北斗三号卫星b2b信号解析

为促进卫星导航技术领域的技术交流袁本刊开展了野卫星导航技术冶主题专栏征文活动袁着重探讨导航信号处理尧精密定位尧卫星导航增强技术尧GNSS接收机终端技术尧多源融合导航以及抗干扰与反欺骗

技术等领域的热点问题袁期望对从事卫星导航技术领域研究的读者有所帮助遥

特约主编院巴晓辉袁中国科学院微电子研究所研究员袁博士生导师袁中国科学院大学岗位教授袁长期从事卫星导航算法及芯片设计研究遥先后参与了科技部863计划尧中科院知识创新重大工程尧中科院预研联合基金尧自然科学基金等项目遥作为课题组长研发了多款卫星导航芯片袁研发的导航接收机芯片获第14届高交会优秀产品奖袁入选中国科学院首届青年创新促进会会员遥在国内外重要学术刊物和会议上发表论文55篇袁申请专利6项遥

导读院卫星导航是战略性新兴产业发展的重要领域袁截止到2019年底袁北斗三号全球系统已经发射

北斗三号卫星B2b信号解析鄢

何旭蕾

2援中国科学院大学袁北京100049曰3援中国卫星导航工程中心袁北京100094)

(1援中国科学院微电子研究所袁北京100029曰

1袁2

袁刘成3袁陈颖3袁巴晓辉

1袁2

袁陈杰

1

摘要院随着北斗三号卫星建设即将完成袁北斗服务平稳过渡为由北斗三号系统为主提供遥2019年12月27日B2b信号接口文件公布袁公开了两种B2b信号袁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信号遥基于B2b信号接口控制文件袁介绍了B2b信号信息结构尧信息类型以及天空中卫星信号解析结果袁并给出了B2b信号的定位精度结果袁对天空的PPP-B2b信息进行了解析遥对B2b的Q支路信号也进行了探索遥关键词院北斗三号曰B2b曰PPP-B2b曰信息结构中图分类号院TN911.6曰P228.4

文献标识码院A

DOI院10.16157/j.issn.0258-7998.209006

中文引用格式院何旭蕾袁刘成袁陈颖袁等.北斗三号卫星B2b信号解析[J].电子技术应用袁2020袁46(3)院1-4袁13.ElectronicTechnique袁2020袁46(3)院1-4袁13.

英文引用格式院HeXulei袁LiuCheng袁ChenYing袁etal.AnalysisofB2bsignalofBDSIIIsatellite[J].Applicationof

2.UniversityofChineseAcademyofSciences袁Beijing100049袁China曰3.ChinaSatelliteNavigationOffice袁Beijing100094袁China)Abstract院WiththeconstructionofBDSIIIsatellitenearingcompletion,BeidouservicewilltransitionsmoothlytobeprovidedmainlybyBDSIIIsystem.TheB2bsignalinterfacedocumentwasannouncedonDecember27,2019.B2bsignalsaredividedintotwotypes:B2bsignalthatprovidesbasicnavigationservicesandPPP-B2bsignalthatprovidesprecisepointpositioningservices.BasedontheB2bsignalinterfacecontrolfile,thispaperintroducestheB2bsignalinformationstructure,messagetype,andanaly鄄sisresultsofsatellitesignalsinthesky,andgivesthepositioningaccuracyresultsofB2bsignals.ThePPP-B2binformationintheskyisalsoanalyzed.ThisarticlealsoexplorestheQbranchsignalofB2b.Keywords院BDSIII曰B2b曰PPP-B2b曰informationstructure

鄢基金项目院中国科学院野创新交叉团队冶(1.InstituteofMicroelectronicsofChineseAcademyofSciences袁Beijing100029袁China曰

HeXulei1袁2袁LiuCheng3袁ChenYing3袁BaXiaohui1袁2袁ChenJie1

AnalysisofB2bsignalofBDSIIIsatellite

叶电子技术应用曳2020年第46卷第3期

1

卫星导航技术0引言SatelliteNevigationTechnology特约主编巴晓辉技术专栏北斗导航卫星系统(BDS)是中国自主建设运行的全球卫星导航系统袁具备导航定位和通信数传两大功能袁提供定位导航授时(RadioNavigationSatelliteService袁RNSS)尧全球短报文通信(GlobalShortMessageCommunication袁GSMC)和国际搜救(SearchAndRescue袁SAR)三种国际服务和星基增强(Satellite-BasedAugmentationSystem袁SBAS)尧地基增强(GroundAugmentationSystem袁GAS)尧精密单点定位(PrecisePointPositioning袁PPP)及区域短报文通信(Regional截至2019年12月底袁已成功发射了包括1颗地球静止

