章林鋒，何海波，李琳，鄭 沖

（1 中國人民解放軍32021部隊，北京 100094；2 北京衛(wèi)星導航中心，北京 100094）

0 引言

我國已于 2012年建成北斗區(qū)域衛(wèi)星導航區(qū)域系統(tǒng)，面向亞太地區(qū)連續(xù)提供導航、定位、授時服務，在國防、經(jīng)濟和社會生活中發(fā)揮著巨大作用。目前，北斗全球系統(tǒng)建設已啟動，預計在 2020年左右建成覆蓋全球的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。屆時，全球民用導航用戶將會同時接收北斗、GPS、Galileo、GLONASS四大系統(tǒng)提供的民用導航信號，導航性能將得到大幅提升。

為了讓全球用戶在獲得最好服務性能的同時，最大限度地降低終端成本，我國與美國、歐盟開展了長期的研究和協(xié)調(diào)，在民用互操作信號上達成了系列合作協(xié)議，實現(xiàn)了北斗B1C和B2a公開信號分別與GPS L1C和L5、Galileo E1OS和E5a之間的用戶級互操作。

2017年12月27日，中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室在北斗網(wǎng)公布了《北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間信號接口控制文件公開服務信號 B1C（1.0版）》。本文基于該文件，重點對北斗B1C信號及導航電文進行介紹，并對其信號設計特點和導航電文應用模式進行分析，同時與GPS L1C和Galileo E1OS互操作信號進行比較，便于讀者更好理解和應用北斗B1C互操作信號。

1 北斗B1C信號設計分析與比較

北斗將在MEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星上播發(fā)B1C信號。B1C信號與GPS的L1C信號和Galileo的E1OS信號具有相同的中心頻點和頻譜結構。北斗B1C信號、GPS L1C信號和Galileo E1OS信號的設計參數(shù)見表1。從表中可看出，B1C信號的設計方案與L1C信號比較相似。

表1 BDS B1C、GPS L1C和Galileo E1OS信號參數(shù)[1][2][3]

下面將分別從信號支路、調(diào)制方式、擴頻碼、信息/符號速率和接收功率等幾個方面，對 B1C信號的設計進行分析和比較。

1.1 信號支路

B1C信號與L1C和E1OS信號一樣，采用了“數(shù)據(jù)支路+導頻支路”的設計方案，即只在數(shù)據(jù)支路上播發(fā)導航電文，導頻支路上不播發(fā)電文。這一方案可提高信號的整體跟蹤性能。因為導頻支路上不調(diào)制電文，在設計其跟蹤環(huán)路時，不用考慮導航電文翻轉帶來的載波相位半周期模糊度問題，所以可以舍棄傳統(tǒng)的對導航電文翻轉不敏感的Costas鎖相環(huán)，改為選用性能更優(yōu)的純鎖相環(huán)[4]。Costas鎖相環(huán)與純鎖相環(huán)的主要區(qū)別在于環(huán)路鑒相器，兩者的鑒相曲線對比如圖1所示[4]。從圖1中可看出，Costas鎖相環(huán)鑒相器的牽入范圍僅為±90度，而純鎖相環(huán)鑒相器的牽入范圍達到±180度，更大的牽入范圍意味著更強的跟蹤誤差容忍能力，也意味著可以實現(xiàn)更低的跟蹤門限。相比Costas鎖相環(huán)，純鎖相環(huán)的跟蹤靈敏度要提高6dB。假設數(shù)據(jù)支路和導頻支路的功率各占50%，則“數(shù)據(jù)+導頻”支路的設計方案，相比傳統(tǒng)的單數(shù)據(jù)支路設計方案（如北斗 B1I和GPS L1 C/A信號），跟蹤門限可以提高3dB。

