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北斗三號衛(wèi)星B2b信號解析
2020年電子技術應用第3期
何旭蕾1，2，劉 成3，陳 穎3，巴曉輝1，2，陳 杰1
1．中國科學院微電子研究所，北京100029； 2．中國科學院大學，北京100049；3．中國衛(wèi)星導航工程中心，北京100094
摘要： 隨著北斗三號衛(wèi)星建設即將完成，北斗服務平穩(wěn)過渡為由北斗三號系統(tǒng)為主提供。2019年12月27日B2b信號接口文件公布，公開了兩種B2b信號，提供基礎導航服務的B2b信號和提供精密單點定位服務的PPP-B2b信號?；贐2b信號接口控制文件，介紹了B2b信號信息結(jié)構(gòu)、信息類型以及天空中衛(wèi)星信號解析結(jié)果，并給出了B2b信號的定位精度結(jié)果，對天空的PPP-B2b信息進行了解析。對B2b的Q支路信號也進行了探索。
中圖分類號： TN911.6；P228.4
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.209006
中文引用格式： 何旭蕾，劉成，陳穎，等. 北斗三號衛(wèi)星B2b信號解析[J].電子技術應用，2020，46(3)：1-4，13.
英文引用格式： He Xulei，Liu Cheng，Chen Ying，et al. Analysis of B2b signal of BDS III satellite[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(3)：1-4，13.
Analysis of B2b signal of BDS III satellite
He Xulei1，2，Liu Cheng3，Chen Ying3，Ba Xiaohui1，2，Chen Jie1
1.Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China； 2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3.China Satellite Navigation Office，Beijing 100094，China
Abstract： With the construction of BDS III satellite nearing completion, Beidou service will transition smoothly to be provided mainly by BDS III system. The B2b signal interface document was announced on December 27, 2019. B2b signals are divided into two types: B2b signal that provides basic navigation services and PPP-B2b signal that provides precise point positioning services. Based on the B2b signal interface control file, this paper introduces the B2b signal information structure, message type, and analysis results of satellite signals in the sky, and gives the positioning accuracy results of B2b signals. The PPP-B2b information in the sky is also analyzed. This article also explores the Q branch signal of B2b.
Key words : BDS III；B2b；PPP-B2b；information structure

0 引言

    北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)(BDS)是中國自主建設運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，具備導航定位和通信數(shù)傳兩大功能，提供定位導航授時(Radio Navigation Satellite Service，RNSS)、全球短報文通信(Global Short Message Communication，GSMC)和國際搜救(Search And Rescue，SAR)三種國際服務和星基增強(Satellite-Based Augmentation System，SBAS)、地基增強(Ground Augmentation System，GAS)、精密單點定位(Precise Point Positioning，PPP)及區(qū)域短報文通信(Regional Short Message Communication，RSMC)四種區(qū)域性服務[1]。截至2019年12月底，已成功發(fā)射了包括1顆地球靜止軌道衛(wèi)星(Geostationary Earth Orbit，GEO)、24顆中圓地球軌道衛(wèi)星(Medium Earth Orbit，MEO)和3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(Inclined Geosynchronous Orbit，IGSO)在內(nèi)的28顆北斗三號衛(wèi)星，預計2020年上半年再發(fā)射2顆GEO衛(wèi)星，完成北斗系統(tǒng)建設[2]。

    北斗三號系統(tǒng)的3顆GEO、3顆IGSO衛(wèi)星和24顆MEO衛(wèi)星播發(fā)的B1I和B3I信號提供RNSS服務；3顆IGSO和24顆MEO的B1C、B2a、B2b信號也提供RNSS服務；3顆GEO通過PPP-B2b信號提供精密單點定位服務；3顆IGSO和24顆MEO衛(wèi)星通過SAR-B2b信號提供國際搜救服務。2019年12月27日，中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室公開了用于RNSS服務的B2b信號[3]和用于精密單點定位服務的PPP-B2b信號[4]。

