【聚焦】M码是什么码？

M码的历史

了解GPS历史的朋友可能会知道，GPS是由美国空军一个不受待见的部门--621B发展起来的。当时的空军是飞行员的空军，人们还沉浸在二战的地毯式轰炸中，没人对精确打击有概念。上世纪50年代末美国受苏联成功发射世界上第一颗卫星的刺激，成立了美国国防部高级研究计划局（DAPRA）。幸运的布拉德·帕金森上校搭上了DAPRA的快车，“被动测距、精确武器”的概念从他负责的621B部门直接影响到了国防部。别看现在GPS像空气和水一样存在于世界的各种应用场景中，在其前身621B项目时，帕金森想的最多的就是：“在同一个位置投放5枚炸弹”！小编心想，这就是一个百分百的武器系统啊！

     随着70、80年代GPS关键技术的成熟和验证，它的威力就不断显现，美军使用起来就越加慎重。小编不禁想揣测一下美军的态度。

★想法一、只能我用，不给他用。

确实，GPS成立之初，相关信号结构等均是保密，那怕是民用的相关信号等，也没有行政文件或者法律有明确的规定和保护。接下来发生的一件事带来了改变。83年，一架韩航007客机在从纽约飞往首尔的航程中因偏航进入苏联领空，被苏联战机击落，造成包括美国众议员麦克唐纳在内的近300人死亡。当时航班上只有一个跟地面联系的无线电，谁也没有注意到飞机偏航了。事发后，美国就开始调整政策，公布了GPS相关信号结构，并允诺对民用航空业开放相关民用信号。从此GPS的地位开始确立，民用系统也不用担心军方会收费或者任意变动技术参数。

    虽然是公开了，但也只是民用信号公开。对GPS技术了解的朋友可能知道，系统建立之初在L1（1575.42MHz）、L2（1227.6MHz）频点处设计了军、民两类信号，常见的就是民用的GPS L1 C/A码和军用的GPS L1 P码。

▲L1 C/A  L1 P的正交频谱图

熟悉的朋友可能知道，L1 C/A和L1 P共用一个载波和数据，只是调制的码有区别，其中C/A码短，P码长。由于P码周期太长，接收机在捕获时，要先捕获来C/A码，获得当前的时间和大致位置后，再来捕获P码。由于P码的信号结构本身也是公开的，为了实现专用和防欺骗等，设计上又在P码上增加了一个W-code的保密调制码，经过加密后的信号就是P(Y)码。实际中，GPS卫星上播放P码还是P(Y)码，就通过卫星上的一个反欺骗模块（anti-spoofing module，ASM）来控制。

虽然是有了P(Y)码，虽然W-code是保密的，但后来人们了解到 W-code的码速率差不多是P码速度的二十分之一，还是可以通过半无码的技术来跟踪P(Y)码。

忙活了大半天，美军想搞的一个专用的东西，也没有完全能够实现。这里埋下的心病，为后边GPS的不断改进和M码的出现提供源源不断的动力。

★想法二、只有我好用，他人不好用

按照GPS最初的设计，C/A码的精度只到100米，P码的精度可以到10米（60年代主流的LORAN导航系统的精度只有约500米），而实际上GPS核心技术验证后，实际的民用接收机的一测，精度可以在30米以内。美军这可被吓坏了，这岂不是便宜了敌人吗！

正是这时，选择性可用（Selective Availability ，SA）技术应运而生。GPS系统中有个很重要的要求就是时间一定要准确，卫星上的时间精度都是以纳秒计的，SA技术就是在时间上动了手脚，给卫星的时钟加了个偏差，从而给接收机的定位结果带了一个固定的水平10m，高程30m的误差。当然，这个时间偏差只有美军及其盟友的军用接收机能够消除。

说到这，小编不禁想跑题讲个笑话。90年代第一次海湾战争中，以美国为首的五十万联军中共有约7000台GPS接收机，但其中只有900台军用机，其他基本上都是Trimble的民用机。美军没有办法，只好忍痛割爱停用了SA。海湾战争一结束，美军立马又恢复了SA。当时，检测GPS的SA状态，一度成为判断美国是否要打仗的预警信号。

▲90年代柯林斯公司给美军配备的接收机PLGR( Precision Lightweight GPS Receiver)

