北斗三号卫星B2b信号解析

0 引言

    北斗导航卫星系统(BDS)是中国自主建设运行的全球卫星导航系统，具备导航定位和通信数传两大功能，提供定位导航授时(Radio Navigation Satellite Service，RNSS)、全球短报文通信(Global Short Message Communication，GSMC)和国际搜救(Search And Rescue，SAR)三种国际服务和星基增强(Satellite-Based Augmentation System，SBAS)、地基增强(Ground Augmentation System，GAS)、精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)及区域短报文通信(Regional Short Message Communication，RSMC)四种区域性服务[1]。截至2019年12月底，已成功发射了包括1颗地球静止轨道卫星(Geostationary Earth Orbit，GEO)、24颗中圆地球轨道卫星(Medium Earth Orbit，MEO)和3颗倾斜地球同步轨道卫星(Inclined Geosynchronous Orbit，IGSO)在内的28颗北斗三号卫星，预计2020年上半年再发射2颗GEO卫星，完成北斗系统建设[2]。

    北斗三号系统的3颗GEO、3颗IGSO卫星和24颗MEO卫星播发的B1I和B3I信号提供RNSS服务；3颗IGSO和24颗MEO的B1C、B2a、B2b信号也提供RNSS服务；3颗GEO通过PPP-B2b信号提供精密单点定位服务；3颗IGSO和24颗MEO卫星通过SAR-B2b信号提供国际搜救服务。2019年12月27日，中国卫星导航系统管理办公室公开了用于RNSS服务的B2b信号[3]和用于精密单点定位服务的PPP-B2b信号[4]。

    目前还有其他卫星导航系统提供精密单点定位服务，如表1所示。日本的QZSS L6信号分为L6D和L6E，L6D主要服务于日本本土，提供厘米级增强服务(Centimeter Level Augmentation Service，CLAS)；L6E信号通过Block II卫星播发，用于广域厘米级增强的实验验证，作用范围为QZSS卫星覆盖区域。目前CLAS服务支持GPS、QZSS和Galileo系统[5-6]。Galileo系统的E6B信号也提供PPP服务，文献[7]描述了E6B/C信号的接收机的设计方案。E6B信号在MEO卫星播发，可以为全球用户提供PPP服务。

    本文参考最新的B2b信号接口控制文件[3-4]，介绍了基础导航信号B2b和提供纠正信息的PPP-B2b信号结构和电文内容，根据自主研发设计的GNSS接收机对实际接收到的卫星信号进行了分析，分析了B2b信号播发的信息类型和实际定位结果。由于B2b接口控制文件只公开了I支路信息，并未公开Q支路信息，本文尝试对B2b Q支路的信号进行了分析。 

1 B2b信号介绍

    北斗三号卫星B2b信号的载波频率为1 207.14 MHz，带宽20.46 MHz。在MEO和IGSO轨道卫星上播发的B2b信号提供基本导航服务，在GEO轨道卫星上播发的信号称为PPP-B2b，提供PPP服务，下面将分别介绍。

1.1 基本导航信号B2b

    目前的接口文件中只描述了B2b信号I支路的特性，采用BPSK(10)调制，符号速率为1 000 sps，测距码速率为10.23 Mcps，码长10 230，由两个13级线性反馈移位寄存器通过移位及模二和生成的Gold码扩展得到，寄存器的初始值在接口文件中给出。

    B2b信号I支路采用B-CNAV3电文格式，使用循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)，具体实现方式为CRC-24Q，基本帧结构如图1所示。

    每帧电文长1 000符号，播发周期为1 s，包括同步头(1110 1011 1001 0000)、PRN编号、保留位和通过六十四进制低密度奇偶校验(Low Density Parity Check，LDPC(162，81))编码得到的电文符号。纠错编码前的电文为486 bit，包括6 bit的信息类型、20 bit的周内秒计数(Seconds of Week，SOW)、436 bit的电文数据和24 bit的CRC校验，前462 bit均参与循环冗余校验计算。当前有效的信息类型为10、30和40，各信息类型编排格式如图2所示。SOW对应该帧的起始时刻，在北斗时每周日00时00分00秒从零开始计数，在每周的结束时刻被重置为零。

    信息类型10包含星历信息，由18个星历参数和1个卫星轨道类型参数(SatType)构成，SatType的值分别代表了GEO(01)、IGSO(10)、MEO(11)卫星。星历后面是三个标识位，依次是电文完好性标识(DIF)、信号完好性标识(SIF)和空间信号监测精度(SISMA)有效标识(AIF)，数值为0时表示完好。SISMA是空间信号精度估计误差的零均值高斯分布方差。

    信息类型30包含整周计数(Week Number，WN)，从北斗时的起始历元(2006年1月1日00时00分00秒UTC)开始从零计数，后面依次是钟差参数、B2b信号I支路时延差(TGDB2bI)、电离层参数、北斗时(BDT)与协调世界时(UTC)同步参数(BDT-UTC(CMTC))、地球定向参数(EOP参数)、卫星轨道切向和法向精度(SISAoe)、卫星轨道径向和卫星钟差精度(SISAoc)以及卫星健康状态标识，数值为0时表示该颗卫星提供服务。

    信息类型40主要包含历书信息，BDT-GNSS 时间同步(BGTO)参数用于计算BDT与其他GNSS系统时之间的时间偏差，中等精度历书和简约历书分别包含14个和6个参数，中间是历书参考时刻周计数(WNa)和历书参考时刻(toa)。

