北斗B1C信号及导航电文的特点分析与比较

章林锋，何海波，李琳，郑 冲

（1 中国人民解放军32021部队，北京 100094；2 北京卫星导航中心，北京 100094）

0 引言

我国已于 2012年建成北斗区域卫星导航区域系统，面向亚太地区连续提供导航、定位、授时服务，在国防、经济和社会生活中发挥着巨大作用。目前，北斗全球系统建设已启动，预计在 2020年左右建成覆盖全球的卫星导航定位系统。届时，全球民用导航用户将会同时接收北斗、GPS、Galileo、GLONASS四大系统提供的民用导航信号，导航性能将得到大幅提升。

为了让全球用户在获得最好服务性能的同时，最大限度地降低终端成本，我国与美国、欧盟开展了长期的研究和协调，在民用互操作信号上达成了系列合作协议，实现了北斗B1C和B2a公开信号分别与GPS L1C和L5、Galileo E1OS和E5a之间的用户级互操作。

2017年12月27日，中国卫星导航系统管理办公室在北斗网公布了《北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号 B1C（1.0版）》。本文基于该文件，重点对北斗B1C信号及导航电文进行介绍，并对其信号设计特点和导航电文应用模式进行分析，同时与GPS L1C和Galileo E1OS互操作信号进行比较，便于读者更好理解和应用北斗B1C互操作信号。

1 北斗B1C信号设计分析与比较

北斗将在MEO卫星和IGSO卫星上播发B1C信号。B1C信号与GPS的L1C信号和Galileo的E1OS信号具有相同的中心频点和频谱结构。北斗B1C信号、GPS L1C信号和Galileo E1OS信号的设计参数见表1。从表中可看出，B1C信号的设计方案与L1C信号比较相似。

表1 BDS B1C、GPS L1C和Galileo E1OS信号参数[1][2][3]

下面将分别从信号支路、调制方式、扩频码、信息/符号速率和接收功率等几个方面，对 B1C信号的设计进行分析和比较。

1.1 信号支路

B1C信号与L1C和E1OS信号一样，采用了“数据支路+导频支路”的设计方案，即只在数据支路上播发导航电文，导频支路上不播发电文。这一方案可提高信号的整体跟踪性能。因为导频支路上不调制电文，在设计其跟踪环路时，不用考虑导航电文翻转带来的载波相位半周期模糊度问题，所以可以舍弃传统的对导航电文翻转不敏感的Costas锁相环，改为选用性能更优的纯锁相环[4]。Costas锁相环与纯锁相环的主要区别在于环路鉴相器，两者的鉴相曲线对比如图1所示[4]。从图1中可看出，Costas锁相环鉴相器的牵入范围仅为±90度，而纯锁相环鉴相器的牵入范围达到±180度，更大的牵入范围意味着更强的跟踪误差容忍能力，也意味着可以实现更低的跟踪门限。相比Costas锁相环，纯锁相环的跟踪灵敏度要提高6dB。假设数据支路和导频支路的功率各占50%，则“数据+导频”支路的设计方案，相比传统的单数据支路设计方案（如北斗 B1I和GPS L1 C/A信号），跟踪门限可以提高3dB。

图1 Costas锁相环与纯锁相环的鉴相曲线

导频支路在跟踪环节的优势，为用户提供了一种提取原始观测量和解调导航电文的新思路[5]：用完整的纯锁相环路锁定导频支路，以获得较低的跟踪门限，并提取原始观测量；基于导频和数据支路之间的相位关系，用前者的载波相位和码相位辅助后者完成相干积分和电文符号提取，这样数据支路只需用一个相关器就完成了电文解调，而且无需检验相位是否翻转，减少了处理步骤并节省了硬件资源。

