北斗導航衛星系統(BDS)是中國自主建設和運營的全球衛星導航系統。具有導航定位和通信數據傳輸兩大功能，提供定位導航衛星服務(RNSS)、全球短報文通信(GSMC)和國際搜索與救援(SAR)、星基增強系統(SBAS)、地面增強系統(GAS)和精密單點定位(精密單點定位，PPP)以及區域短報文通信(RSMC)。截至2019年12月底，它已成功發射了1顆地球靜止地球軌道衛星(GEO)、24顆中地球軌道衛星(MEO)和3顆傾斜地球同步軌道衛星(IGSO)。包括28顆北斗三號衛星，預計2020年上半年再發射兩顆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衛星廣播的B1I和B3I信號提供RNSS服務；3 IGSO和24 MEO的B1C、B2a和信號也提供RNSS服務；三個GEOs通過信號提供精確的單點定位服務；三顆IGSO衛星和24顆MEO衛星通過SAR-B2b信號提供國際搜索和救援服務。2019年12月27日，中國衛星導航系統管理辦公室公開了RNSS服務的B2b信號[3]和精密單點定位服務的PPP-B2b信號[4]。

目前，還有其他衛星導航系統提供精確的點定位服務，如表1所示。日本的QZSSL6信號分為L6D和L6E。L6D主要服務日本，提供厘米級增強服務(CLAS)。L6E信號由BlockII衛星廣播，用于廣域厘米級增強的實驗驗證，作用范圍為QZSS衛星覆蓋區域。目前，CLAS服務支持GPS、QZSS和Galileo系統[5-6]。伽利略系統的E6B信號也提供PPP服務，參考文獻[7]描述了E6B/C信號接收機的設計方案。E6B信號在MEO衛星上廣播，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]，介紹了基本導航信號B2b和PPP-B2b信號結構以及提供修正信息的消息內容。根據自主研發設計的GNSS接收機，對實際接收的衛星信號進行分析，分析B2b信號的信息類型和實際定位結果。因為B2b接口控制文件只公開了I分支信息，沒有公開Q分支信息，所以本文嘗試分析B2bQ分支的信號。

1B2b信號介紹

北斗三號衛星的B2b信號載頻為1207.14MHz，帶寬為20.46MHz，在MEO和IGSO衛星上廣播的B2b信號提供基本的導航服務，而在GEO衛星上廣播的信號稱為PPP-B2b，提供PPP服務，下面將分別介紹。

1.1基本導航信號B2b

B2b信號的I分支采用B-CNAV3消息格式，使用CyclicRedundancyCheck (CRC)。具體實現方法是CRC-24Q，基本幀結構如圖1所示。

每幀消息長度為1000個符號，廣播周期為1s，包括同步頭(111010110010000)、PRN數、預留比特和低密度奇偶校驗(LDPC (162，81))編碼的消息符號。糾錯編碼前的報文為486位，包括6位信息類型、20位秒周(SOW)、436位報文數據和24位CRC校驗。前462位全部參與循環冗余校驗的計算。當前有效的信息類型是10、30和40，每種信息類型的格式如圖2所示。SOW在北斗時間每周日00: 00: 00從零開始計數，每周末清零。

信息類型10包含星歷信息，由18個星歷參數和一個衛星軌道類型參數(SatType)組成，SatType的值分別代表GEO(01)、IGSO(10)和MEO(11)衛星。星歷后面是三個標識位，依次是消息完整性標識(DIF)、信號完整性標識(SIF)和空間信號監測精度(SISMA)有效標識(AIF)。值為0表示完整性。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包括周數(WN)，從北斗起始歷元(2006年1月1日00: 00: 00 UTC)開始從零開始計數。其次是鐘差參數、B2b信號I支路時延差(TGDB2bI)、電離層參數、北斗時間(BDT)和協調世界時(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)。

信息類型40主要包含歷書信息，BDT-GNSS時間同步(BGTO)參數用于計算BDT和其他GNSS系統之間的時間偏差，中等精度歷書和簡化歷書分別包含14和6個參數，歷書參考時間周計數(WNa)和歷書參考時間(toa)在中間。

1.2PPP-B2b信號

PPP-B2b信號包括I分支和Q分支分量。北斗三號前三顆GEO衛星只廣播I分支分量，同樣由BPSK(10)調制，符號速率1000sps，測距碼特性與B2b信號相同。PPP-B2b信號可以為BDS、GPS、Galileo、Glonass提供PPP服務?；镜膸Y構如圖1所示。廣播周期為1s，同步頭與B2b相同，預留的6個符號用于標識PPP業務的狀態。最高位為0時，表示該星PPP服務可用，其他符號含義保留。當前定義的信息類型為1-7，信息類型8-62為保留信息，信息類型63為空信息。當沒有可用信息時，系統將廣播此類型以填充空白期。

