北斗导航卫星系统(BDS)是中国自主建设和运营的全球卫星导航系统。具有导航定位和通信数据传输两大功能，提供定位导航卫星服务(RNSS)、全球短报文通信(GSMC)和国际搜索与救援(SAR)、星基增强系统(SBAS)、地面增强系统(GAS)和精密单点定位(精密单点定位，PPP)以及区域短报文通信(RSMC)。截至2019年12月底，它已成功发射了1颗地球静止地球轨道卫星(GEO)、24颗中地球轨道卫星(MEO)和3颗倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)。包括28颗北斗三号卫星，预计2020年上半年再发射两颗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卫星广播的B1I和B3I信号提供RNSS服务；3 IGSO和24 MEO的B1C、B2a和信号也提供RNSS服务；三个GEOs通过信号提供精确的单点定位服务；三颗IGSO卫星和24颗MEO卫星通过SAR-B2b信号提供国际搜索和救援服务。2019年12月27日，中国卫星导航系统管理办公室公开了RNSS服务的B2b信号[3]和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确的点定位服务，如表1所示。日本的QZSSL6信号分为L6D和L6E。L6D主要服务日本，提供厘米级增强服务(CLAS)。L6E信号由BlockII卫星广播，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]。伽利略系统的E6B信号也提供PPP服务，参考文献[7]描述了E6B/C信号接收机的设计方案。E6B信号在MEO卫星上广播，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]，介绍了基本导航信号B2b和PPP-B2b信号结构以及提供修正信息的消息内容。根据自主研发设计的GNSS接收机，对实际接收的卫星信号进行分析，分析B2b信号的信息类型和实际定位结果。因为B2b接口控制文件只公开了I分支信息，没有公开Q分支信息，所以本文尝试分析B2bQ分支的信号。
1B2b信号介绍
北斗三号卫星的B2b信号载频为1207.14MHz，带宽为20.46MHz，在MEO和IGSO卫星上广播的B2b信号提供基本的导航服务，而在GEO卫星上广播的信号称为PPP-B2b，提供PPP服务，下面将分别介绍。
1.1基本导航信号B2b
B2b信号的I分支采用B-CNAV3消息格式，使用CyclicRedundancyCheck (CRC)。具体实现方法是CRC-24Q，基本帧结构如图1所示。
每帧消息长度为1000个符号，广播周期为1s，包括同步头(111010110010000)、PRN数、预留比特和低密度奇偶校验(LDPC (162，81))编码的消息符号。纠错编码前的报文为486位，包括6位信息类型、20位秒周(SOW)、436位报文数据和24位CRC校验。前462位全部参与循环冗余校验的计算。当前有效的信息类型是10、30和40，每种信息类型的格式如图2所示。SOW在北斗时间每周日00: 00: 00从零开始计数，每周末清零。
信息类型10包含星历信息，由18个星历参数和一个卫星轨道类型参数(SatType)组成，SatType的值分别代表GEO(01)、IGSO(10)和MEO(11)卫星。星历后面是三个标识位，依次是消息完整性标识(DIF)、信号完整性标识(SIF)和空间信号监测精度(SISMA)有效标识(AIF)。值为0表示完整性。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包括周数(WN)，从北斗起始历元(2006年1月1日00: 00: 00 UTC)开始从零开始计数。其次是钟差参数、B2b信号I支路时延差(TGDB2bI)、电离层参数、北斗时间(BDT)和协调世界时(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)。
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和其他GNSS系统之间的时间偏差，中等精度历书和简化历书分别包含14和6个参数，历书参考时间周计数(WNa)和历书参考时间(toa)在中间。
1.2PPP-B2b信号
PPP-B2b信号包括I分支和Q分支分量。北斗三号前三颗GEO卫星只广播I分支分量，同样由BPSK(10)调制，符号速率1000sps，测距码特性与B2b信号相同。PPP-B2b信号可以为BDS、GPS、Galileo、Glonass提供PPP服务。基本的帧结构如图1所示。广播周期为1s，同步头与B2b相同，预留的6个符号用于标识PPP业务的状态。最高位为0时，表示该星PPP服务可用，其他符号含义保留。当前定义的信息类型为1-7，信息类型8-62为保留信息，信息类型63为空信息。当没有可用信息时，系统将广播此类型以填充空白期。
