“北斗”衛星導航系統空間信號接口控制文件 解讀

徐菁（北京空間科技信息研究所）

“北斗”衛星導航系統采取“三步走”的發展步驟：第一步，“北斗”衛星導航試驗系統；第二步，“北斗”衛星導航系統區域服務；第三步，2020年左右全面建成“北斗”衛星導航系統，形成全球服務能力。目前，“北斗”區域衛星導航系統星座擁有14顆衛星在軌運行，包括5顆地球靜止軌道（GEO）衛星、5顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛星和4顆中圓地球軌道（MEO）衛星，為亞太區域用戶提供4種以上導航信號連續覆蓋。為此，中國衛星導航系統管理辦公室正式發布了“北斗”衛星導航系統空間信號接口控制文件（ICD）—公開服務信號B1I（1.0版），以鼓勵國內外相關企業參與“北斗”應用終端研發，推動“北斗”廣泛應用。

1 引言

“北斗”衛星導航系統空間信號接口控制文件定義了“北斗”系統空間星座和用戶終端之間公開服務信號B1I的接口關系，明確了“北斗”系統空間星座組成、時間系統和坐標系統，規范了B1I信號結構、基本參數和測距碼特征等相關內容，并重點闡述了導航電文格式、信息類別和播發特點，以及數據碼的糾錯編碼方式、幀結構、結構編排、基本內容和計算方法等。本文主要針對該文件中所涉及的時間系統、坐標系統、導航信號特征和導航電文格式等內容進行詳細解讀，并與美國的“全球定位系統”（GPS）和俄羅斯的“全球導航衛星系統”（GLONASS）進行對比分析研究。

2 時間系統

時間的概念與內涵

時間包含2個基本概念：時刻和時間間隔。所謂時刻，是指發生某一現象或事件的瞬間；所謂時間間隔，是指發生某一現象或事件所經歷的過程，在數值上等于該事件發生過程的起止時刻之差。在天文學和衛星導航應用中，把記錄某一事件發生的時刻稱為歷元；把用于時間間隔測量或計量的單位稱為時間尺度；把計量時刻的起始點稱為時間原點，或初始歷元。時間系統是由時間原點和時間尺度構成的，其中時間尺度是建立時間基準的關鍵，而時間原點可以根據實際應用加以選定。建立與維持衛星導航系統的核心任務就是實現導航星座與地面運控之間，以及用戶終端與導航星座之間的時間同步，構建統一的時間基準系統。常用的時間系統可以分為如下3種類型：

1）世界時系統。它是以地球自轉運動為基準而建立的時間系統。根據觀測地球自轉運動時所選擇空間參考點的不同，世界時系統又分為恒星時、真太陽時、平太陽時和世界時等。

2）歷書時系統。它是以地球公轉運動為依據而建立的時間系統。以經典牛頓力學為基礎建立的太陽系天體運動理論，其數學上的時間為均勻的自變量，稱為牛頓時。考慮到天體運動理論模型誤差和運動微分方程的積分常數誤差，利用任何一個天體位置歷表只能給出近似的牛頓時，通常把這種由天體位置歷表給出的時間稱為歷書時。

3）原子時系統。它是以物質內部原子運動特征為基準而建立的時間系統。將分布在世界各國實驗室的多臺原子時鐘進行相互比對，并經數據處理推算出全球統一的原子時系統時間，稱為國際原子時（TAI）。為了避免播發的原子時與世界時之間產生過大的偏差，一種以原子時秒長為基準，在時刻上盡量接近于世界時的一種折衷的時間系統，稱為協調世界時（UTC）。

協調世界時的秒長嚴格等于原子時的秒長，采用跳秒（或閏秒）的辦法使協調時與世界時的時刻相接近。當協調時與世界時的時刻之差超過0.9s時，就在協調時中引入一個閏秒（正的或負的），閏秒一般在每年6月30日或12月31日末加入。協調時除引入閏秒外，其本質上就是原子時，因此協調時的建立、測量和比對與原子時基本相同。目前，世界上約有45個實驗室建立了協調時系統。根據國際約定，各個時頻實驗室的協調時用UTC（k）表示，其中k表示各實驗室的縮寫符號。

衛星導航時間系統

衛星導航時間系統屬于原子時系統，目前已建成的“北斗”、GPS和GLONASS時間系統均以國際原子時秒長為時間尺度，但在時間原點定義和維持方式存在差異。

1）“北斗”時間系統。它是以中國國家授時中心（NTSC）的UTC（NTSC）時間為基準，通過“北斗”地面運控系統的原子時鐘組來實現的時間系統。利用“北斗”時間系統授時的時間，稱為“北斗”時間（BDT）。BDT是以2006年1月1日0時的UTC（NTSC）為時間原點，以國際原子時秒長為時間尺度，采用周和周內秒計數無跳秒連續計時。BDT通過UTC（NTSC）與國際UTC建立聯系，BDT與UTC（NTSC）的時差控制準確度小于100ns（模1s）。

