0 引言

    北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(BDS)是中國自主建設(shè)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具備導(dǎo)航定位和通信數(shù)傳兩大功能，提供定位導(dǎo)航授時(shí)(Radio Navigation Satellite Service，RNSS)、全球短報(bào)文通信(Global Short Message Communication，GSMC)和國際搜救(Search And Rescue，SAR)三種國際服務(wù)和星基增強(qiáng)(Satellite-Based Augmentation System，SBAS)、地基增強(qiáng)(Ground Augmentation System，GAS)、精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning，PPP)及區(qū)域短報(bào)文通信(Regional Short Message Communication，RSMC)四種區(qū)域性服務(wù)^[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(hào)衛(wèi)星，預(yù)計(jì)2020年上半年再發(fā)射2顆GEO衛(wèi)星，完成北斗系統(tǒng)建設(shè)^[2]。

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

    目前還有其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供精密單點(diǎn)定位服務(wù)，如表1所示。日本的QZSS L6信號(hào)分為L6D和L6E，L6D主要服務(wù)于日本本土，提供厘米級(jí)增強(qiáng)服務(wù)(Centimeter Level Augmentation Service，CLAS)；L6E信號(hào)通過Block II衛(wèi)星播發(fā)，用于廣域厘米級(jí)增強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，作用范圍為QZSS衛(wèi)星覆蓋區(qū)域。目前CLAS服務(wù)支持GPS、QZSS和Galileo系統(tǒng)^[5-6]。Galileo系統(tǒng)的E6B信號(hào)也提供PPP服務(wù)，文獻(xiàn)[7]描述了E6B/C信號(hào)的接收機(jī)的設(shè)計(jì)方案。E6B信號(hào)在MEO衛(wèi)星播發(fā)，可以為全球用戶提供PPP服務(wù)。

    本文參考最新的B2b信號(hào)接口控制文件^[3-4]，介紹了基礎(chǔ)導(dǎo)航信號(hào)B2b和提供糾正信息的PPP-B2b信號(hào)結(jié)構(gòu)和電文內(nèi)容，根據(jù)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的GNSS接收機(jī)對(duì)實(shí)際接收到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行了分析，分析了B2b信號(hào)播發(fā)的信息類型和實(shí)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(duì)B2b Q支路的信號(hào)進(jìn)行了分析。 

1 B2b信號(hào)介紹

    北斗三號(hào)衛(wèi)星B2b信號(hào)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(hào)提供基本導(dǎo)航服務(wù)，在GEO軌道衛(wèi)星上播發(fā)的信號(hào)稱為PPP-B2b，提供PPP服務(wù)，下面將分別介紹。

1.1 基本導(dǎo)航信號(hào)B2b

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

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

    每幀電文長1 000符號(hào)，播發(fā)周期為1 s，包括同步頭(1110 1011 1001 0000)、PRN編號(hào)、保留位和通過六十四進(jìn)制低密度奇偶校驗(yàn)(Low Density Parity Check，LDPC(162，81))編碼得到的電文符號(hào)。糾錯(cuò)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(jì)數(shù)(Seconds of Week，SOW)、436 bit的電文數(shù)據(jù)和24 bit的CRC校驗(yàn)，前462 bit均參與循環(huán)冗余校驗(yàn)計(jì)算。當(dāng)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(duì)應(yīng)該幀的起始時(shí)刻，在北斗時(shí)每周日00時(shí)00分00秒從零開始計(jì)數(shù)，在每周的結(jié)束時(shí)刻被重置為零。

    信息類型10包含星歷信息，由18個(gè)星歷參數(shù)和1個(gè)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(gè)標(biāo)識(shí)位，依次是電文完好性標(biāo)識(shí)(DIF)、信號(hào)完好性標(biāo)識(shí)(SIF)和空間信號(hào)監(jiān)測(cè)精度(SISMA)有效標(biāo)識(shí)(AIF)，數(shù)值為0時(shí)表示完好。SISMA是空間信號(hào)精度估計(jì)誤差的零均值高斯分布方差。

    信息類型30包含整周計(jì)數(shù)(Week Number，WN)，從北斗時(shí)的起始?xì)v元(2006年1月1日00時(shí)00分00秒U(xiǎn)TC)開始從零計(jì)數(shù)，后面依次是鐘差參數(shù)、B2b信號(hào)I支路時(shí)延差(TGDB2bI)、電離層參數(shù)、北斗時(shí)(BDT)與協(xié)調(diào)世界時(shí)(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(biāo)識(shí)，數(shù)值為0時(shí)表示該顆衛(wèi)星提供服務(wù)。