信息类型1广播卫星掩码信息，包括255bit标识位置，每个bit代表一颗卫星，值1代表广播卫星的差分信息。其中BDS系统有63bit，GPS系统有37bit，Galileo系统有37bit，GLONASS系统有37bit，81bit未赋值，预设值为0。
信息类型2广播轨道修正参数和UserRangeAccuracy (URA)，根据信息类型1的掩码信息依次广播每颗卫星的径向、切向、法向修正和URA，每条信息包含6颗卫星的修正参数。
信息类型3广播每个卫星的每个信号分支的符号间偏差校正号。
信息类型4广播时钟误差校正信息，包括校正号的版本号(IODCorr)和时钟误差校正号C0。信息类型1中掩码为1的卫星全部按顺序分组，23颗卫星为一组，最多12组(最后一组两颗卫星)。组号由5bit的子类型1求解，该组23颗卫星的钟差修正值在每帧信息中依次广播。
信息类型5广播URA信息，也将广播差分信息的卫星分组，70颗卫星为一组，共4组(最后一组45颗卫星)。组号由3比特的子类型2求解，每帧信息中依次广播70颗卫星的URAI值。
信息类型6组合广播时钟误差校正和轨道校正信息，其包含与信息类型4和2相同的信息。可以自定义钟差改正(0~22)和轨道改正(0~6)对应的卫星数，可以自定义广播这组卫星差分信息的起始卫星数，可以与信息类型2和4结合使用。
信息类型7组合广播时钟误差校正和轨道校正数。与信息类型6不同的是，每组修正信息对应一颗通过SatSlot的卫星。
2卫星信号测试
2019年12月30日，利用自主研发的接收机对天上的北斗卫星数据进行分析。该天线位于中国科学院微电子研究所研究大楼的顶层。
2.1载波噪声比
统计同一时间段内卫星B2b、B1C、B1I、B2a、B3I的载噪比，计算平均值。结果如表2所示。
2.2消息类型
根据上面总结的信息结构，对接收到的卫星B2b信号消息进行分析。目前的B2b信号发送信息类型10、30、40，其中信息类型10、30交替广播，信息类型40每60s广播一次。这意味着B2b接收机在冷启动时的TimeToFirstFix (TTFF)可以大大缩短，因为收集星历和卫星时钟参数一般只需要2s。
由于PPP-B2b只在GEO卫星上广播，目前只有59号卫星广播这个信号。经过分析，目前卫星广播的PPP-B2b信息类型包括1、2、3、4、5、63。当前信息类型63的广播频率最高，其次是信息类型4，平均为6秒。
2.3定位结果
利用B2b分析的报文信息进行定位，有9颗卫星参与定位。如图3所示，结果依次位于东(e)、北(n)和天顶(u)方向。横坐标表示定位结果的数量，纵坐标表示该方向的定位误差。三个方向的定位精度均方根值依次为0.45米、0.31米和0.80米。由于B2b信号I支路的信息速率达到1000sps，很难通过长期的相干积累来提高环路的灵敏度和跟踪精度。因此，在同等条件下，单独B2b信号的定位精度一般比单独B2a或B3I信号的定位精度差。但它的优点是可以快速收集星历和星钟信息。
2.4Q分支机构情况
当前界面控制文件中没有关于Q分支的内容。本文根据B2a的Q分支扩频码的生成方法生成相应的B2bQ分支扩频码，码的初始相位也采用B2a的Q分支扩频码。即B2b的Q分支扩频码的周期为1ms，码长为10230。假设报文速率为1000sps，所分析的B2b的Q分支信号的载噪比如表3所示，与I分支的载噪比非常接近。同时B2b的Q分支解调的报文信息可以找到帧头，也是0xEB90，每帧的周期是1s。B2b信号Q分支正式提供服务时，B2a信号Q分支的扩频码不会直接使用，B2b信号Q分支目前还处于测试状态。
3结论
本文详细介绍了北斗三代卫星信号中的B2b信号，包括IGSO卫星和MEO卫星广播的基本导航信号B2b，以及GEO卫星广播的提供精确单点定位服务的PPP-B2b信号。利用自主研发的接收机捕获并跟踪天空中的卫星B2b信号，分析B2b信号的广播报文，分析定位结果。最后分析B2b信号的Q分支。
参考
[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系统(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档B2b (Beta) [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 (Beta) [Z].2019。
[5]组合办公服务(IS-QZSS-L6-002)[DB/OL]。(2019-12)[2020-02-10].https:///en/technical/PS-is-qzss/is _ qzss _ l6 _ 002 _
[6][分贝/醇]。(2019-07)[2020-02-10].https:///madoca/public/doc/Interface _ Specification _ B _
[7]GOHLERE，KROLI，BODENBACHM，/cre receiver:信号，原型，试验和性能[C].IONGNSS+，2016。
作者信息:
何旭雷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)