文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(hào)衛(wèi)星B2b信號(hào)解析[J].電子技術(shù)應(yīng)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.
0 引言
北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(BDS)是中國(guó)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(guó)際搜救(Search And Rescue，SAR)三種國(guó)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(guò)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(guò)SAR-B2b信號(hào)提供國(guó)際搜救服務(wù),。2019年12月27日，中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室公開(kāi)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L(zhǎng)6D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(guò)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(lèi)型和實(shí)際定位結(jié)果,。由于B2b接口控制文件只公開(kāi)了I支路信息,，并未公開(kāi)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(zhǎng)10 230，由兩個(gè)13級(jí)線性反饋移位寄存器通過(guò)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(zhǎng)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(guò)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(lèi)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(lèi)型為10,、30和40，各信息類(lèi)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(kāi)始計(jì)數(shù)，在每周的結(jié)束時(shí)刻被重置為零,。
信息類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(kāi)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(lèi)型40主要包含歷書(shū)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(shū)和簡(jiǎn)約歷書(shū)分別包含14個(gè)和6個(gè)參數(shù),，中間是歷書(shū)參考時(shí)刻周計(jì)數(shù)(WNa)和歷書(shū)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(lèi)型是1-7，信息類(lèi)型8-62為預(yù)留信息,，信息類(lèi)型63為空信息,，當(dāng)沒(méi)有可用信息時(shí)，系統(tǒng)播發(fā)該類(lèi)型填充空白時(shí)段,。
信息類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(guò)5 bit的子類(lèi)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(lèi)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(guò)3 bit的子類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)型2、4結(jié)合使用,。
信息類(lèi)型7組合播發(fā)鐘差改正和軌道改正數(shù),，與信息類(lèi)型6不同的是，每組改正信息與衛(wèi)星通過(guò)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(guó)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(lèi)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(lèi)型10、30和40,，其中信息類(lèi)型10和30交替播發(fā),，信息類(lèi)型40每60 s播發(fā)一次。這意味著B(niǎo)2b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(guò)解析，該衛(wèi)星目前播發(fā)的PPP-B2b信息類(lèi)型包括1、2,、3,、4、5和63,。當(dāng)前信息類(lèi)型63的播發(fā)頻率最高,，其次是信息類(lèi)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(zhǎng)時(shí)間的相干累加來(lái)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(méi)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(zhǎng)10 230。電文速率假設(shè)為1 000 sps,，解析出來(lái)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(guò)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)科學(xué)院微電子研究所，北京100029,；
2．中國(guó)科學(xué)院大學(xué),，北京100049；3．中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航工程中心,，北京100094)