信息類型1廣播衛星掩碼信息，包括255bit標識位置，每個bit代表一顆衛星，值1代表廣播衛星的差分信息。其中BDS系統有63bit，GPS系統有37bit，Galileo系統有37bit，GLONASS系統有37bit，81bit未賦值，預設值為0。

信息類型2廣播軌道修正參數和UserRangeAccuracy (URA)，根據信息類型1的掩碼信息依次廣播每顆衛星的徑向、切向、法向修正和URA，每條信息包含6顆衛星的修正參數。

信息類型3廣播每個衛星的每個信號分支的符號間偏差校正號。

信息類型4廣播時鐘誤差校正信息，包括校正號的版本號(IODCorr)和時鐘誤差校正號C0。信息類型1中掩碼為1的衛星全部按順序分組，23顆衛星為一組，最多12組(最后一組兩顆衛星)。組號由5bit的子類型1求解，該組23顆衛星的鐘差修正值在每幀信息中依次廣播。

信息類型5廣播URA信息，也將廣播差分信息的衛星分組，70顆衛星為一組，共4組(最后一組45顆衛星)。組號由3比特的子類型2求解，每幀信息中依次廣播70顆衛星的URAI值。

信息類型6組合廣播時鐘誤差校正和軌道校正信息，其包含與信息類型4和2相同的信息?？梢宰远x鐘差改正(0~22)和軌道改正(0~6)對應的衛星數，可以自定義廣播這組衛星差分信息的起始衛星數，可以與信息類型2和4結合使用。

信息類型7組合廣播時鐘誤差校正和軌道校正數。與信息類型6不同的是，每組修正信息對應一顆通過SatSlot的衛星。

2衛星信號測試

2019年12月30日，利用自主研發的接收機對天上的北斗衛星數據進行分析。該天線位于中國科學院微電子研究所研究大樓的頂層。

2.1載波噪聲比

統計同一時間段內衛星B2b、B1C、B1I、B2a、B3I的載噪比，計算平均值。結果如表2所示。

2.2消息類型

根據上面總結的信息結構，對接收到的衛星B2b信號消息進行分析。目前的B2b信號發送信息類型10、30、40，其中信息類型10、30交替廣播，信息類型40每60s廣播一次。這意味著B2b接收機在冷啟動時的TimeToFirstFix (TTFF)可以大大縮短，因為收集星歷和衛星時鐘參數一般只需要2s。

由于PPP-B2b只在GEO衛星上廣播，目前只有59號衛星廣播這個信號。經過分析，目前衛星廣播的PPP-B2b信息類型包括1、2、3、4、5、63。當前信息類型63的廣播頻率最高，其次是信息類型4，平均為6秒。

2.3定位結果

利用B2b分析的報文信息進行定位，有9顆衛星參與定位。如圖3所示，結果依次位于東(e)、北(n)和天頂(u)方向。橫坐標表示定位結果的數量，縱坐標表示該方向的定位誤差。三個方向的定位精度均方根值依次為0.45米、0.31米和0.80米。由于B2b信號I支路的信息速率達到1000sps，很難通過長期的相干積累來提高環路的靈敏度和跟蹤精度。因此，在同等條件下，單獨B2b信號的定位精度一般比單獨B2a或B3I信號的定位精度差。但它的優點是可以快速收集星歷和星鐘信息。

2.4Q分支機構情況

當前界面控制文件中沒有關于Q分支的內容。本文根據B2a的Q分支擴頻碼的生成方法生成相應的B2bQ分支擴頻碼，碼的初始相位也采用B2a的Q分支擴頻碼。即B2b的Q分支擴頻碼的周期為1ms，碼長為10230。假設報文速率為1000sps，所分析的B2b的Q分支信號的載噪比如表3所示，與I分支的載噪比非常接近。同時B2b的Q分支解調的報文信息可以找到幀頭，也是0xEB90，每幀的周期是1s。B2b信號Q分支正式提供服務時，B2a信號Q分支的擴頻碼不會直接使用，B2b信號Q分支目前還處于測試狀態。

3結論

本文詳細介紹了北斗三代衛星信號中的B2b信號，包括IGSO衛星和MEO衛星廣播的基本導航信號B2b，以及GEO衛星廣播的提供精確單點定位服務的PPP-B2b信號。利用自主研發的接收機捕獲并跟蹤天空中的衛星B2b信號，分析B2b信號的廣播報文，分析定位結果。最后分析B2b信號的Q分支。

參考

[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系統(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檔B2b (Beta) [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 (Beta) [Z].2019。

[5]組合辦公服務(IS-QZSS-L6-002)[DB/OL]。(2019-12)[2020-02-10].https:///en/technical/PS-is-qzss/is _ qzss _ l6 _ 002 _

[6][分貝/醇]。(2019-07)[2020-02-10].https:///madoca/public/doc/Interface _ Specification _ B _

[7]GOHLERE，KROLI，BODENBACHM，/cre receiver:信號，原型，試驗和性能[C].IONGNSS+，2016。

作者信息:

何旭雷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.中國衛星導航工程中心，北京100094)