“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)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(wèi)星導航系統(tǒng)采取“三步走”的發(fā)展步驟：第一步，“北斗”衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)；第二步，“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)區(qū)域服務；第三步，2020年左右全面建成“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)，形成全球服務能力。目前，“北斗”區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座擁有14顆衛(wèi)星在軌運行，包括5顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星和4顆中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星，為亞太區(qū)域用戶提供4種以上導航信號連續(xù)覆蓋。為此，中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室正式發(fā)布了“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)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(nèi)外相關(guān)企業(yè)參與“北斗”應用終端研發(fā)，推動“北斗”廣泛應用。

1 引言

“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間信號接口控制文件定義了“北斗”系統(tǒng)空間星座和用戶終端之間公開服務信號B1I的接口關(guān)系，明確了“北斗”系統(tǒng)空間星座組成、時間系統(tǒng)和坐標系統(tǒng)，規(guī)范了B1I信號結(jié)構(gòu)、基本參數(shù)和測距碼特征等相關(guān)內(nèi)容，并重點闡述了導航電文格式、信息類別和播發(fā)特點，以及數(shù)據(jù)碼的糾錯編碼方式、幀結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)編排、基本內(nèi)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(tǒng)、坐標系統(tǒng)、導航信號特征和導航電文格式等內(nèi)容進行詳細解讀，并與美國的“全球定位系統(tǒng)”（GPS）和俄羅斯的“全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（GLONASS）進行對比分析研究。

2 時間系統(tǒng)

時間的概念與內(nèi)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(fā)生某一現(xiàn)象或事件的瞬間；所謂時間間隔，是指發(fā)生某一現(xiàn)象或事件所經(jīng)歷的過程，在數(shù)值上等于該事件發(fā)生過程的起止時刻之差。在天文學和衛(wèi)星導航應用中，把記錄某一事件發(fā)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(tǒng)是由時間原點和時間尺度構(gòu)成的，其中時間尺度是建立時間基準的關(guān)鍵，而時間原點可以根據(jù)實際應用加以選定。建立與維持衛(wèi)星導航系統(tǒng)的核心任務就是實現(xiàn)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(gòu)建統(tǒng)一的時間基準系統(tǒng)。常用的時間系統(tǒng)可以分為如下3種類型：

1）世界時系統(tǒng)。它是以地球自轉(zhuǎn)運動為基準而建立的時間系統(tǒng)。根據(jù)觀測地球自轉(zhuǎn)運動時所選擇空間參考點的不同，世界時系統(tǒng)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(tǒng)。它是以地球公轉(zhuǎn)運動為依據(jù)而建立的時間系統(tǒng)。以經(jīng)典牛頓力學為基礎建立的太陽系天體運動理論，其數(shù)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(shù)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(tǒng)。它是以物質(zhì)內(nèi)部原子運動特征為基準而建立的時間系統(tǒng)。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(jīng)數(shù)據(jù)處理推算出全球統(tǒng)一的原子時系統(tǒng)時間，稱為國際原子時（TAI）。為了避免播發(fā)的原子時與世界時之間產(chǎn)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(tǒng)，稱為協(xié)調(diào)世界時（UTC）。

協(xié)調(diào)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(xié)調(diào)時與世界時的時刻相接近。當協(xié)調(diào)時與世界時的時刻之差超過0.9s時，就在協(xié)調(diào)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(xié)調(diào)時除引入閏秒外，其本質(zhì)上就是原子時，因此協(xié)調(diào)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(xié)調(diào)時系統(tǒng)。根據(jù)國際約定，各個時頻實驗室的協(xié)調(diào)時用UTC（k）表示，其中k表示各實驗室的縮寫符號。

衛(wèi)星導航時間系統(tǒng)

衛(wèi)星導航時間系統(tǒng)屬于原子時系統(tǒng)，目前已建成的“北斗”、GPS和GLONASS時間系統(tǒng)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(tǒng)。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(tǒng)的原子時鐘組來實現(xiàn)的時間系統(tǒng)。利用“北斗”時間系統(tǒng)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(nèi)秒計數(shù)無跳秒連續(xù)計時。BDT通過UTC（NTSC）與國際UTC建立聯(lián)系，BDT與UTC（NTSC）的時差控制準確度小于100ns（模1s）。