90年代末期，在美国联邦航空管理局（FAA）的强烈要求和民用领域中差分修正技术的影响下，2000年美国终于宣布永久关闭SA。

虽然永久关闭了SA，美军又进一步提出了导航战（Navigation Warfare）的需求，摒弃了原来那种在全球范围降低使用精度的粗笨办法，而想在局域范围内强化自己的导航能力，弱化敌方的导航精度，并且不对民用相关信号产生影响等。

美军在上述想法和现实的驱动下，在GPS系统于1995宣布具备完全操作能力(FOC)后不到5年的时间内，就由GPS联合计划办公室（GPS Joint Program Office,JPO）组织成立了GPS现代化信号设计项目组（GPS Modernization Signal Design Team,GMSDT ），并提出了新一代的GPS M码计划。

以史为鉴,可以知兴替。如果小编讲清楚了这段历史，各位看官再来一起看看到底什么是M码。

M码怎么样？

    小编理解的，M码应该是GPS现代化的一个最重要产物。那么M码到底怎么样呢？小编先妄加总结如下：

1、专属性更强。

M码的军用性质更强主要体现在以下几个方面：

• （1）在频谱上和L1 C/A、L1 P等码进行了分离，在同一个频带内，不同信号的能量分布在不同位置，实现军用和民用的分开；

▲L1 C/A、L1 P、M码的频谱示意

• （2）采用更新一代的加密算法和密钥分发技术。这个技术新的小编现在也查不到什么材料。

2、可用性更好

• （1）M码支持卫星发射功率增加的模式，而且重要的是随便军用信号怎么玩，对民用信号不会产生影响（从此美军再也不担心老是被FAA、FCC等抱怨了！）

• （2）M码可以支持直接捕获。前文中说过，前期的军码P(Y)码还必须要先捕获民码C/A才行，而M码则支持直捕，或者是在非C/A码辅助工具下的直捕，比P(Y)码前进了一大步。

• （3）摒弃了原来导航电文数据中周期性重复的帧组装方式，采用了更加灵活可控的导航电文设计（military navigation date message,MANV）。

• （4）不占用其他频段资源。在GPS现代化进程讨论的早期，有人提出过在L波段再选择一个频段给军用信号专用。无奈L波段的频谱已经太拥挤了，资源太宝贵了。当年“光平方”事件中，Light Squared公司的通信用频率影响了GPS的正常工作，美国联邦通讯委员会(FCC)为保护GPS直接把Light Squared公司给废了。同样，想在拥挤的L波段再给GPS找专用频率，也基本上不太可能。

• （5）更小的伪码误差，更好的定位精度。这个就是M码中的BOC调制信号带来的好处。下节小编还会专门再讲到BOC调制。

• （6）兼容性：不影响已有信号，便于未来信号的扩充，同时便于卫星段和接收机段的实现。

     说了M码的这么多好处，到底采用了什么技术？其实在M码的设计中在信号调制、电文数据格式、信号捕获和加密方式上等都采用了众多新技术，上述M码的特点中有大致总结，但这里小编要重点说下M码中使用的BOC调制技术。

 BOC调制又是什么？

 如何能用一两句话把BOC调制说清楚，小编也没有这个能力。不过小编可以说的是，BOC调制绝对算的上是一个“天才”级的创意。为什么说是天才的想法，简单点说，BOC调制实现带内频谱的分裂，使的带内频谱的有限资源通过共享和复用的方式得到了最大化应用！

 具体来说，BOC调制是二进制偏移载波（Binary -Offset-Carrier）的简称，即在原有BPSK调制的基础上加上一个二进制副载波对BPSK信号进行二次扩频。是不是有一点晕？再通俗一点讲，BOC调制是一种频谱向中心频点两边分裂的扩频调制技术，在保证与早期信号共用载波中心频点的同时，避免了系统间的频谱干扰；并且信号能量向以载波频率为中心的上下边带分裂的频谱提高了导航信号的潜在码跟踪精度。