在数据/导频支路的功率分配上，B1C与 L1C信号相同，数据/导频支路的功率各占25%和75%，而E1OS的数据/导频支路的功率各占50%。这两种功率分配方案各有优劣：25/75的功率分配方案相比 50/50的分配方案，跟踪门限改善达 1.8dB，考虑到50/50方案相比100/0方案的3dB跟踪门限改善，总的跟踪门限改善可达4.8dB[5]；50/50的分配方案相比25/75的分配方案，数据支路的功率占比更高，具有更低的电文解调误码率。

为解决因数据支路功率下降引起的电文解调误码增多这一问题，B1C与L1C信号都在信道编码环节选择了强大的前向错误控制（Forward Error Control，FEC）编码技术，其中，B1C选择了 64进制LDPC编码方案，L1C选择了二进制LDPC编码方案。这些编码方案的编码增益都在6dB以上[5]，足以弥补因数据支路功率下降引起的电文解调性能的损失。

1.2 调制方式

B1C、L1C和E1OS三个信号都使用了混合二进制偏移载波（Multiplexed Binary Offset Carrier，MBOC）调制方式[6]，只是实现方式不同。MBOC调制方式是GPS和Galileo的兼容与互操作工作组为在 L1频点实现互操作而共同推荐的一种优化扩频调制方法，其功率谱由BOC(1,1)信号和BOC(6,1)信号功率谱混合而成，其中BOC(1,1)信号功率占总功率的10/11，BOC(6,1)信号功率占总功率的1/11。未经任何带限滤波的MBOC调制信号功率谱密度函数的表达式见式（1），其形状如图2所示[7]。从图中可看出，相比于纯 BOC(1,1)信号，MBOC信号在高频处具有更多的信号功率，使得MBOC信号具备更优的跟踪、抗干扰和抗多径性能。

图2 MBOC信号的功率谱密度

在 MBOC调制的实现方式上，三个信号互有差别。差别主要体现在三方面[1][2][3]：一是数据/导频支路功率配比，二是各支路调制的信号类型，三是 BOC(1,1)和 BOC(6,1)信号的混合方式。在功率配比和调制的信号类型方面，B1C和L1C信号的数据/导频支路功率配比都为1:3，且在数据支路上只播发BOC(1,1)信号，在导频支路混合播发BOC(1,1)和BOC(6,1)信号，而E1OS信号的数据/导频支路功率配比为1:1，且都混合播发BOC(1,1)和BOC(6,1)信号。在BOC(1,1)和BOC(6,1)信号的混合方式上，B1C导频支路采用 QMBOC(6,1,4/33)混合方式，BOC(1,1)与 BOC(6,1)信号以相位正交的方式混合，两者功率之比为 29:4；L1C导频支路采用TMBOC(6,1,4/33)混合方式，BOC(1,1)与 BOC(6,1)信号以时分复用的方式混合，两者功率之比同样是29:4（如图 3所示）；E1OS两条支路都采用CBOC(6,1,1/11)混合方式，将BOC(1,1)和BOC(6,1)信号按照10:1的功率比线性叠加（如图4所示），在数据支路上以同相方式叠加，记为CBOC(6,1,1/11,’+’)，在导频支路上以反相方式叠加，记为 CBOC(6,1,1/11,’-’)。CBOC 调制与 QMBOC 和TMBOC调制的一个主要区别是前者的扩频符号是多电平的，而后两者是双电平，多电平的扩频符号提高了用户机匹配接收的难度。

图3 GPS L1C信号导频支路BOC(1,1)和BOC(6,1)信号时分复用示意图

图4 Galileo E1OS信号E1-B和E1-C支路子载波时域波形图[3]

图5 MBOC信号导频支路的归一化自相关函数[7]