“北斗”導航衛(wèi)星進行總裝

2）GPS時間系統(tǒng)。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(xiàn)的時間系統(tǒng)。利用GPS時間系統(tǒng)授時的時間，稱為GPS時間（GPST）。GPS時間系統(tǒng)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(xù)計時系統(tǒng)，以GPS周和周內(nèi)累計秒數(shù)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(tǒng)差保持在1μs的范圍內(nèi)。

3）GLONASS時間系統(tǒng)。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(xiàn)的時間系統(tǒng)。利用GLONASS時間系統(tǒng)授時的時間，稱為GLONASS時間（GLST）。GLONASS時間系統(tǒng)是一個具有同步跳秒的時間系統(tǒng)，GLST與UTC（SU）之間具有3h和小于1μs的系統(tǒng)差，但不存在跳秒差。

3 坐標系統(tǒng)

協(xié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)）的參考系統(tǒng)。由地球表面一系列觀測站構(gòu)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(fā)生變化，將對實際工作帶來諸多不便。為此，國際天文聯(lián)合會與大地測量協(xié)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(zhuǎn)軸在地球表面上的平均位置作為平極，稱為協(xié)議地球極（CTP）。利用協(xié)議地極為基準點而建立的地球坐標系，稱為協(xié)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(wěn)定性的協(xié)議地球參考系，其基本定義為：

1）坐標原點位于整個地球質(zhì)量中心，整個地球質(zhì)量包括固體地球、海洋和大氣的質(zhì)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(nèi)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(shù)的時間演化相對于地殼不產(chǎn)生殘余的全球性旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)。

國際地球參考框架（ITRF）是ITRS的具體實現(xiàn)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(wèi)星導航坐標系統(tǒng)

衛(wèi)星導航坐標系統(tǒng)屬于協(xié)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(gòu)成的參考框架來具體實現(xiàn)。“北斗”系統(tǒng)采用2000中國大地坐標系（CGCS2000），其坐標原點位于地球質(zhì)心；Z軸指向國際地球自轉(zhuǎn)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(gòu)成右手坐標系。GPS系統(tǒng)采用1984世界大地坐標系統(tǒng)（WGS－84），其坐標原點位于地球質(zhì)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(gòu)成右手坐標系。GLONASS系統(tǒng)采用1990地球參數(shù)（PZ－90）坐標系，其坐標原點位于地球質(zhì)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(gòu)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(zhuǎn)軸。

4 導航信號特征

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

“北斗”衛(wèi)星導航信號

“北斗”衛(wèi)星在多個載波頻率上調(diào)制多路信號，采取授權(quán)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(jù)此次公布的ICD文件公開服務信號內(nèi)容，B1載波頻率為1561.098MHz，采用正交相移鍵控（QPSK）調(diào)制方式，在I、Q兩個支路上調(diào)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(chǎn)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(wèi)星信號。

GPS衛(wèi)星導航信號

GPS衛(wèi)星在L1（1575.42 M H z）、L2（1227.60MHz）和L5（1176.45MHz）載波頻率上調(diào)制測距碼和導航數(shù)據(jù)碼信號。對于GPS－1、2、2A和2R衛(wèi)星系列，采用二相移鍵控（BPSK）調(diào)制方式，在載波頻率L1上調(diào)制了測距碼信號C/A和P1，以及數(shù)據(jù)碼信號D；在載波頻率L2上調(diào)制了測距碼信號P1和數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)的m序列優(yōu)選對G1和G2碼模二加而產(chǎn)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(chǎn)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(shù)，區(qū)分不同的衛(wèi)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(shù)

GPS－2RM衛(wèi)星之后，在L2頻率上調(diào)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(diào)制方式，調(diào)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(chǎn)生的，碼速率仍為1.023MHz；M碼比P碼具有較強的信號發(fā)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(wèi)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(diào)制方式，并帶有速率為50bit/s的數(shù)據(jù)信息。

GLONASS衛(wèi)星導航信號

GLONASS采用頻分多址（FDMA）方式區(qū)分衛(wèi)星，各衛(wèi)星使用不同的頻率發(fā)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(diào)制方式，在兩個頻率鏈路上調(diào)制標準測距碼C、精密測距碼P和導航數(shù)據(jù)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(wèi)星導航電文，即為導航數(shù)據(jù)碼，主要為用戶提供衛(wèi)星軌道及鐘差參數(shù)、健康狀況和星座衛(wèi)星歷書等信息，是用戶進行導航定位計算的基本參數(shù)。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(diào)制到載波頻率上播發(fā)至用戶終端。在導航電文的內(nèi)容、分類、編排格式和計算方法上，不同的衛(wèi)星導航系統(tǒng)之間存在差異。