1.2 PPP-B2b信号

    PPP-B2b信号包括I支路和Q支路分量，北斗三号前三颗GEO卫星仅播发I支路分量，同样采用BPSK(10)调制，符号速率为1 000 sps，测距码特性与B2b信号相同。PPP-B2b信号可对BDS、GPS、Galileo和Glonass四大系统提供PPP服务。基本帧结构如图1所示，播发周期1 s，同步头与B2b相同，预留的6个符号用于标识PPP服务的状态，最高位为0时表示该星PPP服务可用，其他符号位含义预留。当前有定义的信息类型是1-7，信息类型8-62为预留信息，信息类型63为空信息，当没有可用信息时，系统播发该类型填充空白时段。

    信息类型1播发卫星掩码信息，包括255 bit标识位置，每比特代表一颗卫星，数值为1时代表播发该颗卫星的差分信息。其中BDS系统有63 bit，GPS系统有37 bit，Galileo系统有37 bit，GLONASS系统有37 bit，有81 bit未被分配，预置为0。

    信息类型2播发轨道改正参数和用户测距精度(User Range Accuracy，URA)，按照信息类型1的掩码信息依次播发各卫星的径向、切向、法向纠正和URA，每条信息包含6个卫星的纠正参数。

    信息类型3播发各颗卫星各信号支路的码间偏差改正数。

    信息类型4播发钟差改正信息，包括改正数版本号(IOD Corr)和钟差改正数C0。将所有信息类型1中掩码为1的卫星按顺序分组，23颗卫星为一组，最多12组(最后一组两颗卫星)，通过5 bit的子类型1(SubType1)解出组号，每帧信息依次播发该组23颗卫星的钟差改正值。

    信息类型5播发URA信息，同样对播发差分信息的卫星进行分组，70颗卫星为一组，共4组(最后一组45颗卫星)，通过3 bit的子类型2(SubType2)解出组号，每帧信息依次播发70颗卫星的URAI值。

    信息类型6组合播发钟差改正和轨道改正信息，包含信息与信息类型4、2相同，可以自定义钟差改正数对应卫星数量(0~22)和轨道改正数对应卫星数量(0~6)，同时可以自定义播发该组卫星差分信息的起始卫星编号，可以与信息类型2、4结合使用。

    信息类型7组合播发钟差改正和轨道改正数，与信息类型6不同的是，每组改正信息与卫星通过Sat Slot对应。

2 卫星信号测试

    利用自主研发的接收机在2019年12月30日对天空中的北斗卫星数据进行分析，天线位于中国科学院微电子研究所科研楼的楼顶。

2.1 载噪比

    统计同一时间段各颗卫星B2b、B1C、B1I、B2a和B3I载噪比情况，计算平均值，结果如表2所示。

2.2 消息类型

    根据上文总结的信息结构对接收的卫星B2b信号电文进行解析，当前B2b信号发送信息类型10、30和40，其中信息类型10和30交替播发，信息类型40每60 s播发一次。这意味着B2b接收机的冷启动首次定位时间(Time To First Fix，TTFF)可以大幅度缩短，因为一般仅需2 s就可以收齐星历和星钟参数。

    由于PPP-B2b只在GEO卫星上播发，目前只有59号卫星播发该信号。经过解析，该卫星目前播发的PPP-B2b信息类型包括1、2、3、4、5和63。当前信息类型63的播发频率最高，其次是信息类型4，平均6 s播发一次。

2.3 定位结果

    利用B2b解析出的电文信息进行定位，参与定位的卫星共有9颗，结果如图3所示，依次为东(E)、北(N)、天顶(U)方向，横坐标表示定位结果数量，纵坐标为该方向定位误差，三个方向定位精度的RMS值依次为0.45 m、0.31 m和0.80 m。由于B2b信号I支路的信息速率达到1 000 sps，难以使用长时间的相干累加来提高环路的灵敏度和跟踪精度，因此相同条件下，单独使用B2b信号的定位精度一般会比单独使用B2a或B3I信号的定位精度差。但其优势在于可以快速收齐星历和星钟信息。

2.4 Q支路情况

    当前接口控制文件中并没有关于Q支路的内容，本文按照B2a的Q支路扩频码生成方式生成对应的B2b Q支路扩频码，且码初相也采用B2a的Q支路扩频码码初相。即B2b的Q支路扩频码周期为1 ms，码长10 230。电文速率假设为1 000 sps，解析出来的B2b的Q支路信号的载噪比情况如表3所示，与I支路的载噪比很接近。同时B2b的Q支路解调出的电文信息能找到帧头，帧头也是0xEB90，每帧的周期是1 s。B2b信号Q支路在正式提供服务时，一般不会直接使用B2a信号Q支路的扩频码，当前阶段B2b信号Q支路还处于测试状态。

3 结论

    本文对北斗三代卫星信号中的B2b信号进行了详细介绍，包括IGSO卫星和MEO卫星播发的基本导航信号B2b以及GEO卫星播发的提供精密单点定位服务的PPP-B2b信号。通过自主研发的接收机对天空中的卫星B2b信号进行捕获跟踪，解析了B2b信号播发消息并且进行了定位结果分析，最后尝试对B2b信号的Q支路进行了解析。

参考文献

[1] 中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统应用服务体系(1.0版)[Z].2019.

[2] 中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统发展报告(4.0版)[Z].2019.

[3] 中国卫星导航系统管理办公室.北斗系统空间信号接口控制文件B2b(测试版)[Z].2019.

[4] 中国卫星导航系统管理办公室.北斗系统空间信号接口控制文件PPP-B2b(测试版)[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，刘  成3，陈  颖3，巴晓辉1，2，陈  杰1

(1．中国科学院微电子研究所，北京100029；

2．中国科学院大学，北京100049；3．中国卫星导航工程中心，北京100094)