「學術論文」北斗三號衛星B2b信號解析

導讀：

衛星導航是人類追尋獲取時間與最佳位置的智慧結晶。當前衛星導航已不單是用於測量物體的時空運動狀態，已成為信息化社會標識各類信息的時空基準，前所未有的滲透到人類生活的方方面面，成為支持和推動人類社會有效運行和持續發展的強勁動力之一。衛星導航與互聯網、物聯網、5G、大數據的深度融合，已初步塑造形成了人類新的時空體系，推出了智能駕駛、智能交通、智慧城市的經濟發展新模式和產業發展新業態。隨著5G商用時代的到來，各類圍繞5G的技術方案已遍地開花；與此同時，各類導航核心技術的突破提高了定位精度，北斗衛星系統在2020年完成全球組網，這些都為衛星導航技術的發展與應用提供了重要技術支撐。人類生活因衛星導航而更加便利。

專欄特約主編：桂林電子科技大學 紀元法 教授

紀元法，桂林電子科技大學信息與通信學院教授，長期從事衛星通信、衛星導航及數字信號處理研究工作，具有紮實的理論基礎和豐富的實踐經驗。近年主持和參與“973”、"863"、國家自然科學基金、國防預研項目、國家重大專項－北斗示範應用項目、科技部中小企業創新基金等多項科研項目；獲中國專利獎1項、廣西技術發明一等獎1項、廣西技術發明二等獎1項、廣西科技進步二等獎1項、衛星導航定位科技進步二等獎1項、深圳市科技進步獎1項，廣西發明成果獎金獎1項、廣西發明成果獎銀獎2項；為桂林市拔尖人才，國家自然科學基金、雲南省科技廳、福建科技廳、廣西科技廳項目評審專家；發表學術論文100餘篇,EI、SCI收錄20餘篇；申請國家發明專利、實用新型專利40餘項，軟件著作權60多項。

專欄特約主編：中科院微電子所、中科院大學 巴曉輝 研究員

巴曉輝，中國科學院微電子研究所研究員，中國科學院大學崗位教授，長期從事衛星導航算法及芯片設計研究。先後參與了863計劃“高性能衛星導航芯片與移動芯片的集成技術”、中科院知識創新重大工程“新型定位系統接收機基帶芯片設計”、中科院裝發預研聯合基金、自然科學基金、中科院交叉創新團隊等項目。作為課題組長研發了多款衛星導航芯片，研發的航芯5號接收機獲第14屆高交會優秀產品獎。曾獲中國科學院微電子研究所研究生喜愛的導師。在國內外重要學術刊物和會議上發表論文55篇，申請專利6項。

摘 要 ：

隨著北斗三號衛星建設即將完成，北斗服務平穩過渡為由北斗三號系統為主提供。2019年12月27日B2b信號接口文件公佈，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。基於B2b信號接口控制文件，介紹了B2b信號信息結構、信息類型以及天空中衛星信號解析結果，並給出了B2b信號的定位精度結果，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。

中文引用格式：何旭蕾，劉成，陳穎，等. 北斗三號衛星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

北斗導航衛星系統(BDS)是中國自主建設運行的全球衛星導航系統，具備導航定位和通信數傳兩大功能，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)及區域短報文通信(Regional Short Message Communication，RSMC)四種區域性服務^[1]。截至2019年12月底，已成功發射了包括1顆地球靜止軌道衛星(Geostationary Earth Orbit，GEO)、24顆中圓地球軌道衛星(Medium Earth Orbit，MEO)和3顆傾斜地球同步軌道衛星(Inclined Geosynchronous Orbit，IGSO)在內的28顆北斗三號衛星，預計2020年上半年再發射2顆GEO衛星，完成北斗系統建設^[2]。北斗三號系統的3顆GEO、3顆IGSO衛星和24顆MEO衛星播發的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衛星通過SAR-B2b信號提供國際搜救服務。2019年12月27日，中國衛星導航系統管理辦公室公開了用於RNSS服務的B2b信號

