5，10位NH码0000110101在10ms区间内生成并重复。对于Q5，使用20位NH码00000100110101001110。每隔1ms，就将当前的NH码位模2加到PRN码片上。例如，在I5上，PRN码在每个10ms区间上重复10次。在这个区间内，对1到4、7和9次重复（I5 NH码0000110101中的各个0位），正常（垂直）生成PRN码，而对5、6、8和10次重复（对应于I5 NH码中的设置位），情形正好相反。I5 NH码的开始与由FEC编码生成的每个10ms数据符号的开始对齐。Q5 NH码与20ms数据位同步。

I5和Q5 PRN码是用图3.45所示的逻辑电路生成的，该逻辑电路围绕三个13位线性反馈移位寄存器构建。每隔1ms，XA编码器就被初始化为全1。同时，XBI和XBQ编码器被初始化为文献[91]中指定的不同值，生成I5和Q5 PRN码。表3.17中列出了L5最小接收功率电平。

3.7.2.3　M码信号

现代化军用信号（M码）是专为军事用途设计的，旨在成为军事用途的主要信号。在用现代化的卫星取代GPS星座的过渡期间，军用用户设备已在YMCA接收机中结合了P(Y)码、M码和C/A码操作。M码的主要军事优势是提高了安全性，加上与民用信号的频谱隔离，减少了对提高抗干扰性的高功率M码模式的干扰。其他优势包括增强的跟踪和数据解调性能、可靠的捕获及与C/A码和P(Y)码的兼容性。它在现有的GPS L1（1575.42MHz）和L2（1227.60MHz）频带内实现了这些目标。

为了完成图3.40所示的频谱分离，M码采用二进制偏移载波（BOC）调制。具体地说，M码使用BOC(10, 5)扩频调制。第一个参数表示底层方波副载波的基本频率，即10×1.023MHz；第二个参数表示底层M码生成器的码片速率，即5×1.023Mcps/s。图3.46描述了M码生成器的高层框图。它说明底层5.115Mcps M码生成器的10.23MHz BOC方波调制生成了图3.40所示的分离频谱信号。

3.7.2.4　L1C信号

与其他GPS信号相比，文献[32, 92, 95]中描述的L1C信号有着非常不同的特性。虽然它包含像其他现代化GPS信号一样的导频和数据分量，但75%的信号功率分配给了导频分量，只有25%的信号功率分配给了数据分量，而其他现代化GPS信号采用的是50%/50%的功率分配模式。此外，是使用CDMA同相地添加这两个分量的，而其他现代化GPS信号则是使用时分或相位正交分频添加这两个分量的。此外，导频分量和数据分量使用不同的扩频调制，并且选择导频分量的扩频调制来增强跟踪性能。最后，数据电文的前向纠错编码使用现代化的强大编码方法、低密度奇偶校验（LDPC）编码和块交织，而不像其他现代化GPS信号使用较弱的卷积编码。

L1C信号的两个分量与C/A信号和L1P(Y)信号同相位调制到同一个L1载波上，并且与C/A信号同相正交。L1C和L1M信号之间没有具体的相位关系。

BOC(1, 1)扩频调制用于数据分量。时分复用的BOC（TMBOC）扩频调制用于导频分量，10230个扩频符号由310个重复的33个扩频符号的特定模式组成。33个扩频展符号中的每个在第一、第五、第七和第三十个位置有4个BOC(6, 1)符号，而在其他29个位置为BOC(1, 1)符号。图3.47[95]说明了两个分量中扩频符号的这种配置，包括提供分量之间功率不均匀分配所需的相对幅度。

假设理想的长扩频码不提供额外的结构，每个L1C分量的功率谱密度和自相关函数如图3.48和图3.49所示。对于理想的长扩频码，数据分量的归一化（单位功率）功率谱密度为

而对于导频分量，相应的功率谱密度是

假设是理想的长扩频码，那么L1C信号的归一化功率谱密度为

如文献[95]中所述，使用修改后的Weil序列来生成L1C分量的扩频码。如文献[92]中所述，这些基于Weil的码是由长为10223位的勒让德序列生成的，后者可以使用简单的算法生成，或者永久保存，如图3.50所示[92, 95]。10223位Weil序列由勒让德序列和循环移位的勒让德序列异或构成。然后，插入一个7位扩展序列，生成一个10230位扩频码。在构造Weil序列时选择循环移位的数量和扩展的插入点，会得到不同的扩频码。