    目前還有其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供精密單點定位服務，如表1所示。日本的QZSS L6信號分為L6D和L6E，L6D主要服務于日本本土，提供厘米級增強服務(Centimeter Level Augmentation Service，CLAS)；L6E信號通過Block II衛(wèi)星播發(fā)，用于廣域厘米級增強的實驗驗證，作用范圍為QZSS衛(wèi)星覆蓋區(qū)域。目前CLAS服務支持GPS、QZSS和Galileo系統(tǒng)[5-6]。Galileo系統(tǒng)的E6B信號也提供PPP服務，文獻[7]描述了E6B/C信號的接收機的設計方案。E6B信號在MEO衛(wèi)星播發(fā)，可以為全球用戶提供PPP服務。

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    本文參考最新的B2b信號接口控制文件[3-4]，介紹了基礎導航信號B2b和提供糾正信息的PPP-B2b信號結(jié)構(gòu)和電文內(nèi)容，根據(jù)自主研發(fā)設計的GNSS接收機對實際接收到的衛(wèi)星信號進行了分析，分析了B2b信號播發(fā)的信息類型和實際定位結(jié)果。由于B2b接口控制文件只公開了I支路信息，并未公開Q支路信息，本文嘗試對B2b Q支路的信號進行了分析。 

1 B2b信號介紹

    北斗三號衛(wèi)星B2b信號的載波頻率為1 207.14 MHz，帶寬20.46 MHz。在MEO和IGSO軌道衛(wèi)星上播發(fā)的B2b信號提供基本導航服務，在GEO軌道衛(wèi)星上播發(fā)的信號稱為PPP-B2b，提供PPP服務，下面將分別介紹。

1.1 基本導航信號B2b

    目前的接口文件中只描述了B2b信號I支路的特性，采用BPSK(10)調(diào)制，符號速率為1 000 sps，測距碼速率為10.23 Mcps，碼長10 230，由兩個13級線性反饋移位寄存器通過移位及模二和生成的Gold碼擴展得到，寄存器的初始值在接口文件中給出。

    B2b信號I支路采用B-CNAV3電文格式，使用循環(huán)冗余校驗(Cyclic Redundancy Check，CRC)，具體實現(xiàn)方式為CRC-24Q，基本幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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    每幀電文長1 000符號，播發(fā)周期為1 s，包括同步頭(1110 1011 1001 0000)、PRN編號、保留位和通過六十四進制低密度奇偶校驗(Low Density Parity Check，LDPC(162，81))編碼得到的電文符號。糾錯編碼前的電文為486 bit，包括6 bit的信息類型、20 bit的周內(nèi)秒計數(shù)(Seconds of Week，SOW)、436 bit的電文數(shù)據(jù)和24 bit的CRC校驗，前462 bit均參與循環(huán)冗余校驗計算。當前有效的信息類型為10、30和40，各信息類型編排格式如圖2所示。SOW對應該幀的起始時刻，在北斗時每周日00時00分00秒從零開始計數(shù)，在每周的結(jié)束時刻被重置為零。

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    信息類型10包含星歷信息，由18個星歷參數(shù)和1個衛(wèi)星軌道類型參數(shù)(SatType)構(gòu)成，SatType的值分別代表了GEO(01)、IGSO(10)、MEO(11)衛(wèi)星。星歷后面是三個標識位，依次是電文完好性標識(DIF)、信號完好性標識(SIF)和空間信號監(jiān)測精度(SISMA)有效標識(AIF)，數(shù)值為0時表示完好。SISMA是空間信號精度估計誤差的零均值高斯分布方差。

    信息類型30包含整周計數(shù)(Week Number，WN)，從北斗時的起始歷元(2006年1月1日00時00分00秒UTC)開始從零計數(shù)，后面依次是鐘差參數(shù)、B2b信號I支路時延差(TGDB2bI)、電離層參數(shù)、北斗時(BDT)與協(xié)調(diào)世界時(UTC)同步參數(shù)(BDT-UTC(CMTC))、地球定向參數(shù)(EOP參數(shù))、衛(wèi)星軌道切向和法向精度(SISAoe)、衛(wèi)星軌道徑向和衛(wèi)星鐘差精度(SISAoc)以及衛(wèi)星健康狀態(tài)標識，數(shù)值為0時表示該顆衛(wèi)星提供服務。