MBOC信号混合播发 BOC(1,1)和 BOC(6,1)信号，可为不同性能需求的用户带来更大的选择空间。对于定位精度要求较高的用户（如测量型用户），可选择宽带型射频前端，以充分利用 MBOC调制中BOC(6,1)分量的优越性能，来提高伪距测量精度和定位精度；对于定位精度要求不高的普通用户（如海量的中、低端接收机），可选择较窄的射频前端，仅接收处理MBOC调制中的BOC(1,1)分量，这样虽然会损失掉一定的接收功率，但在不影响用户使用的前提下可达到节约成本的目的。图5给出了单 BOC(1,1)信号、TMBOC信号和 CBOC(6,1,1/11,’-’)信号的归一化自相关峰对比图（QMBOC信号的自相关峰与 TMBOC信号相同）。从图中可看出，因为BOC(6,1)分量的存在，TMBOC和CBOC信号的自相关峰在某些区段比单 BOC(1,1)信号更“陡峭”，当宽带接收机在这些区段锁定信号时，将获得比窄带接收机更高的伪距测量精度和抗多径性能。

1.3 扩频码

B1C、L1C和E1OS三个信号的扩频码都使用了分层码结构，即码序列由主码和子码相异或构成。子码的码元宽度与主码的周期相同，子码码元起始时刻与主码第一个码元的起始时刻严格对齐，时序关系如图6所示。使用分层码结构主要带来以下好处：一是有效扩展扩频码长度，提高了扩频码的自相关和互相关性能；二是子码周期与导航电文帧周期相等且保持同步，如B1C和L1C信号的导频支路子码周期均为 18s，与一帧电文周期相等且起始时刻严格对齐，通过搜索导频支路的子码相位，可以加快实现数据支路的帧同步。

图6 B1C信号主码、子码时序关系示意图

在主码码族的选择上，B1C和L1C都选择了基于Legendre序列的Weil码，而E1OS选择了基于伪随机存储码序列的Random码。Weil码有码发生器，可以在接收机中实时生成，也可以事先存储进接收机以供实时读取，而Random码没有码发生器（由ICD直接给出完整的码序列），只能事先存储进接收机以供读取。

在主码码长的设计上，三个信号都采用了比传统扩频码更长的码序列。如B1C和L1C信号的主码周期都为10230码片，是传统扩频码序列长度的5～10倍（相比B1I信号和L1 C/A信号）。更长的码序列提供了更好的伪码自相关和互相关性能，也带来了更强的抗互相关干扰能力。更长的码序列也需要消耗更多的硬件资源和时间进行伪随机码捕获。为了避免该问题，对于GPS可先快速捕获L1 C/A码，进而引导捕获L1C。对于北斗则可先快速捕获B1I信号，进而引导捕获B1C。

1.4 信息/符号速率

三个信号都使用了比传统信号更高的符号速率：B1C和L1C的符号速率为100sps，是传统B1I信号（非GEO卫星）和L1 C/A信号的2倍，而E1OS的符号速率更是高达 250sps。更高的符号速率受益于更高的信号发射功率，也意味着在单位时间内可以播发更多的有用信息，这为扩充电文播发内容、缩短接收机首次定位时间和提高系统的完好性指标等奠定了良好的基础。

1.5 接收功率

从北斗系统纵向对比来看，B1C信号的最低接收功率达到了-158.5dBW（MEO卫星）和-160.3dBW（IGSO卫星），相对于传统的B1I信号（-163dBW），分别提高了4.5dB和2.7dB。接收功率的提高将给用户机的指标设计预留出更多的余量。

从各GNSS横向对比来看，B1C信号的最低接收功率比L1C和E1OS信号弱1.5dB（MEO卫星）和3.3dB（IGSO卫星），仅达到GPS L1C/A信号的水平。在调制方式和接收处理方法相似的前提下，最低接收功率的差距将带来接收性能的差距。

2 B-CNAV1电文设计分析

B1C信号播发B-CNAV1结构的导航电文信息。B-CNAV1包括基本导航信息和全球基本完好性信息。本节将从结构编排、电文内容、编码方案和播发顺序四个方面，对B-CNAV1电文的设计进行分析。

2.1 结构编排

B-CNAV1电文使用了一种结合帧结构和数据块结构的新的编排格式（如图7所示）。

图7 B-CNAV1电文帧结构

从图7中可看出，新结构以数据帧为基本格式，每帧周期为 18s，与导频支路的子码周期相同，可以用导频支路的子码相位来辅助数据支路完成帧同步。每个数据帧包含3个长度不同的子帧，其中子帧1固定播发卫星编号和小时内秒计数，子帧2固定播发星钟参数和星历参数等基本导航信息，子帧3基于页面类型播发变化的数据块信息。