 小编查阅文献知道，BOC信号调制方式最早是由美国第二大军事智库---米特公司（MITRE）的顾问工程师Betz在98年左右提出的，并于99年在GPS现代化信号设计项目组的子项目中不断完善和验证。从此，BOC调制的应用一发不可收拾。“军用”用罢，“民用”用；“你方”用罢，“我方”用（当前主流的四大GNSS系统中都推出有相应BOC调制信号）；并且在原基础上，先后推出MBOC、AltBOC等改进技术以及导频与数据分离的新结构等，都进一步提升了导航信号的接收和测距性能。

说了这么多BOC调制信号，到底长什么样？如果要把M码中BOC调制信号的公式写出来，还比较复杂，特别是在手机屏幕上显示出来，估计大家都直接换台了。考虑到这些，小编还是上两个图吧。一个是M码中使用信号的频谱图，一个是信号的自相关函数图。

用专业的话语来说，M码中信号的频谱已经分裂和搬移，在原L1主载波频率两边±10.23MHz处产生两个频谱主瓣，每个主瓣包含相同的信息，大部分功率集中在主载波频率两侧；M 码自相关存在多峰值（共7 个），主相关峰较窄，具有高精度的测距、定位、跟踪能力和良好的多径分辨能力。

说到这里，小编看到谢钢博士在他的《全球导航卫星系统原理》一书中无不感性的说到:“一名不懂BOC调制技术的传统GPS专业人员根本不能算是现代化GNSS专业人员，而要掌握现代化GNSS知识就必须理解BOC调制技术。”

哦，BOC调制好重要啊！唉，小编在写这片文章之前，看来还不能算一个现代化的GNSS专业人员。

M码用的怎么样了？

 历史讲了这么多，小编掐指一算，从Betz大师提出了M码中BOC调制的概念算起，到今天差不多已经有20年了，那M码运转的如何呢？从小编了解的来看，很不如意！这可不是小编讲的，美国人都说M码的进程是“近乎疯狂”的延迟了，美国政府问责局都甚至几次扬言要废掉GPS现代化的一些项目。为什么会出现这种情况？小编觉得还是多种复杂因素导致的吧！

前文说了，M码的推进是GPS现代化进程的很重要环节。一个系统的现代化，肯定是对整个系统的逐步更新换代，具体来说，就涉及到天上的卫星，地上的用户终端和大头的地面运控系统了。

先说天上的卫星。虽然经过洛马和波音两家公司的努力，目前天上至少已经有7颗Block IIR-M 和12颗BlockIIF 可以播发相关M码信号，但遗憾的是都只具备实现M码的部分能力，只到万众瞩目的首颗GPS III卫星---维斯普西(Vespucci)，在历经多次延迟，终于于去年底发射后，天上才有了首颗能够支持M码全部能力的卫星。小编也一直在关注首颗GPSIII卫星，这颗星不仅是首次增加了L1C信号（L1C也是采用了BOC调制），更重要的是星上的载荷具备更强大的数字处理能力，可以更好的支持M码中的灵活的军用电文数据（MNAV）。目前，美国空军已经向洛马订购了10颗GPSIII，并且把未来22颗GPSIIIF的订单也交给了洛马公司。根据HARRIS公司消息，未来的GPSIIIF卫星上将会全部采用其全数字任务数据单元（fully-digital Mission Data Unit ，MDU)。该单元在信号的重构和灵活控制上将更具备更强大功能。

▲GPSIII卫星 

再说地面的用户端。做工程的同学应该时常会有感触：仿真上的好，不代表实现上的好；理论上的好，更不能代表工程上的好！小编觉得，这句话用在地面终端系统，用在在M码接收实现的工程中，应该比较应景。GPS接收机，军用也好，民用也罢，在做新信号设计时，至少都要考虑以下几个方面：兼容性、可测试性及功耗等。美军的军用接收机一般为实现抗干扰都会采用多阵元天线（controlled reception pattern antennas ，CRPAs）。M码相对于原有的P(Y)码把信号能量主要分布在带内的两端，跟原来信号能量都在带内中间的方式有很大区别，会导致天线的带宽、前端滤波器的带宽都要做适应性调整。另外，M码还增加了点波束模式。如何保证信号功率增强10-20dB时，不被CRPAs天线当做干扰，也将会是个问题！