    信息類型40主要包含歷書信息，BDT-GNSS 時(shí)間同步(BGTO)參數(shù)用于計(jì)算BDT與其他GNSS系統(tǒng)時(shí)之間的時(shí)間偏差，中等精度歷書和簡(jiǎn)約歷書分別包含14個(gè)和6個(gè)參數(shù)，中間是歷書參考時(shí)刻周計(jì)數(shù)(WNa)和歷書參考時(shí)刻(toa)。

1.2 PPP-B2b信號(hào)

    PPP-B2b信號(hào)包括I支路和Q支路分量，北斗三號(hào)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(hào)速率為1 000 sps，測(cè)距碼特性與B2b信號(hào)相同。PPP-B2b信號(hào)可對(duì)BDS、GPS、Galileo和Glonass四大系統(tǒng)提供PPP服務(wù)?；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(yù)留的6個(gè)符號(hào)用于標(biāo)識(shí)PPP服務(wù)的狀態(tài)，最高位為0時(shí)表示該星PPP服務(wù)可用，其他符號(hào)位含義預(yù)留。當(dāng)前有定義的信息類型是1-7，信息類型8-62為預(yù)留信息，信息類型63為空信息，當(dāng)沒有可用信息時(shí)，系統(tǒng)播發(fā)該類型填充空白時(shí)段。

    信息類型1播發(fā)衛(wèi)星掩碼信息，包括255 bit標(biāo)識(shí)位置，每比特代表一顆衛(wèi)星，數(shù)值為1時(shí)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(yù)置為0。

    信息類型2播發(fā)軌道改正參數(shù)和用戶測(cè)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(gè)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(hào)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(hào)(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(hào)，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(duì)播發(fā)差分信息的衛(wèi)星進(jìn)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(hào)，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(duì)應(yīng)衛(wèi)星數(shù)量(0~22)和軌道改正數(shù)對(duì)應(yīng)衛(wèi)星數(shù)量(0~6)，同時(shí)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(hào)，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(duì)應(yīng)。

2 衛(wèi)星信號(hào)測(cè)試

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

2.1 載噪比

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

2.2 消息類型

    根據(jù)上文總結(jié)的信息結(jié)構(gòu)對(duì)接收的衛(wèi)星B2b信號(hào)電文進(jìn)行解析，當(dāng)前B2b信號(hào)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(jī)的冷啟動(dòng)首次定位時(shí)間(Time To First Fix，TTFF)可以大幅度縮短，因?yàn)橐话銉H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(hào)衛(wèi)星播發(fā)該信號(hào)。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(dāng)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(jìn)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(biāo)表示定位結(jié)果數(shù)量，縱坐標(biāo)為該方向定位誤差，三個(gè)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(hào)I支路的信息速率達(dá)到1 000 sps，難以使用長時(shí)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(dú)使用B2b信號(hào)的定位精度一般會(huì)比單獨(dú)使用B2a或B3I信號(hào)的定位精度差。但其優(yōu)勢(shì)在于可以快速收齊星歷和星鐘信息。

2.4 Q支路情況

    當(dāng)前接口控制文件中并沒有關(guān)于Q支路的內(nèi)容，本文按照B2a的Q支路擴(kuò)頻碼生成方式生成對(duì)應(yīng)的B2b Q支路擴(kuò)頻碼，且碼初相也采用B2a的Q支路擴(kuò)頻碼碼初相。即B2b的Q支路擴(kuò)頻碼周期為1 ms，碼長10 230。電文速率假設(shè)為1 000 sps，解析出來的B2b的Q支路信號(hào)的載噪比情況如表3所示，與I支路的載噪比很接近。同時(shí)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(hào)Q支路在正式提供服務(wù)時(shí)，一般不會(huì)直接使用B2a信號(hào)Q支路的擴(kuò)頻碼，當(dāng)前階段B2b信號(hào)Q支路還處于測(cè)試狀態(tài)。

3 結(jié)論

    本文對(duì)北斗三代衛(wèi)星信號(hào)中的B2b信號(hào)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，包括IGSO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星播發(fā)的基本導(dǎo)航信號(hào)B2b以及GEO衛(wèi)星播發(fā)的提供精密單點(diǎn)定位服務(wù)的PPP-B2b信號(hào)。通過自主研發(fā)的接收機(jī)對(duì)天空中的衛(wèi)星B2b信號(hào)進(jìn)行捕獲跟蹤，解析了B2b信號(hào)播發(fā)消息并且進(jìn)行了定位結(jié)果分析，最后嘗試對(duì)B2b信號(hào)的Q支路進(jìn)行了解析。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)體系(1.0版)[Z].2019.

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

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

[4] 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件PPP-B2b(測(cè)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(xué)院微電子研究所，北京100029；

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