B-CNAV1电文的编排格式集中了帧结构和数据块结构两者的优势：一方面，固定子帧播发顺序，确保子帧2中的基本导航信息播发周期固定，播发内容不变，为接收机在弱信号条件下使用多帧累加策略降低电文误码率创造了条件，同时也为接收机在正常条件下使用拼接相邻帧策略降低冷启动首次定位时间创造了条件（降到约 18秒，低于北斗B1I和GPS L1 C/A信号的约30秒）；另一方面，子帧3采用基于页面类型的数据块结构，可根据需要播发不同的页面类型，提高了数据内容扩充的灵活性以及播发内容的随机性。

2.2 电文内容

与北斗区域系统的 D1和 D2导航文相比，B-CNAV1导航电文在播发内容方面进行了一系列改进，包括增加了一些电文参数，同时对已有的电文参数进行了完善。播发内容的改进主要表现在以下几方面：

（1）提高了星历参数精度，包括增加大部分星历参数的数据长度，增加了卫星轨道类型参数SatType，增加了卫星平均运动速率与计算值之差的变化率参数Δn˙0，不再直接播发轨道长半轴，改为播发其相对某一固定参考值的差值及其变化率。

（2）改进了历书参数，提供中等精度历书（Midi Almanac）和简约历书（Reduced Almanac）两种类型历书。中等精度历书在D1、D2电文历书参数的基础上，增加了卫星编号 PRNa、卫星轨道类型SatType、参考时刻周计数WNa和卫星健康信息Health等参数，历书的计算方法完全一样，但各参数占用的比特数有所降低（1bit~8bit）。简约历书中只包含PRNa、SatType、Health、轨道半长轴改正量、轨道升交点经度和纬度幅角6个参数，而且参数长度比中等精度历书更短。简约历书虽然相比中等精度历书损失了数据精度，但同时也缩短了播发周期，可缩短启动状态或其它特殊场景用户对历书数据的收集时间，更好地满足不同用户的需求[8]。

（3）增加了地球定向参数(EOP)，包括X轴和Y轴方向在参考时刻的极移值和极移率，以及参考时间UT1与UTC之间的转换参数，基于这些参数，可以将地心地固（ECEF）坐标系中的卫星天线相位中心转换到地心惯性（ECI）坐标系中的卫星天线相位中心，同时将协调世界时 UTC转换成世界时UT1。

（4）更换了电离层延迟改正模型。D1和 D2电文里使用的是 8参数的 Klobuchar模型，而B-CNAV1电文中使用的是改进的 9参数球谐函数模型，后者对电离层延迟的改正性能更好。

（5）改进了用户距离精度(URA)指数，将过去的URA指数（ICD 1.0版中改称为“空间信号精度指数”）细分为卫星轨道切向和法向精度（SISAoe）指数、卫星轨道径向和卫星钟差精度（SISAoc）指数，其中，SISAoc又进一步细分为卫星轨道的径向及卫星钟固定偏差精度（SISAocb）指数、卫星钟频偏精度（SISAoc1）指数和卫星钟频漂精度（SISAoc2）指数三部分。

2.3 编码方案

北斗区域系统的D1和D2电文使用的编码方案是 BCH(15，11，1)和 15×2 的交织编码，BCH(15，11，1)编码只能纠正1个误码，纠错能力较弱，而15×2的交织编码也只能抵抗短时突发错误和短时信道衰落。

北斗全球系统在总结北斗区域系统电文设计的不足、并充分学习借鉴国外卫星导航系统电文设计先进理念的基础上，提出了B-CNAV1电文的编码方案。B-CNAV1电文中，子帧1使用了BCH(21，6)+BCH(51，8)的编码方案，纠错译码能力大幅提高；子帧2和子帧3先分别进行64进制LDPC(200，100)编码和64进制LDPC(88，44)编码，然后再共同进行48×36的块交织编码，纠正随机误码以及检测和抵抗突发误码的能力都显著提升。