1B2b信号介绍

B2bQ支路的信号进行了分析遥北斗三号卫星B2b信号的载波频率为1207.14MHz袁带宽20.46MHz遥在MEO和IGSO轨道卫星上播发的B2b信号提供基本导航服务袁在GEO轨道卫星上播发的信号称为PPP-B2b袁提供PPP服务袁下面将分别介绍遥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支路的特性袁采用BPSK(10)调制袁符号速率为1000sps袁测距码速率为10.23Mcps袁码长10230袁由两个13级线性反馈移位寄存器通过移位及模二和生成的Gold码扩展得到袁寄存器的初始值在接口文件中给出遥

B2b信号I支路采用B-CNAV3电文格式袁使用循环

ShortMessageCommunication袁RSMC)四种区域性服务[1]遥轨道卫星(GeostationaryEarthOrbit袁GEO)尧24颗中圆地球轨道卫星(MediumEarthOrbit袁MEO)和3颗倾斜地球同28颗北斗三号卫星袁预计2020年上半年再发射2颗GEO卫星袁完成北斗系统建设[2]遥

24颗MEO卫星播发的B1I和B3I信号提供RNSS

北斗三号系统的3颗GEO尧3颗IGSO卫星和步轨道卫星(InclinedGeosynchronousOrbit袁IGSO)在内的

冗余校验(CyclicRedundancyCheck袁CRC)袁具体实现方式为CRC-24Q袁基本帧结构如图1所示遥

服务曰3颗IGSO和24颗MEO的B1C尧B2a尧B2b信号也提供RNSS服务曰3颗GEO通过PPP-B2b信号提供精密单点定位服务曰3颗IGSO和24颗MEO卫星通过SAR-B2b信号提供国际搜救服务遥2019年RNSS服务的B2b信号PPP-B2b信号[4]遥

[3]

12月27日袁中国卫星导航系统管理办公室公开了用于

和用于精密单点定位服务的

图1B-CNAV3基本帧结构

目前还有其他卫星导航系统提供精密单点定位服

每帧电文长1000符号袁播发周期为1s袁包括同步头(1110101110010000)尧PRN编号尧保留位和通过六十四进制低密度奇偶校验(LowDensityParityCheck袁LDPC(162袁括6bit的信息类型尧20bit的周内秒计数(SecondsofWeek袁81))编码得到的电文符号遥纠错编码前的电文为486bit袁包SOW)尧436bit的电文数据和24bit的CRC校验袁前462bit均参与循环冗余校验计算遥当前有效的信息类型为10尧30和40袁各信息类型编排格式如图2所示遥SOW对应该帧的起始时刻袁在北斗时每周日00时00分00秒从零开始计数袁在每周的结束时刻被重置为零遥

信息类型10包含星历信息袁由18个星历参数和1个卫星轨道类型参数(SatType)构成袁SatType的值分别代表了GEO(01)尧IGSO(10)尧MEO(11)卫星遥星历后面是三个标识位袁依次是电文完好性标识(DIF)尧信号完好性标识(SIF)和空间信号监测精度(SISMA)有效标识(AIF)袁数值为0时表示完好遥SISMA是空间信号精度估计误差的零

用范围为QZSS卫星覆盖区域遥目前CLAS服务支持提供PPP服务袁文献[7]描述了E6B/C信号的接收机的设计方案遥E6B信号在MEO卫星播发袁可以为全球用户提供PPP服务遥

本文参考最新的B2b信号接口控制文件[3-4]袁介绍了GPS尧QZSS和Galileo系统

[5-6]

BlockII卫星播发袁用于广域厘米级增强的实验验证袁作

timeterLevelAugmentationService袁CLAS)曰L6E信号通过

遥Galileo系统的E6B信号也

L6D主要服务于日本本土袁提供厘米级增强服务(Cen鄄

务袁如表1所示遥日本的QZSSL6信号分为L6D和L6E袁

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袁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袁分析了B2b信号播发的信息类型和实际定位结果遥由于B2b接口控制文件只公开了I支路信息袁并未公开Q支路信息袁本文尝试对

