北斗三号与北斗二号基本导航电文参数比较
【引用格式】辛洁，陈茜，郭睿，等. 北斗三号与北斗二号基本导航电文参数比较[J].测绘科学, 2020, 45(4)：32-38.
【摘要】随着北斗卫星导航系统新技术体制的验证实现，北斗卫星导航电文在数据结构编排、参数设计、播发模式、算法设计等方面都进行了优化。本文从导航电文结构、导航电文内容和播发方式等方面对北斗二号系统和北斗三号系统导航电文播发现状进行了比对分析，着重比较分析了卫星星历参数、卫星钟差钟差、数据有效性标识、设备群延迟参数、设备延迟参数、电离层改正、完好性等导航电文参数，并结合导航电文实际应用，给出了广播星历拟合精度、卫星钟差拟合精度、系统定位精度评估结果。结果表明：北斗卫星广播星历拟合残差为厘米级，18参数广播星历拟合精度略优于16参数的拟合精度；加入星间链路钟差后，MEO卫星的钟差测定精度虽与仅星地观测的钟差精度基本相当，但明显提高了卫星钟差预报精度；北斗二号与北斗三号联合定位精度较仅北斗二号卫星定位精度有所提升。
0 引言
导航电文类型的多样化体现了现代卫星导航信号体制设计的逐步完善性和服务类型的多样化，为多航系统的互操作性能提升打下了坚实的基础。北斗卫星导航区域系统（以下简称北斗二号系统）、北斗三号卫星导航系统（以下简称北斗三号系统）的空间段均是由MEO/IGSO/GEO三种卫星组成构成的混合星座，采用了多种信号调制方式，也相应地设计了多种类型的导航电文。
导航电文设计中不但要考虑各种不同数据的实效性、信息间的时序关系、所需发送的数据量，还要考虑电文结构的可扩展性和灵活性以及完好性、通信资源利用率等多种因素。北斗三号系统在进行导航电文设计时，充分考虑了现有用户的利益，保留了部分与北斗二号系统相同的频点信号作为平稳过渡信号，并综合借鉴了CNAV、CNAV-2、F/NAV等现代化卫星导航系统电文设计经验，结合北斗三号系统体制和特点，从空间信号精度、可靠性、完整性、实效性和可扩展性上，对导航电文的数据结构编排、信息传输速率、导航电文内容、差错控制编码以及电文播发方式等方面进行了优化设计，在全球新体制信号上播发了全新的导航电文，提高了空间信号精度，降低了用户使用成本。
本文针对北斗二号系统北斗三号系统，从导航电文结构和导航电文内容等方面开展了比较研究，给出了各类参数的使用差异，并结合实测数据分析了北斗三号导航电文的使用性能。
1 基本导航电文结构
北斗二号导航电文采用了固定帧结构，且各子帧播发内容也是固定的，这种固定帧结构优点在于导航电文格式固定，方便了用户解析使用，但也相应地带来了系统扩展性差、通信资源利用率低等问题。根据信息速率和结构不同，北斗二号系统导航电文分为D1和D2两类导航电文。
北斗三号系统在全球新体制信号上播发的导航电文采用了固定帧和数据块结构相结合的模式。北斗三号系统导航电文以数据帧为基本结构，每个数据帧又由3个长度不同的子帧构成，兼具帧结构和数据块结构组合方式的优点，具有良好的系统扩展性、灵活性，但也存在额外增加辅助信息的缺点。根据速率和结构不同，B1C频点、B2a频点上分别播发B-CNAV1和B-CNAV2导航电文，电文数据调制在B1C、B2a数据分量上。
1）星历参数：BDS-2采用了16参数广播星历模型，而BDS-3采用了18参数广播星历模型。
2）星钟参数：BDS-3较BDS-2播发的钟差参数形式虽无差异，但其卫星钟差参数预报精度有了较大改善，且能够通过星间链路实现境外卫星导航电文中钟差参数的实时更新。
3）电文有效性标识：BDS-2分别通过星历数据龄期AODE和时钟数据龄期AODC来标识星历参数、钟差参数的外推时间间；BDS-3分别通过星历参数版本号IODE和钟差参数版本号IODC来反应星历参数、钟差参数是否发生变化及数据龄期的范围。
4）群延迟参数：相较于BDS-2，BDS-3全球新体制信号由导频分量和数据分量组成。星上设备群延迟仅修正导频分量，而对于数据分量的延迟修正，还需进一步结合频内时延修正项，补偿数据分量与导频分量间的时延差。因此，北斗二号、北斗三号系统各频点公开信号卫星总钟差如表1所示，其中∆tr为相对论效应校正参数。
5）电离层模型误差：BDS-2采用了8参数球谐参数（Klobuchar）经典模型，可计算B1I信号的电离层垂直改正。对于其他公开信号，其传播路径上的电离层延迟需在的基础上乘以一个与频率有关的因子；BDS-3对于全球新体制信号采用了9参数北斗全球电离层延迟修正模型（BDGIM），用于单频用户信号传播过程中的电离层延迟效应修正。
6）历书：BDS-2卫星历书参数主要包含卫星历书参考时刻、钟差参数、7个轨道参数，以及受页面资源限制而新增的分时播发识别标识；BDS-3卫星历书参数进一步划分为14参数中等精度历书参数和6参数简约历书参数。
7） 卫星健康信息标识：BDS-2主要包括三类：历书中的卫星健康信息Health、卫星自主健康标识SatH1、完好性及差分信息健康标识SatH2；与BDS-2，BDS-3也在历书中播发卫星健康信息，并采用卫星健康状态HS标识本卫星当前健康状态。有所差异的时，北斗三号系统新增了卫星完好性状态标识，采用电文完好性标识（DIF）、信号完好性标识（SIF）和系统告警标识（AIF）三个参数来标识各频点监测信号的有效性、可用性。
8） 空间信号监测精度标识：BDS-2采用RURAI来表征空间信号监测精度；BDS-3采用空间信号监测精度（SISMA），用空间信号监测精度指数（SISMAI）表征，更新周期为30s，并与AIF相关联。
9）空间信号预报精度：相较于BDS-2，BDS-3增加了空间信号精度指示SISA，来描述导航电文中播发的轨道和钟差预报精度。
3 导航电文参数性能评估
利用精密定轨生成的预报轨道、地球物理参数以及配置参数进行星历参数拟合，逐历元计算星历拟合R、T、N三方向误差。分别对同一颗MEO卫星分别进行16参数、18参数广播星历拟合，检核的广播星历拟合URE误差分别为0.049m、0.020m，即当收敛条件相同时，18参数广播星历拟合结果略优于16参的拟合结果。
利用星地L双向时延传递设备采集的星地钟差数据，结合星间链路测量数据，对每小时的星地、星间钟差结果进行多项式拟合，统计每小时钟差拟合误差RMS，并将卫星钟差预报结果同一时刻实测卫星钟差结果进行比较。
星间链路钟差与星地双向测量的钟差具有较好的一致性，加入星间链路钟差后MEO卫星的钟差精度与仅星地观测的钟差精度基本相当，有效缩短了卫星钟差预报时长，明显提高了卫星钟差预报精度。
4 结论
从北斗二号和北斗三号系统的导航电文设计来看，二者在导航电文参数设计上没有较大改变，且在保留平稳过渡信号数据结构编排及播发方式基础上，充分借鉴各大现代卫星导航系统电文结构，新增了全球新体制信号数据结构。两代系统间的差异主要体现在系统对服务性能、可扩展性、可靠性、应用范围、服务效率以及导航定位算法优化、星间链路等新技术体制等方面。