“北斗”導航衛星進行總裝

2）GPS時間系統。它是以美國海軍天文臺（USNO）的UTC（USNO）時間為基準，通過GPS地面控制站的原子時鐘組來實現的時間系統。利用GPS時間系統授時的時間，稱為GPS時間（GPST）。GPS時間系統的時間原點是1980年1月6日0時的UTC（USNO），時間尺度為國際原子時秒長，是一個沒有跳秒的連續計時系統，以GPS周和周內累計秒數表示。除存在整秒的跳秒差外，GPS地面控制站使GPST與UTC（USNO）之間的系統差保持在1μs的范圍內。

3）GLONASS時間系統。它是以俄羅斯物理和無線電測量科學院（SU）的UTC（SU）時間為基準，通過GLONASS地面控制站的原子時鐘組來實現的時間系統。利用GLONASS時間系統授時的時間，稱為GLONASS時間（GLST）。GLONASS時間系統是一個具有同步跳秒的時間系統，GLST與UTC（SU）之間具有3h和小于1μs的系統差，但不存在跳秒差。

3 坐標系統

協議地球參考系及參考框架

理想的地球參考系是指一種相對于地球只存在變形，不存在整體旋轉和平移，而相對于慣性參考系只包含地球的整體運動（地球的軌道運動和自轉）的參考系統。由地球表面一系列觀測站構成的物理實體框架是理想地球參考系的最好近似和具體化形式。考慮到地極移動使地球坐標系的指向發生變化，將對實際工作帶來諸多不便。為此，國際天文聯合會與大地測量協會（IAU/IAG）決議：以1900-1905年間的平均緯度所確定的平均地極位置作為基準原點，并以此期間地球自轉軸在地球表面上的平均位置作為平極，稱為協議地球極（CTP）。利用協議地極為基準點而建立的地球坐標系，稱為協議地球參考系。

國際地球參考系（ITRS）是目前國際上公認的具有最高精度和穩定性的協議地球參考系，其基本定義為：

1）坐標原點位于整個地球質量中心，整個地球質量包括固體地球、海洋和大氣的質量總和；

2）坐標尺度采用國際單位制中定義的米的長度，是一個定義在廣義相對論意義下的局部地球參考框架內的尺度；

3）坐標系定向與國際時間局（BIH）1984.0歷元的CTP和零子午線相一致；

4）定向參數的時間演化相對于地殼不產生殘余的全球性旋轉，即參考系相對于整個地球的板塊水平運動來說，不存在整體性的殘余旋轉。

國際地球參考框架（ITRF）是ITRS的具體實現形式，是由一組固定于地球表面而且只作線運動的大地點的坐標及其變化率組成的。

衛星導航坐標系統

衛星導航坐標系統屬于協議地球參考系，通過布設在地面具有三維地心坐標的大地控制點構成的參考框架來具體實現。“北斗”系統采用2000中國大地坐標系（CGCS2000），其坐標原點位于地球質心；Z軸指向國際地球自轉服務組織（IERS）定義的參考極（IRP）方向；X軸指向IERS定義的參考子午面與通過原點且同Z軸正交的赤道的交點；Y軸與X軸和Z軸構成右手坐標系。GPS系統采用1984世界大地坐標系統（WGS－84），其坐標原點位于地球質心，Z軸指向BIH1984.0定義的CTP；X軸指向BIH1984.0定義的零子午面與CTP相應的赤道交點；Y軸與X軸和Z軸構成右手坐標系。GLONASS系統采用1990地球參數（PZ－90）坐標系，其坐標原點位于地球質心；Z軸指向IERS推薦的CTP；X軸指向地球赤道面與BIH定義的零子午線的交點；Y軸與X軸和Z軸構成右手坐標系。CGCS2000、WGS－84和PZ－90坐標系的原點為相應的參考橢球幾何中心，Z軸為參考橢球的旋轉軸。

4 導航信號特征

通常，衛星導航信號是由3種信號分量構成的，包括載波頻率信號、測距碼信號和導航數據碼信號（D）。其中，載波頻率是由衛星基準時鐘頻率按一定的比例關系控制而產生的；測距碼是一種高速率的偽隨機噪聲序列；導航數據碼是一種低速率的信號碼，用來傳送衛星星歷、衛星時鐘修正參數、衛星工作狀態、遙測信號、時間系統參數、群延遲改正參數和完好性信息等導航數據。依據服務對象和方式的不同，衛星導航信號又分為授權服務信號和公開服務信號。