3.7.3.3节中描述的L1C数据电文以100个符号/s的速率调制到信号上，这意味着每个符号的持续时间为10ms，每个数据电文的持续时间是18s或1800个符号。由于扩频码的持续时间与数据符号的持续时间相同，因此与L5信号不同，不需要数据分量上的覆盖代码。但是，如文献[92]中所述，在导频上以100bps的速率使用1800位长的覆盖码，可使覆盖码的持续时间为18s。因此，当接收机与扩频码对齐时，它也与数据电文符号对齐。另外，当接收机与覆盖码对齐时，它会与数据电文对齐。

如文献[33]所述，每个信号的L1C覆盖码都不相同。文献[92]中定义了足以容纳210个信号的扩频码和覆盖码族，需要时，这些码族可与其他卫星导航系统共享，因为GPS预计不需要超过63个码族。前63个L1C覆盖码是用11级移位寄存器生成的不同m序列的片断。其余的覆盖码是用两个11级移位寄存器组合生成的Gold码。图3.51[95]中显示了这两个寄存器。系数mk对每个PRN都不相同，因此会生成不同的多项式，并且文献[92]中给出了每个寄存器的初始值。

3.7.3　民用导航（CNAV）和CNAV-2导航数据

用于L2C、L5和L1C的所有现代化数据电文，在几个重要方面是与LNAV不同的：

• 它们被调制到与主要用于跟踪的导频分量不同的信号数据分量上。

• 它们使用灵活的数据电文，其中包含不同信息的不同电文类型可按不同顺序传输，而不采用LNAV所用的固定电文结构。

• 它们使用前向纠错控制，不仅可以检测接收机处理中发生的某些错误，而且可以纠正错误，进而解释数据电文。

• 它们使用更强大的技术，允许接收机以极高的概率检测读取数据电文位时的随机错误。

• 它们使用更高精度的卫星星历。

3.7.3.1　L2C CNAV导航数据

3.3.3节和文献[29]中的附录III描述了L2C的CNAV导航数据。受限于控制段的能力，Block IIR-M/IIF、GPS III和未来的SV在L2 CM码中提供连续的L2C和CNAV导航数据。像在C/A和P(Y)信号上使用的LNAV数据电文一样，每颗卫星的L2C CNAV电文提供计算该卫星精确位置所需的信息，以及该L2C信号的传输时间。该数据还包括一组可用的辅助信息（例如，帮助接收机获取新卫星信号、将GPS系统时转换为UTC、校正影响距离测量的多个误差）。本节概述L2C CNAV电文的主要功能。完整的描述请参阅文献[29]。

每条L2C CNAV导航电文都由300位组成，持续时间为12s，数据速率为25bps。如图3.52所示[29, 95]，每条电文都以一个8位前导码开始，随后是发送卫星的一个6位PRN号、一个6位电文类型、一个17位电文周时间（TOW）计数，以及一个1位警报标志，这个标志指示信号精度何时可能要比其他电文中指示的差。电文的前38位之后是238位有效电文位，随后是覆盖电文内容的24位CRC。整个电文内容使用半速率约束长度七卷积码编码，每秒生成50个符号。电文是独立于电文边界连续编码的。因此，在每条新电文的开始，编码寄存器中包含前一电文的最后6位。

如文献[29]中定义的那样，不同的电文类型使用不同的结构和载荷内容。表3.18中列出了当前定义的电文类型。CS指出不同的电文类型在一定的限制条件下以不同的顺序传输。包含时钟校正和星历的电文至少每隔48s广播一次。当整个星座传输一个功能齐全的L2C控制段时，至少每隔20分钟广播一次缩短的年历，至少每隔2小时播放一次完整的星历。其他卫星导航系统的时间偏移将每隔288s广播一次，或者广播得更频繁。