表1提供PPP服务卫星系统信号概述

卫星系统QZSSGalileoBDS增强信号L6DL6E

卫星轨道QZO/GEOMEOGEO频率/MHz1278.751278.751207.14调制方式CSKI支路BPSK(10)BPSK(5)

符号速率/sps

250250

L6D和L6E各2.5575Mcps5.11510.23扩频码速率/Mcps

2

欢迎网上投稿www.ChinaAET.comPPP-B2bE6B10001000时分复用组合后5.115Mcps

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卫星导航技术SatelliteNevigationTechnology特约主编巴晓辉技术专栏图2各信息类型编排格式

均值高斯分布方差遥

信息类型30包含整周计数(WeekNumber袁WN)袁从北斗时的起始历元(2006年1月1日00时00分00秒UTC)开始从零计数袁后面依次是钟差参数尧B2b信号I支路时延差(TGDB2bI)尧电离层参数尧北斗时(BDT)与协调世界时(UTC)同步参数(BDT-UTC(CMTC))尧地球定向参数(EOP参数)尧卫星轨道切向和法向精度(SISAoe)尧卫星轨数值为0时表示该颗卫星提供服务遥

信息类型40主要包含历书信息袁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袁中等精度历书和简约历书分别包含14个和6个参数袁中间是历书参考时刻周计数(WNa)和历书参考时刻(toa)遥1.2PPP-B2b信号

PPP-B2b信号包括I支路和Q支路分量袁北斗三号道径向和卫星钟差精度(SISAoc)以及卫星健康状态标识袁

改正数遥

(IODCorr)和钟差改正数C0遥将所有信息类型1中掩码

信息类型4播发钟差改正信息袁包括改正数版本号

为1的卫星按顺序分组袁23颗卫星为一组袁最多12组(最后一组两颗卫星)袁通过5bit的子类型1(SubType1)解出组号袁每帧信息依次播发该组23颗卫星的钟差改正值遥

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

信息类型6组合播发钟差改正和轨道改正信息袁包含信息与信息类型4尧2相同袁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)袁同时可以自定义播发该组卫星差分信息的起始卫星编号袁可以与信息类型2尧4结合使用遥

信息类型7组合播发钟差改正和轨道改正数袁与信息类型6不同的是袁每组改正信息与卫星通过SatSlot对应遥

前三颗GEO卫星仅播发I支路分量袁同样采用BPSK(10)调制袁符号速率为1000sps袁测距码特性与B2b信号相同遥PPP-B2b信号可对BDS尧GPS尧Galileo和Glonass四大1s袁同步头与B2b相同袁预留的6个符号用于标识PPP系统提供PPP服务遥基本帧结构如图1所示袁播发周期服务的状态袁最高位为0时表示该星PPP服务可用袁其他符号位含义预留遥当前有定义的信息类型是1-7袁信息类型8-62为预留信息袁信息类型63为空信息袁当没有可用信息时袁系统播发该类型填充空白时段遥

信息类型1播发卫星掩码信息袁包括255bit标识位置袁每比特代表一颗卫星袁数值为1时代表播发该颗卫星的差分信息遥其中BDS系统有63bit袁GPS系统有37bit袁Galileo系统有37bit袁GLONASS系统有37bit袁有81bit未被分配袁预置为0遥

信息类型2播发轨道改正参数和用户测距精度(User

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袁天线位于中国科学院微电子研究所科研楼的楼顶遥2.1载噪比

统计同一时间段各颗卫星B2b尧B1C尧B1I尧B2a和B3I载噪比情况袁计算平均值袁结果如表2所示遥2.2消息类型

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

RangeAccuracy袁URA)袁按照信息类型1的掩码信息依次播发各卫星的径向尧切向尧法向纠正和URA袁每条信息包含6个卫星的纠正参数遥

信息类型3播发各颗卫星各信号支路的码间偏差

由于PPP-B2b只在GEO卫星上播发袁目前只有59B2b信息类型包括1尧2尧3尧4尧5和63遥当前信息类型63号卫星播发该信号遥经过解析袁该卫星目前播发的PPP-

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卫星导航技术PRNC19C22C27C28C36C37C39C40C46B2bB1CSatelliteNevigationTechnology特约主编巴晓辉技术专栏表2各北斗卫星不同信号同一时间段平均载噪比情况