“北斗”衛星導航信號

“北斗”衛星在多個載波頻率上調制多路信號，采取授權和公開兩種方式提供服務，滿足各類用戶實際應用需求。依據此次公布的ICD文件公開服務信號內容，B1載波頻率為1561.098MHz，采用正交相移鍵控（QPSK）調制方式，在I、Q兩個支路上調制測距碼和導航電文信號。B1I支路信號測距碼由兩個11級線性移位寄存器G1和G2生成序列，并進行模二加產生平衡Gold碼后截短1碼片而得到的，其速率和碼長分別為2.046×106碼片/秒、2046碼元。導航信號采用碼分多址（CDMA）的信號復用方式，以識別星座的衛星信號。

GPS衛星導航信號

GPS衛星在L1（1575.42 M H z）、L2（1227.60MHz）和L5（1176.45MHz）載波頻率上調制測距碼和導航數據碼信號。對于GPS－1、2、2A和2R衛星系列，采用二相移鍵控（BPSK）調制方式，在載波頻率L1上調制了測距碼信號C/A和P1，以及數據碼信號D；在載波頻率L2上調制了測距碼信號P1和數據碼信號D。C/A碼是由2個具有相同碼位長度（10級移位寄存器）和速率，但具有不同結構的m序列優選對G1和G2碼模二加而產生的Gold碼族序列，長度為1023碼元，重復周期為1ms；P碼是由4個12級移位寄存器的m序列進行異或計算而產生的截短碼序列，其長度為6.1871×1012碼元，重復周期為7天。采用碼分多址（CDMA）技術，區分不同的衛星信號并檢測出來。

CGCS2000、WGS－84和PZ－90坐標系采用的參考橢球基本常數

GPS－2RM衛星之后，在L2頻率上調制民用測距碼（L2C），并在L1和L2頻率上，采用二進制偏置載波（BOC）調制方式，調制新的軍用M碼。L2C碼是由兩個不同長度的偽隨機碼相乘而產生的，碼速率仍為1.023MHz；M碼比P碼具有較強的信號發射功率、抗干擾能力和保密性能，有利于軍用接收機直接捕獲信號。GPS－2F衛星之后,增加民用頻率L5。L5民用測距碼由兩個長度均為10230碼元的偽隨機碼組合而成，速率為1.023 MHz，采用QPSK調制方式，并帶有速率為50bit/s的數據信息。

GLONASS衛星導航信號

GLONASS采用頻分多址（FDMA）方式區分衛星，各衛星使用不同的頻率發射信號，在G1（1602.00MHz）和G2（1246.00MHz）兩個頻率鏈路上各分配了12個頻率通道，其頻率增量分別為0.5625MHz和0.4375MHz。采用BPSK調制方式，在兩個頻率鏈路上調制標準測距碼C、精密測距碼P和導航數據碼D。其中，C碼長度為511碼元，碼速率為0.511×106碼片/秒；P碼長度為5110000碼元，碼速率為5.11×106碼片/秒。

5 導航電文格式

衛星導航電文，即為導航數據碼，主要為用戶提供衛星軌道及鐘差參數、健康狀況和星座衛星歷書等信息，是用戶進行導航定位計算的基本參數。導航電文的碼速率遠低于測距碼，通過測距碼進行擴頻，再調制到載波頻率上播發至用戶終端。在導航電文的內容、分類、編排格式和計算方法上，不同的衛星導航系統之間存在差異。

“北斗”衛星導航電文

根據碼速率和結構的不同，“北斗”衛星導航電文分為兩類：一類是D1導航電文，速率為50bit/s，并調制有速率為1kbit/s的二次編碼，其內容包括本星基本導航信息、星座全部衛星歷書信息以及與其他系統時間同步信息，在MEO和IGSO衛星的B1I信號上播發；另一類是D2導航電文，速率為500bit/s，其內容包括“北斗”衛星導航系統差分信息、完好性信息和格網點電離層校正信息等，在GEO衛星的B1I信號上播發。“北斗”系統是采用開普勒軌道根數的形式播發導航星歷及攝動擬合參數，并根據開普勒軌道方程，計算“北斗”衛星在CGCS2000坐標系中的瞬時位置。

