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.
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,。
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信號結構和電文內容,，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,，基本幀結構如圖1所示,。
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),，在每周的結束時刻被重置為零。
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構如圖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,，結果如表2所示,。
2.2 消息類型
根據(jù)上文總結的信息結構對接收的衛(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,。
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),。
3 結論
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果分析,，最后嘗試對B2b信號的Q支路進行了解析。
參考文獻
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[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)