    信息類型40主要包含歷書信息，BDT-GNSS 時間同步(BGTO)參數(shù)用于計算BDT與其他GNSS系統(tǒng)時之間的時間偏差，中等精度歷書和簡約歷書分別包含14個和6個參數(shù)，中間是歷書參考時刻周計數(shù)(WNa)和歷書參考時刻(toa)。

1.2 PPP-B2b信號

    PPP-B2b信號包括I支路和Q支路分量，北斗三號前三顆GEO衛(wèi)星僅播發(fā)I支路分量，同樣采用BPSK(10)調(diào)制，符號速率為1 000 sps，測距碼特性與B2b信號相同。PPP-B2b信號可對BDS、GPS、Galileo和Glonass四大系統(tǒng)提供PPP服務?；編Y(jié)構(gòu)如圖1所示，播發(fā)周期1 s，同步頭與B2b相同，預留的6個符號用于標識PPP服務的狀態(tài)，最高位為0時表示該星PPP服務可用，其他符號位含義預留。當前有定義的信息類型是1-7，信息類型8-62為預留信息，信息類型63為空信息，當沒有可用信息時，系統(tǒng)播發(fā)該類型填充空白時段。

    信息類型1播發(fā)衛(wèi)星掩碼信息，包括255 bit標識位置，每比特代表一顆衛(wèi)星，數(shù)值為1時代表播發(fā)該顆衛(wèi)星的差分信息。其中BDS系統(tǒng)有63 bit，GPS系統(tǒng)有37 bit，Galileo系統(tǒng)有37 bit，GLONASS系統(tǒng)有37 bit，有81 bit未被分配，預置為0。

    信息類型2播發(fā)軌道改正參數(shù)和用戶測距精度(User Range Accuracy，URA)，按照信息類型1的掩碼信息依次播發(fā)各衛(wèi)星的徑向、切向、法向糾正和URA，每條信息包含6個衛(wèi)星的糾正參數(shù)。

    信息類型3播發(fā)各顆衛(wèi)星各信號支路的碼間偏差改正數(shù)。

    信息類型4播發(fā)鐘差改正信息，包括改正數(shù)版本號(IOD Corr)和鐘差改正數(shù)C0。將所有信息類型1中掩碼為1的衛(wèi)星按順序分組，23顆衛(wèi)星為一組，最多12組(最后一組兩顆衛(wèi)星)，通過5 bit的子類型1(SubType1)解出組號，每幀信息依次播發(fā)該組23顆衛(wèi)星的鐘差改正值。

    信息類型5播發(fā)URA信息，同樣對播發(fā)差分信息的衛(wèi)星進行分組，70顆衛(wèi)星為一組，共4組(最后一組45顆衛(wèi)星)，通過3 bit的子類型2(SubType2)解出組號，每幀信息依次播發(fā)70顆衛(wèi)星的URAI值。

    信息類型6組合播發(fā)鐘差改正和軌道改正信息，包含信息與信息類型4、2相同，可以自定義鐘差改正數(shù)對應衛(wèi)星數(shù)量(0~22)和軌道改正數(shù)對應衛(wèi)星數(shù)量(0~6)，同時可以自定義播發(fā)該組衛(wèi)星差分信息的起始衛(wèi)星編號，可以與信息類型2、4結(jié)合使用。

    信息類型7組合播發(fā)鐘差改正和軌道改正數(shù)，與信息類型6不同的是，每組改正信息與衛(wèi)星通過Sat Slot對應。

2 衛(wèi)星信號測試

    利用自主研發(fā)的接收機在2019年12月30日對天空中的北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行分析，天線位于中國科學院微電子研究所科研樓的樓頂。

2.1 載噪比

    統(tǒng)計同一時間段各顆衛(wèi)星B2b、B1C、B1I、B2a和B3I載噪比情況，計算平均值，結(jié)果如表2所示。

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2.2 消息類型

    根據(jù)上文總結(jié)的信息結(jié)構(gòu)對接收的衛(wèi)星B2b信號電文進行解析，當前B2b信號發(fā)送信息類型10、30和40，其中信息類型10和30交替播發(fā)，信息類型40每60 s播發(fā)一次。這意味著B2b接收機的冷啟動首次定位時間(Time To First Fix，TTFF)可以大幅度縮短，因為一般僅需2 s就可以收齊星歷和星鐘參數(shù)。