D1導航電文由超幀、主幀和子幀組成。每個超幀為36000bit，由24個主幀組成（24個頁面），歷時12min；每個主幀為1500bit，由5個子幀組成，歷時30s；每個子幀為300bit，由10個字組成，歷時6s；每個字為30bit，由導航電文數據及校驗碼組成，歷時0.6s。導航電文具體編排格式為：子幀1～3播發周內秒計數、整周計數、用戶測距精度指數、衛星自主健康標識、電離層延遲模型改正參數、衛星星歷參數及數據齡期、衛星鐘差參數及數據齡期、以及星上設備時延差等本星基本導航信息；子幀4和子幀5的信息內容由24個頁面分時發送，其中子幀4的頁面1～24和子幀5的頁面1～10播發星座全部衛星歷書及與其他系統時間同步信息；子幀5的頁面11～24為預留頁面。

D2導航電文由超幀、主幀和子幀組成。每個超幀為180000bit，由120個主幀組成，歷時6min；每個主幀為1500bit，由5個子幀組成，歷時3s；每個子幀為300bit，由10個字組成，歷時0.6s；每個字為30bit，由導航電文數據及校驗碼組成，歷時0.06s。導航電文具體編排格式為：子幀1播發本星基本導航信息，由10個頁面分時發送；子幀2～4播發“北斗”衛星導航系統完好性及差分信息，由6個頁面分時發送；子幀5播發星座全部衛星歷書、格網點電離層信息及與其他系統時間同步信息，由120個頁面分時發送。其中，子幀1的頁面1～10的低150bit信息，子幀4的頁面1～6，以及子幀5的頁面14～34、頁面74～94和頁面103～120為預留信息。

俄羅斯GLONASS導航星座示意圖

GPS衛星導航電文

GPS衛星導航電文依據規定的格式構成主幀，并以50bit/s的速率發送給用戶。每個主幀有1500bit的數據，并分成5個子幀，每個子幀有10個字，每個字30bit。各子幀的第1個字均為遙測字，以此作為捕獲導航電文的前導同步信號；第2個字為握手字，用于捕獲P碼的Z計數；5個子幀的其余字構成3個數據塊。其中，第Ⅰ數據塊包括衛星鐘差參數、GPS周數、衛星工作狀態、衛星時鐘數據參考歷元、衛星時鐘數據齡期和設備延遲參數等信息，位于第1子幀；第Ⅱ數據塊向用戶提供衛星運行參數，即衛星星歷，用于計算GPS衛星的瞬時位置及速度，位于第2、3子幀；第Ⅲ數據塊主要包括衛星歷書、電離層延遲改正參數和UTC時間改正參數等信息，位于第4、5子幀。記載全部衛星的歷書多達25頁，需要12.5min才能傳輸完畢。

GPS系統是以開普勒軌道根數的形式播發導航星歷，星歷參數的時間間隔2h；依據開普勒軌道方程，并加入衛星攝動擬合參數，計算GPS衛星在WGS－84坐標系中的瞬時位置。

GLONASS衛星導航電文

美國GPS導航星座示意圖

GLONASS衛星在標準測距碼和精密測距碼上分別調制了2種不同的導航電文。在標準測距碼上調制了1個超幀的導航電文數據，1個超幀包含5個幀，每幀歷時30s；1個幀包含15串，1個串為100bit；1個串由導航數據和時間標識組成。第1～5串為本星的星歷數據、幀頭對應的時間標識、衛星健康標識、鐘差參數和載波頻率與標準值的偏差；第6～15串為星座全部衛星的歷書信息。在精密測距碼上調制的導航電文數據較長，其1個超幀包含72幀，1個幀包含5個串，1個串為100bit，1個超幀數據需要12min才能傳輸完畢。

GLONASS系統是直接給出參考歷元的衛星位置、速度及日月對衛星的攝動加速度，星歷參數的時間間隔為30min；通常用4階的龍格-庫塔法進行數值積分，得到GLONASS衛星在PZ－90坐標系中的瞬時位置。

6 結束語

衛星導航系統是國家空間基礎設施，是繼移動通信和互聯網之后，推動全球經濟發展的巨大戰略性新興產業，正在給世界政治、軍事、科技帶來革命性的變化。ICD文件是研制導航用戶終端及芯片所必備的技術文件，而時間系統、坐標系統、導航信號特征和導航電文格式是ICD文件的核心內容，本文在解讀該文件相關技術概念和內涵的基礎上，通過對比分析“北斗”與GPS和GLONASS的差異，加深了對ICD文件的認識和理解。“北斗”ICD文件B1I信號1.0版的正式發布，必將加速推進“北斗”系統應用產業化，帶動相關行業快速發展。