圖1 Costas鎖相環(huán)與純鎖相環(huán)的鑒相曲線

導頻支路在跟蹤環(huán)節(jié)的優(yōu)勢，為用戶提供了一種提取原始觀測量和解調(diào)導航電文的新思路[5]：用完整的純鎖相環(huán)路鎖定導頻支路，以獲得較低的跟蹤門限，并提取原始觀測量；基于導頻和數(shù)據(jù)支路之間的相位關系，用前者的載波相位和碼相位輔助后者完成相干積分和電文符號提取，這樣數(shù)據(jù)支路只需用一個相關器就完成了電文解調(diào)，而且無需檢驗相位是否翻轉，減少了處理步驟并節(jié)省了硬件資源。

在數(shù)據(jù)/導頻支路的功率分配上，B1C與 L1C信號相同，數(shù)據(jù)/導頻支路的功率各占25%和75%，而E1OS的數(shù)據(jù)/導頻支路的功率各占50%。這兩種功率分配方案各有優(yōu)劣：25/75的功率分配方案相比 50/50的分配方案，跟蹤門限改善達 1.8dB，考慮到50/50方案相比100/0方案的3dB跟蹤門限改善，總的跟蹤門限改善可達4.8dB[5]；50/50的分配方案相比25/75的分配方案，數(shù)據(jù)支路的功率占比更高，具有更低的電文解調(diào)誤碼率。

為解決因數(shù)據(jù)支路功率下降引起的電文解調(diào)誤碼增多這一問題，B1C與L1C信號都在信道編碼環(huán)節(jié)選擇了強大的前向錯誤控制（Forward Error Control，F(xiàn)EC）編碼技術，其中，B1C選擇了 64進制LDPC編碼方案，L1C選擇了二進制LDPC編碼方案。這些編碼方案的編碼增益都在6dB以上[5]，足以彌補因數(shù)據(jù)支路功率下降引起的電文解調(diào)性能的損失。

1.2 調(diào)制方式

B1C、L1C和E1OS三個信號都使用了混合二進制偏移載波（Multiplexed Binary Offset Carrier，MBOC）調(diào)制方式[6]，只是實現(xiàn)方式不同。MBOC調(diào)制方式是GPS和Galileo的兼容與互操作工作組為在 L1頻點實現(xiàn)互操作而共同推薦的一種優(yōu)化擴頻調(diào)制方法，其功率譜由BOC(1,1)信號和BOC(6,1)信號功率譜混合而成，其中BOC(1,1)信號功率占總功率的10/11，BOC(6,1)信號功率占總功率的1/11。未經(jīng)任何帶限濾波的MBOC調(diào)制信號功率譜密度函數(shù)的表達式見式（1），其形狀如圖2所示[7]。從圖中可看出，相比于純 BOC(1,1)信號，MBOC信號在高頻處具有更多的信號功率，使得MBOC信號具備更優(yōu)的跟蹤、抗干擾和抗多徑性能。

圖2 MBOC信號的功率譜密度

在 MBOC調(diào)制的實現(xiàn)方式上，三個信號互有差別。差別主要體現(xiàn)在三方面[1][2][3]：一是數(shù)據(jù)/導頻支路功率配比，二是各支路調(diào)制的信號類型，三是 BOC(1,1)和 BOC(6,1)信號的混合方式。在功率配比和調(diào)制的信號類型方面，B1C和L1C信號的數(shù)據(jù)/導頻支路功率配比都為1:3，且在數(shù)據(jù)支路上只播發(fā)BOC(1,1)信號，在導頻支路混合播發(fā)BOC(1,1)和BOC(6,1)信號，而E1OS信號的數(shù)據(jù)/導頻支路功率配比為1:1，且都混合播發(fā)BOC(1,1)和BOC(6,1)信號。在BOC(1,1)和BOC(6,1)信號的混合方式上，B1C導頻支路采用 QMBOC(6,1,4/33)混合方式，BOC(1,1)與 BOC(6,1)信號以相位正交的方式混合，兩者功率之比為 29:4；L1C導頻支路采用TMBOC(6,1,4/33)混合方式，BOC(1,1)與 BOC(6,1)信號以時分復用的方式混合，兩者功率之比同樣是29:4（如圖 3所示）；E1OS兩條支路都采用CBOC(6,1,1/11)混合方式，將BOC(1,1)和BOC(6,1)信號按照10:1的功率比線性疊加（如圖4所示），在數(shù)據(jù)支路上以同相方式疊加，記為CBOC(6,1,1/11,’+’)，在導頻支路上以反相方式疊加，記為 CBOC(6,1,1/11,’-’)。CBOC 調(diào)制與 QMBOC 和TMBOC調(diào)制的一個主要區(qū)別是前者的擴頻符號是多電平的，而后兩者是雙電平，多電平的擴頻符號提高了用戶機匹配接收的難度。