     另外，接收机厂家在研发的时候都会遇到一个问题，做出来的接收机怎么测呢？小编在文末会提到，这里先不啰嗦了。另外，接收机在产品化过程中，特别是单兵类终端要考虑的一个问题就是功耗。M码本身的码速率不低，带宽相对更宽，而且采用了最高等级的加密算法。设想一下，接收机中为应对上述情况而采用的芯片在全速工作时，必将成为一个“电老虎”。这对于单兵用户可不是好事，毕竟在战场上可不好找插座。

▲雷神公司早期的可以兼容M码的抗干扰终端

 最后，再说地面运控系统（operational control system, OCX）。如果把GPS系统比作一个人，那么OCX系统绝对是这个人的大脑，系统的状态由它监测，所有的卫星由它控制等等。地面运控系统的进度如果慢了，M码想不慢也不行了。事实上，OCX系统不仅跳票不断，预算更是节节攀升；不仅招来美国国会的不断质疑，更使M码的推进一拖再拖。

▲GPS地面运控系统的分布

    另外，还有一点想说的是：M码进度这么慢，而BOC调制技术又这么好，当然会成为其他GNSS系统追赶的对象了。从GLONASS、Galileo到BDS，各大卫星导航系统都提出的自己的军用BOC调制信号方式。大家看看，仅当前的L1频段就已经精彩纷呈了！20年了，当大家纷纷追赶时，GPS的M码一直没有变化。也难怪有人说，时代在进步，M码却一直在踏步！

     说到这里，小编不禁脑洞大开：未来某个局域战场内，四大GNSS系统如果把L1频点的增强点波束都打开的话，将是一种什么奇幻的效果！（懂行的朋友们不妨仿真下试试，有什么结果，小编也想学习学习！）

 综合上所述，M码可不是一种简单的二维码，它是GPS现代化进程中提出的一整套军用解决方案，包括新信号的设计，新数据格式，新的卫星，新的接收机和新的地面段等。这颗“明珠”的打造，可是汇聚了多少人的辛勤劳动和血汗结晶啊！那么问题来了，如果各位看官想问，M码能不能仿真，如何测试呢？能！那就是XXXXXX（小编这里删除了10000字！）

     各位看官真以为小编能知道怎么测试M码！目前各方汇总的信息只有四个字：无可奉告。确实，要测试M码，模拟源少不了。从国外某公司宣传的资料来看，早期M码的仿真生成有AES（Advanced Encryption Standard）和SDS（Simulator Data Sets）两种，今年1月GPS主管部门又授权通过了他们的MNSA（Modernized Navstar Security Algorithm）模式。想了解这几种模式的情况吗？每年导航年会国外某公司都会参加，大家可以去问问，不过他们说不说，小编就不知道了。

      好了，铺垫了这么多，各位也看累了吧，小编就要直奔主（GUANG）题（GAO）了！5月22号，北京，第十届导航年会。湖南卫导和深圳通测、武汉柯泰组团参加，想了解最新的北斗仿真测试设备，整套的测试解决方案和案例的，您来北京找小编就对了。现场除了有全套测试设备的展示，更有相关新品发布，最重要的，还是礼品相送！小编在北京欢迎您！

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1、https://www.gpsworld.com/spirent-federal-developing-mnsa-capable-simulators/

2、https://www.gpsworld.com/spirent-federals-simmnsa-granted-security-approval-by-gps-directorate/

3、https://www.gpsworld.com/new-military-code-about-to-board-700-platforms/

4、The Offset Carrier Modulation for GPS Modernization，John W.Betz,the MITRE corporation.

5、Overview of the GPS M Code Signal,Capt. Brian C. Barker等.

6、Pinpoint: How GPS Is Changing Technology, Culture, and Our Minds.Greg Milner .

7、全球导航卫星系统原理，谢钢.

8、 https://en.wikipedia.org/wiki/GPS_signals

9、Analysis and Recommendation for Reuse of the L1 and L2 GPS Spectrum，DAVID J.LUCIA,JON M.ANDERSON

10、 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Global_Positioning_System 

11、http://en.wiki2.org/wiki/Bradford_Parkinson 

12、http://www.deagel.com/Space-Systems/GPS-Block-IIF_a000238004.aspx

13、http://ieee-aess.org/contact/john-w-betz

14、https://www.gpsworld.com/anti-jam-technology-demystifying-the-crpa/

15、https://www.gpsworld.com/harris-receives-gps-iii-follow-on-payload-contract/