“北斗”衛(wèi)星導航電文

根據(jù)碼速率和結(jié)構(gòu)的不同，“北斗”衛(wèi)星導航電文分為兩類：一類是D1導航電文，速率為50bit/s，并調(diào)制有速率為1kbit/s的二次編碼，其內(nèi)容包括本星基本導航信息、星座全部衛(wèi)星歷書信息以及與其他系統(tǒng)時間同步信息，在MEO和IGSO衛(wèi)星的B1I信號上播發(fā)；另一類是D2導航電文，速率為500bit/s，其內(nèi)容包括“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)差分信息、完好性信息和格網(wǎng)點電離層校正信息等，在GEO衛(wèi)星的B1I信號上播發(fā)。“北斗”系統(tǒng)是采用開普勒軌道根數(shù)的形式播發(fā)導航星歷及攝動擬合參數(shù)，并根據(jù)開普勒軌道方程，計算“北斗”衛(wèi)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(shù)據(jù)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(fā)周內(nèi)秒計數(shù)、整周計數(shù)、用戶測距精度指數(shù)、衛(wèi)星自主健康標識、電離層延遲模型改正參數(shù)、衛(wèi)星星歷參數(shù)及數(shù)據(jù)齡期、衛(wèi)星鐘差參數(shù)及數(shù)據(jù)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(nèi)容由24個頁面分時發(fā)送，其中子幀4的頁面1～24和子幀5的頁面1～10播發(fā)星座全部衛(wèi)星歷書及與其他系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(fā)本星基本導航信息，由10個頁面分時發(fā)送；子幀2～4播發(fā)“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)完好性及差分信息，由6個頁面分時發(fā)送；子幀5播發(fā)星座全部衛(wèi)星歷書、格網(wǎng)點電離層信息及與其他系統(tǒng)時間同步信息，由120個頁面分時發(fā)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(wèi)星導航電文

GPS衛(wèi)星導航電文依據(jù)規(guī)定的格式構(gòu)成主幀，并以50bit/s的速率發(fā)送給用戶。每個主幀有1500bit的數(shù)據(jù)，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(shù)；5個子幀的其余字構(gòu)成3個數(shù)據(jù)塊。其中，第Ⅰ數(shù)據(jù)塊包括衛(wèi)星鐘差參數(shù)、GPS周數(shù)、衛(wèi)星工作狀態(tài)、衛(wèi)星時鐘數(shù)據(jù)參考歷元、衛(wèi)星時鐘數(shù)據(jù)齡期和設備延遲參數(shù)等信息，位于第1子幀；第Ⅱ數(shù)據(jù)塊向用戶提供衛(wèi)星運行參數(shù)，即衛(wèi)星星歷，用于計算GPS衛(wèi)星的瞬時位置及速度，位于第2、3子幀；第Ⅲ數(shù)據(jù)塊主要包括衛(wèi)星歷書、電離層延遲改正參數(shù)和UTC時間改正參數(shù)等信息，位于第4、5子幀。記載全部衛(wèi)星的歷書多達25頁，需要12.5min才能傳輸完畢。

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

GLONASS衛(wèi)星導航電文

美國GPS導航星座示意圖

GLONASS衛(wèi)星在標準測距碼和精密測距碼上分別調(diào)制了2種不同的導航電文。在標準測距碼上調(diào)制了1個超幀的導航電文數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)和時間標識組成。第1～5串為本星的星歷數(shù)據(jù)、幀頭對應的時間標識、衛(wèi)星健康標識、鐘差參數(shù)和載波頻率與標準值的偏差；第6～15串為星座全部衛(wèi)星的歷書信息。在精密測距碼上調(diào)制的導航電文數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)需要12min才能傳輸完畢。

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

6 結(jié)束語

衛(wèi)星導航系統(tǒng)是國家空間基礎設施，是繼移動通信和互聯(lián)網(wǎng)之后，推動全球經(jīng)濟發(fā)展的巨大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，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(shù)文件，而時間系統(tǒng)、坐標系統(tǒng)、導航信號特征和導航電文格式是ICD文件的核心內(nèi)容，本文在解讀該文件相關(guān)技術(shù)概念和內(nèi)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(fā)布，必將加速推進“北斗”系統(tǒng)應用產(chǎn)業(yè)化，帶動相關(guān)行業(yè)快速發(fā)展。