圖3 GPS L1C信號導頻支路BOC(1,1)和BOC(6,1)信號時分復用示意圖

圖4 Galileo E1OS信號E1-B和E1-C支路子載波時域波形圖[3]

圖5 MBOC信號導頻支路的歸一化自相關函數(shù)[7]

MBOC信號混合播發(fā) BOC(1,1)和 BOC(6,1)信號，可為不同性能需求的用戶帶來更大的選擇空間。對于定位精度要求較高的用戶（如測量型用戶），可選擇寬帶型射頻前端，以充分利用 MBOC調(diào)制中BOC(6,1)分量的優(yōu)越性能，來提高偽距測量精度和定位精度；對于定位精度要求不高的普通用戶（如海量的中、低端接收機），可選擇較窄的射頻前端，僅接收處理MBOC調(diào)制中的BOC(1,1)分量，這樣雖然會損失掉一定的接收功率，但在不影響用戶使用的前提下可達到節(jié)約成本的目的。圖5給出了單 BOC(1,1)信號、TMBOC信號和 CBOC(6,1,1/11,’-’)信號的歸一化自相關峰對比圖（QMBOC信號的自相關峰與 TMBOC信號相同）。從圖中可看出，因為BOC(6,1)分量的存在，TMBOC和CBOC信號的自相關峰在某些區(qū)段比單 BOC(1,1)信號更“陡峭”，當寬帶接收機在這些區(qū)段鎖定信號時，將獲得比窄帶接收機更高的偽距測量精度和抗多徑性能。

1.3 擴頻碼

B1C、L1C和E1OS三個信號的擴頻碼都使用了分層碼結構，即碼序列由主碼和子碼相異或構成。子碼的碼元寬度與主碼的周期相同，子碼碼元起始時刻與主碼第一個碼元的起始時刻嚴格對齊，時序關系如圖6所示。使用分層碼結構主要帶來以下好處：一是有效擴展擴頻碼長度，提高了擴頻碼的自相關和互相關性能；二是子碼周期與導航電文幀周期相等且保持同步，如B1C和L1C信號的導頻支路子碼周期均為 18s，與一幀電文周期相等且起始時刻嚴格對齊，通過搜索導頻支路的子碼相位，可以加快實現(xiàn)數(shù)據(jù)支路的幀同步。

圖6 B1C信號主碼、子碼時序關系示意圖

在主碼碼族的選擇上，B1C和L1C都選擇了基于Legendre序列的Weil碼，而E1OS選擇了基于偽隨機存儲碼序列的Random碼。Weil碼有碼發(fā)生器，可以在接收機中實時生成，也可以事先存儲進接收機以供實時讀取，而Random碼沒有碼發(fā)生器（由ICD直接給出完整的碼序列），只能事先存儲進接收機以供讀取。

在主碼碼長的設計上，三個信號都采用了比傳統(tǒng)擴頻碼更長的碼序列。如B1C和L1C信號的主碼周期都為10230碼片，是傳統(tǒng)擴頻碼序列長度的5～10倍（相比B1I信號和L1 C/A信號）。更長的碼序列提供了更好的偽碼自相關和互相關性能，也帶來了更強的抗互相關干擾能力。更長的碼序列也需要消耗更多的硬件資源和時間進行偽隨機碼捕獲。為了避免該問題，對于GPS可先快速捕獲L1 C/A碼，進而引導捕獲L1C。對于北斗則可先快速捕獲B1I信號，進而引導捕獲B1C。