    由于PPP-B2b只在GEO衛(wèi)星上播發(fā)，目前只有59號衛(wèi)星播發(fā)該信號。經(jīng)過解析，該衛(wèi)星目前播發(fā)的PPP-B2b信息類型包括1、2、3、4、5和63。當前信息類型63的播發(fā)頻率最高，其次是信息類型4，平均6 s播發(fā)一次。

2.3 定位結(jié)果

    利用B2b解析出的電文信息進行定位，參與定位的衛(wèi)星共有9顆，結(jié)果如圖3所示，依次為東(E)、北(N)、天頂(U)方向，橫坐標表示定位結(jié)果數(shù)量，縱坐標為該方向定位誤差，三個方向定位精度的RMS值依次為0.45 m、0.31 m和0.80 m。由于B2b信號I支路的信息速率達到1 000 sps，難以使用長時間的相干累加來提高環(huán)路的靈敏度和跟蹤精度，因此相同條件下，單獨使用B2b信號的定位精度一般會比單獨使用B2a或B3I信號的定位精度差。但其優(yōu)勢在于可以快速收齊星歷和星鐘信息。

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2.4 Q支路情況

    當前接口控制文件中并沒有關于Q支路的內(nèi)容，本文按照B2a的Q支路擴頻碼生成方式生成對應的B2b Q支路擴頻碼，且碼初相也采用B2a的Q支路擴頻碼碼初相。即B2b的Q支路擴頻碼周期為1 ms，碼長10 230。電文速率假設為1 000 sps，解析出來的B2b的Q支路信號的載噪比情況如表3所示，與I支路的載噪比很接近。同時B2b的Q支路解調(diào)出的電文信息能找到幀頭，幀頭也是0xEB90，每幀的周期是1 s。B2b信號Q支路在正式提供服務時，一般不會直接使用B2a信號Q支路的擴頻碼，當前階段B2b信號Q支路還處于測試狀態(tài)。

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3 結(jié)論

    本文對北斗三代衛(wèi)星信號中的B2b信號進行了詳細介紹，包括IGSO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星播發(fā)的基本導航信號B2b以及GEO衛(wèi)星播發(fā)的提供精密單點定位服務的PPP-B2b信號。通過自主研發(fā)的接收機對天空中的衛(wèi)星B2b信號進行捕獲跟蹤，解析了B2b信號播發(fā)消息并且進行了定位結(jié)果分析，最后嘗試對B2b信號的Q支路進行了解析。

參考文獻

[1] 中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應用服務體系(1.0版)[Z].2019.

[2] 中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展報告(4.0版)[Z].2019.

[3] 中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室.北斗系統(tǒng)空間信號接口控制文件B2b(測試版)[Z].2019.

[4] 中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室.北斗系統(tǒng)空間信號接口控制文件PPP-B2b(測試版)[Z].2019.

[5] The Cabinet Office，Government of Japan.Quasi-Zenith satellite system interface specification centimeter level augmentation service(IS-QZSS-L6-002)[DB/OL].(2019-12)[2020-02-10].https：//qzss.go.jp/en/technical/ps-is-qzss/is_qzss_l6_002_agree.html.

[6] Japan Aerospace Exploration Agency.Interface specification for MADOCA-SEAD[DB/OL].(2019-07)[2020-02-10].https：//ssl.tksc.jaxa.jp/madoca/public/doc/Interface_Specification_B_en.pdf.

[7] GOHLER E，KROL I，BODENBACH M，et al.A Galileo E6-B/C receiver：signals，prototype，tests and performance[C].ION GNSS+，2016.



作者信息:

何旭蕾1，2，劉  成3，陳  穎3，巴曉輝1，2，陳  杰1

(1．中國科學院微電子研究所，北京100029；

2．中國科學院大學，北京100049；3．中國衛(wèi)星導航工程中心，北京100094)

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