《电子技术应用》
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北斗三号卫星B2b信号解析
2020年电子技术应用第3期
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
摘要: 随着北斗三号卫星建设即将完成,北斗服务平稳过渡为由北斗三号系统为主提供。2019年12月27日B2b信号接口文件公布,公开了两种B2b信号,提供基础导航服务的B2b信号和提供精密单点定位服务的PPP-B2b信号。基于B2b信号接口控制文件,介绍了B2b信号信息结构、信息类型以及天空中卫星信号解析结果,并给出了B2b信号的定位精度结果,对天空的PPP-B2b信息进行了解析。对B2b的Q支路信号也进行了探索。
中图分类号: TN911.6;P228.4
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.209006
中文引用格式: 何旭蕾,刘成,陈颖,等. 北斗三号卫星B2b信号解析[J].电子技术应用,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.
Analysis of B2b signal of BDS III satellite
He Xulei1,2,Liu Cheng3,Chen Ying3,Ba Xiaohui1,2,Chen Jie1
1.Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3.China Satellite Navigation Office,Beijing 100094,China
Abstract: With the construction of BDS III satellite nearing completion, Beidou service will transition smoothly to be provided mainly by BDS III system. The B2b signal interface document was announced on December 27, 2019. B2b signals are divided into two types: B2b signal that provides basic navigation services and PPP-B2b signal that provides precise point positioning services. Based on the B2b signal interface control file, this paper introduces the B2b signal information structure, message type, and analysis results of satellite signals in the sky, and gives the positioning accuracy results of B2b signals. The PPP-B2b information in the sky is also analyzed. This article also explores the Q branch signal of B2b.
Key words : BDS III;B2b;PPP-B2b;information structure

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。

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    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。

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    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。

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    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。

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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。

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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。

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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)

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