1.4 信息/符號速率

三個信號都使用了比傳統(tǒng)信號更高的符號速率：B1C和L1C的符號速率為100sps，是傳統(tǒng)B1I信號（非GEO衛(wèi)星）和L1 C/A信號的2倍，而E1OS的符號速率更是高達 250sps。更高的符號速率受益于更高的信號發(fā)射功率，也意味著在單位時間內(nèi)可以播發(fā)更多的有用信息，這為擴充電文播發(fā)內(nèi)容、縮短接收機首次定位時間和提高系統(tǒng)的完好性指標等奠定了良好的基礎。

1.5 接收功率

從北斗系統(tǒng)縱向對比來看，B1C信號的最低接收功率達到了-158.5dBW（MEO衛(wèi)星）和-160.3dBW（IGSO衛(wèi)星），相對于傳統(tǒng)的B1I信號（-163dBW），分別提高了4.5dB和2.7dB。接收功率的提高將給用戶機的指標設計預留出更多的余量。

從各GNSS橫向對比來看，B1C信號的最低接收功率比L1C和E1OS信號弱1.5dB（MEO衛(wèi)星）和3.3dB（IGSO衛(wèi)星），僅達到GPS L1C/A信號的水平。在調(diào)制方式和接收處理方法相似的前提下，最低接收功率的差距將帶來接收性能的差距。

2 B-CNAV1電文設計分析

B1C信號播發(fā)B-CNAV1結構的導航電文信息。B-CNAV1包括基本導航信息和全球基本完好性信息。本節(jié)將從結構編排、電文內(nèi)容、編碼方案和播發(fā)順序四個方面，對B-CNAV1電文的設計進行分析。

2.1 結構編排

B-CNAV1電文使用了一種結合幀結構和數(shù)據(jù)塊結構的新的編排格式（如圖7所示）。

圖7 B-CNAV1電文幀結構

從圖7中可看出，新結構以數(shù)據(jù)幀為基本格式，每幀周期為 18s，與導頻支路的子碼周期相同，可以用導頻支路的子碼相位來輔助數(shù)據(jù)支路完成幀同步。每個數(shù)據(jù)幀包含3個長度不同的子幀，其中子幀1固定播發(fā)衛(wèi)星編號和小時內(nèi)秒計數(shù)，子幀2固定播發(fā)星鐘參數(shù)和星歷參數(shù)等基本導航信息，子幀3基于頁面類型播發(fā)變化的數(shù)據(jù)塊信息。

B-CNAV1電文的編排格式集中了幀結構和數(shù)據(jù)塊結構兩者的優(yōu)勢：一方面，固定子幀播發(fā)順序，確保子幀2中的基本導航信息播發(fā)周期固定，播發(fā)內(nèi)容不變，為接收機在弱信號條件下使用多幀累加策略降低電文誤碼率創(chuàng)造了條件，同時也為接收機在正常條件下使用拼接相鄰幀策略降低冷啟動首次定位時間創(chuàng)造了條件（降到約 18秒，低于北斗B1I和GPS L1 C/A信號的約30秒）；另一方面，子幀3采用基于頁面類型的數(shù)據(jù)塊結構，可根據(jù)需要播發(fā)不同的頁面類型，提高了數(shù)據(jù)內(nèi)容擴充的靈活性以及播發(fā)內(nèi)容的隨機性。

2.2 電文內(nèi)容

與北斗區(qū)域系統(tǒng)的 D1和 D2導航文相比，B-CNAV1導航電文在播發(fā)內(nèi)容方面進行了一系列改進，包括增加了一些電文參數(shù)，同時對已有的電文參數(shù)進行了完善。播發(fā)內(nèi)容的改進主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）提高了星歷參數(shù)精度，包括增加大部分星歷參數(shù)的數(shù)據(jù)長度，增加了衛(wèi)星軌道類型參數(shù)SatType，增加了衛(wèi)星平均運動速率與計算值之差的變化率參數(shù)Δn˙0，不再直接播發(fā)軌道長半軸，改為播發(fā)其相對某一固定參考值的差值及其變化率。