45.9835142.7535147.6069243.7038844.5553846.8163247.5986248.9301347.3013

41.4801937.0046740.5832639.6748340.6938642.8929543.0444344.2203436.198

42.9818939.9406842.9444942.4952840.3662442.5762543.8540943.9517044.70852B1I43.4121640.6986844.4323640.3615244.7677444.4264244.9220346.1437244.8072B2a电文速率假设为1000sps袁解析出来的B2b的Q支路信

(dBHz)46.4545443.3920848.6079244.8877145.3806346.7800847.2805448.9931749.978B3I号的载噪比情况如表3所示袁与I支路的载噪比很接近遥同时B2b的Q支路解调出的电文信息能找到帧头袁帧头也是0xEB90袁每帧的周期是1s遥B2b信号Q支路在正式提供服务时袁一般不会直接使用B2a信号Q支路的扩频码袁当前阶段B2b信号Q支路还处于测试状态遥

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袁包括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信号遥通过自主研发的接收机对天空中的卫星

的播发频率最高袁其次是信息类型4袁平均6s播发一次遥2.3定位结果

利用B2b解析出的电文信息进行定位袁参与定位的卫星共有9颗袁结果如图3所示袁依次为东(E)尧北(N)尧天顶(U)方向袁横坐标表示定位结果数量袁纵坐标为该方向定位误差袁三个方向定位精度的RMS值依次为0.45m尧1000sps袁难以使用长时间的相干累加来提高环路的灵敏0.31m和0.80m遥由于B2b信号I支路的信息速率达到度和跟踪精度袁因此相同条件下袁单独使用B2b信号的定位精度一般会比单独使用B2a或B3I信号的定位精度差遥但其优势在于可以快速收齐星历和星钟信息遥

2.4Q支路情况

当前接口控制文件中并没有关于Q支路的内容袁本文按照B2a的Q支路扩频码生成方式生成对应的B2b

进行了定位结果分析袁最后尝试对B2b信号的Q支路进行了解析遥参考文献

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Nerr

3210

Uerr

B2b信号进行捕获跟踪袁解析了B2b信号播发消息并且

服务体系(1.0版)[Z].2019.

报告(4.0版)[Z].2019.

控制文件B2b(测试版)[Z].2019.

控制文件PPP-B2b(测试版)[Z].2019.

Q支路扩频码袁且码初相也采用B2a的Q支路扩频码码初相遥即B2b的Q支路扩频码周期为1ms袁码长10230遥

1.510.50-0.5-10

200

400

600

800

Eerr

1

0.80.60.40.2-0.2-0.4-0.6-0.8-10

200

400

600

800

0

2.51.50.5-0.5-1.5-1-20

200

400

600

800

num

图3B2b定位结果(依次为E尧N尧U方向)

numnum

表3各卫星同一时刻B2b信号I尧Q支路载噪比情况

Q支路I支路PRN45.37245.983C1942.74842.754C2247.42847.607C2743.65443.704C2844.53844.555C3646.80146.816C3747.60947.599C3947.29147.301C4048.96848.930(dB)C464

欢迎网上投稿www.ChinaAET.com叶电子技术应用曳2020年第46卷第3期

(下转第13页)

卫星导航技术参考文献

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作者简介院

电路与设计遥

陈利(1994-)袁女袁硕士袁主要研究方向院射频模拟集成刘艳艳(1978-)袁通信作者袁女袁博士袁高级实验师袁主要研究方向院集成电路设计尧数字信号处理与模式识别遥

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渊收稿日期院2020-02-10冤

作者简介院

何旭蕾(1996-)袁女袁硕士袁主要研究方向院GNSS算法与接收机设计遥

刘成(1987-)袁男袁博士袁助理研究员袁主要研究方向院卫星导航增强技术遥

陈颖(1978-)袁女袁高级工程师袁主要研究方向院卫星导航与通信遥

巴晓辉(1980-)袁通信作者袁男袁研究员/博士生导师袁主要研究方向院卫星导航尧信号处理遥

(上接第9页)

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黄仕锦(1995-)袁男袁硕士研究生袁主要研究方向院射频赖松林(1972-)袁通信作者袁男袁本科袁副教授袁主要研究方向院电路与系统遥

王宇楠(1990-)袁男袁硕士袁工程师袁主要研究方向院物联网尧移动通信遥

叶电子技术应用曳2020年第46卷第3期

13