3.7.3.2　L5 CNAV导航数据

3.3.3节和文献[91]的附录II中描述了L5的CNAV导航数据。Block IIF、GPS III和未来的卫星在L5信号的I5分量上提供连续的L5和CNAV导航数据，L5 Q5是一个导频分量。根据控制段的能力，Block IIF、GPS III和未来的卫星提供连续的L5和CNAV导航数据。L5数据电文在很多方面与L2C信号类似。本节概述L5 CNAV电文的主要功能。更完整的描述请参阅文献[91]。

每条L5 CNAV导航电文都由300位组成，持续时间为6s，数据速率为50bps。电文结构与L2C CNAV的电文结构相同，如图3.52所示。整个电文内容使用半速率约束长度七卷积码编码，每秒生成100个符号。像L2C CNAV一样，L5 CNAV电文是独立于电文边界连续编码的，因此在每条新电文开始时，编码寄存器中包含前一条消息的最后6位。

如文献[91]中定义的那样，不同的电文类型具有不同的结构和载荷内容。表3.19中列出了当前定义的电文类型。CS指示不同的电文类型在一定的限制条件下以不同的顺序传输。包含时钟校正和星历的电文至少每隔24s广播一次。当整个星座发射具有全功能控制段的L5时，简化年历至少每隔10分钟广播一次，完整的历书至少每隔1小时广播一次。其他卫星导航系统的时间偏移每隔144s广播一次，或者更频繁地广播。

3.7.3.3　L2C CNAV-2导航数据

文献[92]的3.2.3.1节中描述了L1C的电文结构，同一参考文献的3.5节描述了L1C的CNAV-2导航数据。受限于控制段的能力，GPS III和未来的SV将为CNAV-2导航数据提供连续的L1C。像先前描述的所有数据电文一样，每颗卫星的L1C CNAV-2电文都提供计算卫星精确位置所需的信息，以及L1C信号的传输时间。该数据还包括一组重要的辅助信息，可用于辅助接收机获取新卫星信号、将GPS系统时转换为UTC，以及纠正影响距离测量的一些误差。本节概述L1C CNAV-2电文的主要功能。更完整的描述请参阅文献[92]。

与其他CNAV电文一样，它是一种灵活的数据电文，但L1C CNAV-2电文结构完全不同于其他GPS信号。每条L1C CNAV导航电文都由900位构成，持续时间为18s，数据速率为50bps。由于数据电文与导频分量上的覆盖码对齐，所以接收机不需要前导码来识别电文的开始。

如图3.53所示[95]，每条CNAV-2电文都包含三个子帧，每个子帧分别编码。子帧1是在电文的开始（前沿）表示系统时的时间间隔（TOI）。这9位用Bose、Chaudhuri和Hocquenghem（BCH）码编码为54个符号，TOI表示自当前时间间隔开始以来出现的18s电文的数量。子帧2包含时钟校正和星历，以及表示周间隔时间（ITOW）的8位，它们全部受CRC保护。ITOW表示自GPS周开始以来2小时的间隔数量。子帧2的600位用半速率低密度奇偶校验（LDPC）码编码为1200个符号。电文序列中的子帧3使用250位页面内的所有其他数据电文信息，受CRC保护。子帧3的274位用半速率LDPC码编码为574个符号。子帧2和3的编码符号在调制到L1C的数据分量之前被块交织。

由于子帧的2位被分开编码，所以符号仅在子帧的2位改变时改变，通常每隔2小时改变一次。位不变时，接收机可以使用数据符号组合，详见文献[95]中的说明。如果接收机在解码子帧2后检测到未纠正的错误，那么它可以连贯地添加来自下一个子帧2的软判决，增大信噪比，进而增大所得组合码元可被成功解码而没有未纠正错误的概率。然而，子帧3数据通常随每条电文改变，因此数据符号组合不能用于子帧3的数据。

由于所有SV都有相同的TOI，因此只需从一个信号中读取。接收机可以为此选择具有最高接收功率的信号，或者可以使用跨电文的数据符号组合来提高性能。

子帧3中的不同页具有不同的载荷结构和内容，详见文献[92]。表3.20中列出了当前定义的电文类型。控制段可以指示不同的页面按不同的顺序传输。