将64进制LDPC编码引入导航电文设计是北斗全球系统的一个特点，其信道编码/译码方案都具有自主知识产权。在码长及编码效率相当的情况下，64进制LDPC编码方案与二进制LDPC编码方案（L1C电文中使用）相比，编码复杂度基本一致，译码复杂度约为后者的4~6倍，其编码增益也有所提高。两种编码方案在不同误码水平下的编码增益见表2，从表中可看出，多进制LDPC码性能优于二进制 LDPC码，在误码率为 10-6时，能提供约0.6~0.8dB的额外编码增益。

表2 64进制LDPC码与二进制LDPC码性能比较

B-CNAV1电文中综合使用了多种编码方案，给不同使用环境下的接收机提供了灵活的译码选择。对于在露天接收条件下工作的接收机来说，发生误码的概率较低，可以选择只做交织译码和CRC校验，而不做复杂度较高的LDPC译码；而对于在弱信号条件下工作的接收机来说，电文解调的误码率较高，可以通过增加一定的硬件或软件开销实现LDPC译码，以获得满意的电文译码性能。

2.4 播发顺序

B-CNAV1电文以子帧号顺序播发电文，其中子帧1和子帧2在固定的时间内重复播发，子帧3分页面类型播发各数据块，其播发不按某一固定规律排列，而是随机的、任意的。这一播发策略既保证了用户能在固定间隔的固定位置接收到星钟、星历等重要电文参数，又达到了根据不同阶段应用需求灵活调整电文播发内容和频度的目的。

B-CNAV1电文的历书播发顺序也比北斗区域系统的D1和D2电文更灵活。D1和D2电文中，将每一颗卫星的历书参数固定在特定子帧的特定页面，播发顺序和播发频率都不能灵活调整。而B-CNAV1电文中给每一组历书参数都配备了一个卫星编号 PRNa，这样可以根据卫星在轨情况和用户需求灵活调整各颗卫星的历书播发顺序和频度。

B-CNAV1和B-CNAV2电文还使用交叉播发的策略。如在B-CNAV1电文的子帧2中，播发了B2a信号的群延迟修正参数TGDB2ap，其目的是让双频用户只解调单频信号电文就能完成双频电离层修正，从而免去另一频点信号电文解调甚至是数据支路跟踪的开销，降低了用户机的实现复杂度。同时，B-CNAV2电文的信息类型30中，也播发了B1C信号的群延迟修正参数TGDB1cp，以及 B1C信号的卫星完好性状态标识SIF、DIF和AIF。其目的是利用B-CNAV2电文更新频度高的优势，缩短B1C信号的异常告警时间，提高了B1C信号的完好性指标。

3 小结

北斗民用信号B1C的信号和导航电文编排，在参考GPS L1C和Galileo E1OS信号的基础上，进行优化设计。B1C的信号与 GPS的 L1C信号和Galileo的E1OS信号具有相同的中心频点和频谱结构，也采用了“数据支路+导频支路”、混合二进制偏移载波调制、分层码结构等设计方案，导航电文结构编排和电文内容也与GPS L1C较为相近，实现与GPS L1C、Galileo E1OS之间的互操作。同时B1C的信号和导航电文编排也具有自身特点，如在BOC(1,1)和BOC(6,1)信号的混合方式上，B1C导频支路采用 QMBOC(6,1,4/33)混合方式;导航电文采用了64进制LDPC编码。相对于北斗B1I信号，北斗B1C信号具有更好的弱信号跟踪、更短的首次定位时间等服务性能。

参考文献：

[1]中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号 B1C（1.0版）[S].2017.

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[7]雷志远.新型导航信号调制性能分析及复用技术研究[D].西安:中国科学院国家授时中心,2012.

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