（2）改進了歷書參數(shù)，提供中等精度歷書（Midi Almanac）和簡約歷書（Reduced Almanac）兩種類型歷書。中等精度歷書在D1、D2電文歷書參數(shù)的基礎上，增加了衛(wèi)星編號 PRNa、衛(wèi)星軌道類型SatType、參考時刻周計數(shù)WNa和衛(wèi)星健康信息Health等參數(shù)，歷書的計算方法完全一樣，但各參數(shù)占用的比特數(shù)有所降低（1bit~8bit）。簡約歷書中只包含PRNa、SatType、Health、軌道半長軸改正量、軌道升交點經(jīng)度和緯度幅角6個參數(shù)，而且參數(shù)長度比中等精度歷書更短。簡約歷書雖然相比中等精度歷書損失了數(shù)據(jù)精度，但同時也縮短了播發(fā)周期，可縮短啟動狀態(tài)或其它特殊場景用戶對歷書數(shù)據(jù)的收集時間，更好地滿足不同用戶的需求[8]。

（3）增加了地球定向參數(shù)(EOP)，包括X軸和Y軸方向在參考時刻的極移值和極移率，以及參考時間UT1與UTC之間的轉換參數(shù)，基于這些參數(shù)，可以將地心地固（ECEF）坐標系中的衛(wèi)星天線相位中心轉換到地心慣性（ECI）坐標系中的衛(wèi)星天線相位中心，同時將協(xié)調(diào)世界時 UTC轉換成世界時UT1。

（4）更換了電離層延遲改正模型。D1和 D2電文里使用的是 8參數(shù)的 Klobuchar模型，而B-CNAV1電文中使用的是改進的 9參數(shù)球諧函數(shù)模型，后者對電離層延遲的改正性能更好。

（5）改進了用戶距離精度(URA)指數(shù)，將過去的URA指數(shù)（ICD 1.0版中改稱為“空間信號精度指數(shù)”）細分為衛(wèi)星軌道切向和法向精度（SISAoe）指數(shù)、衛(wèi)星軌道徑向和衛(wèi)星鐘差精度（SISAoc）指數(shù)，其中，SISAoc又進一步細分為衛(wèi)星軌道的徑向及衛(wèi)星鐘固定偏差精度（SISAocb）指數(shù)、衛(wèi)星鐘頻偏精度（SISAoc1）指數(shù)和衛(wèi)星鐘頻漂精度（SISAoc2）指數(shù)三部分。

2.3 編碼方案

北斗區(qū)域系統(tǒng)的D1和D2電文使用的編碼方案是 BCH(15，11，1)和 15×2 的交織編碼，BCH(15，11，1)編碼只能糾正1個誤碼，糾錯能力較弱，而15×2的交織編碼也只能抵抗短時突發(fā)錯誤和短時信道衰落。

北斗全球系統(tǒng)在總結北斗區(qū)域系統(tǒng)電文設計的不足、并充分學習借鑒國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)電文設計先進理念的基礎上，提出了B-CNAV1電文的編碼方案。B-CNAV1電文中，子幀1使用了BCH(21，6)+BCH(51，8)的編碼方案，糾錯譯碼能力大幅提高；子幀2和子幀3先分別進行64進制LDPC(200，100)編碼和64進制LDPC(88，44)編碼，然后再共同進行48×36的塊交織編碼，糾正隨機誤碼以及檢測和抵抗突發(fā)誤碼的能力都顯著提升。

將64進制LDPC編碼引入導航電文設計是北斗全球系統(tǒng)的一個特點，其信道編碼/譯碼方案都具有自主知識產(chǎn)權。在碼長及編碼效率相當?shù)那闆r下，64進制LDPC編碼方案與二進制LDPC編碼方案（L1C電文中使用）相比，編碼復雜度基本一致，譯碼復雜度約為后者的4~6倍，其編碼增益也有所提高。兩種編碼方案在不同誤碼水平下的編碼增益見表2，從表中可看出，多進制LDPC碼性能優(yōu)于二進制 LDPC碼，在誤碼率為 10-6時，能提供約0.6~0.8dB的額外編碼增益。