本文參考最新的B2b信號接口控制文件

1B2b信號介紹

北斗三號衛星B2b信號的載波頻率為1 207.14 MHz，帶寬20.46 MHz。在MEO和IGSO軌道衛星上播發的B2b信號提供基本導航服務，在GEO軌道衛星上播發的信號稱為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，採用BPSK(10)調製，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支路採用B-CNAV3電文格式，使用循環冗餘校驗(Cyclic Redundancy Check，CRC)，具體實現方式為CRC-24Q，基本幀結構如圖1所示。

每幀電文長1 000符號，播發週期為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(Seconds of Week，SOW)、436 bit的電文數據和24 bit的CRC校驗，前462 bit均參與循環冗餘校驗計算。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，在北斗時每週日00時00分00秒從零開始計數，在每週的結束時刻被重置為零。

信息類型10包含星曆信息，由18個星曆參數和1個衛星軌道類型參數(SatType)構成，SatType的值分別代表了GEO(01)、IGSO(10)、MEO(11)衛星。星曆後面是三個標識位，依次是電文完好性標識(DIF)、信號完好性標識(SIF)和空間信號監測精度(SISMA)有效標識(AIF)，數值為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佈方差。

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

信息類型40主要包含曆書信息，BDT-GNSS 時間同步(BGTO)參數用於計算BDT與其他GNSS系統時之間的時間偏差，中等精度曆書和簡約曆書分別包含14個和6個參數，中間是曆書參考時刻周計數(WNa)和曆書參考時刻(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衛星僅播發I支路分量，同樣採用BPSK(10)調製，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四大系統提供PPP服務。基本幀結構如圖1所示，播發週期1 s，同步頭與B2b相同，預留的6個符號用於標識PPP服務的狀態，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，系統播發該類型填充空白時段。

信息類型1播發衛星掩碼信息，包括255 bit標識位置，每比特代表一顆衛星，數值為1時代表播發該顆衛星的差分信息。其中BDS系統有63 bit，GPS系統有37 bit，Galileo系統有37 bit，GLONASS系統有37 bit，有81 bit未被分配，預置為0。

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

信息類型3播發各顆衛星各信號支路的碼間偏差改正數。

信息類型4播發鐘差改正信息，包括改正數版本號(IOD Corr)和鐘差改正數C0。將所有信息類型1中掩碼為1的衛星按順序分組，23顆衛星為一組，最多12組(最後一組兩顆衛星)，通過5 bit的子類型1(SubType1)解出組號，每幀信息依次播發該組23顆衛星的鐘差改正值。

信息類型5播發URA信息，同樣對播發差分信息的衛星進行分組，70顆衛星為一組，共4組(最後一組45顆衛星)，通過3 bit的子類型2(SubType2)解出組號，每幀信息依次播發70顆衛星的URAI值。

信息類型6組合播發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對應衛星數量(0~22)和軌道改正數對應衛星數量(0~6)，同時可以自定義播發該組衛星差分信息的起始衛星編號，可以與信息類型2、4結合使用。

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

2衛星信號測試

利用自主研發的接收機在2019年12月30日對天空中的北斗衛星數據進行分析，天線位於中國科學院微電子研究所科研樓的樓頂。

2.1 載噪比

統計同一時間段各顆衛星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

根據上文總結的信息結構對接收的衛星B2b信號電文進行解析，當前B2b信號發送信息類型10、30和40，其中信息類型10和30交替播發，信息類型40每60 s播發一次。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就可以收齊星曆和星鍾參數。

由於PPP-B2b只在GEO衛星上播發，目前只有59號衛星播發該信號。經過解析，該衛星目前播發的PPP-B2b信息類型包括1、2、3、4、5和63。當前信息類型63的播發頻率最高，其次是信息類型4，平均6 s播發一次。

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，橫座標表示定位結果數量，縱座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。由於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。但其優勢在於可以快速收齊星曆和星鍾信息。

2.4 Q支路情況

當前接口控制文件中並沒有關於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，且碼初相也採用B2a的Q支路擴頻碼碼初相。即B2b的Q支路擴頻碼週期為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，每幀的週期是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支路還處於測試狀態。

3結論

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

參考文獻

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

[2] 中國衛星導航系統管理辦公室.北斗衛星導航系統發展報告(4.0版)[Z].2019.

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

[4] 中國衛星導航系統管理辦公室.北斗系統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 傑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．中國衛星導航工程中心，北京100094)

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關鍵字: 衛星 北斗衛星導航系統 通信