表2 64進制LDPC碼與二進制LDPC碼性能比較

B-CNAV1電文中綜合使用了多種編碼方案，給不同使用環(huán)境下的接收機提供了靈活的譯碼選擇。對于在露天接收條件下工作的接收機來說，發(fā)生誤碼的概率較低，可以選擇只做交織譯碼和CRC校驗，而不做復雜度較高的LDPC譯碼；而對于在弱信號條件下工作的接收機來說，電文解調(diào)的誤碼率較高，可以通過增加一定的硬件或軟件開銷實現(xiàn)LDPC譯碼，以獲得滿意的電文譯碼性能。

2.4 播發(fā)順序

B-CNAV1電文以子幀號順序播發(fā)電文，其中子幀1和子幀2在固定的時間內(nèi)重復播發(fā)，子幀3分頁面類型播發(fā)各數(shù)據(jù)塊，其播發(fā)不按某一固定規(guī)律排列，而是隨機的、任意的。這一播發(fā)策略既保證了用戶能在固定間隔的固定位置接收到星鐘、星歷等重要電文參數(shù)，又達到了根據(jù)不同階段應用需求靈活調(diào)整電文播發(fā)內(nèi)容和頻度的目的。

B-CNAV1電文的歷書播發(fā)順序也比北斗區(qū)域系統(tǒng)的D1和D2電文更靈活。D1和D2電文中，將每一顆衛(wèi)星的歷書參數(shù)固定在特定子幀的特定頁面，播發(fā)順序和播發(fā)頻率都不能靈活調(diào)整。而B-CNAV1電文中給每一組歷書參數(shù)都配備了一個衛(wèi)星編號 PRNa，這樣可以根據(jù)衛(wèi)星在軌情況和用戶需求靈活調(diào)整各顆衛(wèi)星的歷書播發(fā)順序和頻度。

B-CNAV1和B-CNAV2電文還使用交叉播發(fā)的策略。如在B-CNAV1電文的子幀2中，播發(fā)了B2a信號的群延遲修正參數(shù)TGDB2ap，其目的是讓雙頻用戶只解調(diào)單頻信號電文就能完成雙頻電離層修正，從而免去另一頻點信號電文解調(diào)甚至是數(shù)據(jù)支路跟蹤的開銷，降低了用戶機的實現(xiàn)復雜度。同時，B-CNAV2電文的信息類型30中，也播發(fā)了B1C信號的群延遲修正參數(shù)TGDB1cp，以及 B1C信號的衛(wèi)星完好性狀態(tài)標識SIF、DIF和AIF。其目的是利用B-CNAV2電文更新頻度高的優(yōu)勢，縮短B1C信號的異常告警時間，提高了B1C信號的完好性指標。

3 小結

北斗民用信號B1C的信號和導航電文編排，在參考GPS L1C和Galileo E1OS信號的基礎上，進行優(yōu)化設計。B1C的信號與 GPS的 L1C信號和Galileo的E1OS信號具有相同的中心頻點和頻譜結構，也采用了“數(shù)據(jù)支路+導頻支路”、混合二進制偏移載波調(diào)制、分層碼結構等設計方案，導航電文結構編排和電文內(nèi)容也與GPS L1C較為相近，實現(xiàn)與GPS L1C、Galileo E1OS之間的互操作。同時B1C的信號和導航電文編排也具有自身特點，如在BOC(1,1)和BOC(6,1)信號的混合方式上，B1C導頻支路采用 QMBOC(6,1,4/33)混合方式;導航電文采用了64進制LDPC編碼。相對于北斗B1I信號，北斗B1C信號具有更好的弱信號跟蹤、更短的首次定位時間等服務性能。

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