1、总第 46 卷 第 2 期 时间频率学报 Vol.46 No.2 2023 年 4 月 Journal of Time and Frequency Apr.,2023 引用格式：张润芝,何在民,马红皎,等.北斗三号 PPP-B2b 信号跟踪环路的极点分布法设计J.时间频率学报,2023,46(2):161-169.北斗三号 PPP-B2b 信号跟踪环路的 极点分布法设计*张润芝1,2，何在民3，马红皎1，武建锋1,2，广伟3，肖恭伟3（1.中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2.中国科学院大学 电子电气与通信工程学院，北京 100049；3.西安邮电大学 通信与信息工程学院/人工智能
2、学院，西安 710121）摘要：2020 年 7 月，北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件精密单点定位服务信号 PPP-B2b（1.0 版）正式公布，PPP-B2b 可以实现中国及其周边地区静态厘米级、动态分米级的高精度定位，其播发的 BDS、GPS 增强信息可用性分别达到 97.5%和 91.5%。为解决 PPP-B2b 接收机跟踪环路参数设置复杂的问题，从 PPP-B2b 信号接收处理的层面入手，采用极点分布法进行信号跟踪环路设计，将传统跟踪环路的多个参数统一到一个参数。通过实时采集卫星播发的 PPP-B2b信号，对比分析极点分布法和经典理想锁相环数字化设计的环路。结果表明：与经典理想锁相
3、环数字化方法相比，极点分布法跟踪环路只需设置环路噪声带宽LB就可实现 PPP-B2b 信号的快速解扩与解调，物理意义明确且简单易行，利于 PPP-B2b 接收机的工程实现。关键词：北斗三号；PPP-B2b；跟踪环路；极点分布法 DOI：10.13875/j.issn.1674-0637.2023-02-0161-09 Design of pole distribution method of BDS-3 PPP-B2b signal tracking loop ZHANG Run-zhi1,2,HE Zai-min3,MA Hong-jiao1,WU Jian-feng1,2,GUANG We
4、i3,XIAO Gong-wei3(1.National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences,Xian 710600,China;2.School of Electronic,Electrical and Telecommunications Engineering,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3.School of Communications and Information Engineering&School of Artifici
5、al Intelligence,Xian University of Posts and Telecommunications,Xian 710121,China)Abstract:In July 2020,“Beidou Navigation Satellite System Signal In Space Interface Control Document 收稿日期：2022-03-23；接受日期：2022-05-15 基金项目：大地测量与地球动力学国家重点实验室开放基金资助项目（SKLGED2022-3-3）；陕西省自然科学基础研究计划（2023-JC-QN-0278）162 时间频率
6、学报 总 46 卷 Precision Point Positioning Service Signal PPP-B2b(Version 1.0)”was officially announced.PPP-B2b can achieve high-precision positioning at the centimeter level in the static mode and decimeter level in the dynamic mode in China and its surrounding areas.The availability of the BDS-and GPS-
7、enhanced information reaches 97.5%and 91.5%.To solve the problem of PPP-B2b receiver tracking loop parameter setting,starting from the level of the PPP-B2b signal reception and processing,the pole distribution method is used to design the signal tracking loop,and multiple parameters of the tradition
8、al tracking loop are unified into one parameter.Through the real-time acquisition of the PPP-B2b signals,the pole distribution method and the loop of the classic ideal phase-locked loop digital design are compared and analyzed.The results showed that:compared with the classic ideal phase-locked loop
9、 digitization,the pole distribution method tracking loop can realize fast despreading and demodulation of PPP-B2b signal only by setting the loop noise bandwidth.The physical meaning is clear and simple,which is beneficial to the engineering realization of the PPP-B2b receiver.Key words:Beidou-3;PPP
10、-B2b;tracking loop;pole distribution method 0 引言 2020 年 7 月北斗三号正式建成，北斗三号系统空间星座由 3 颗地球静止轨道卫星（geostationary Earth orbit，GEO）、24 颗中圆地球轨道卫星（medium Earth orbit，MEO）和 3 颗倾斜地球同步轨道卫星（inclined geosynchronous orbit，IGSO）组成。北斗三号系统除提供全球的定位导航授时（radio navigation satellite service，RNSS）、全球短报文通信（global short messag
11、e communication，GSMC）、国际搜救（search and rescue，SAR）外，还提供区域性的星基增强（satellite-based augmentation system，SBAS）、地基增强（ground augmentation system，GAS）、精密单点定位（precise point positioning，PPP）、区域短报文通信（regional short message communication，RSMC）服务1。2020 年 7 月 B2b 信号接口文件正式公布，B2b 信号除了提供北斗三号 RNSS 外，3 颗 GEO 卫星播发的 B2b
12、信号信息类型 1-7 承载着中国及其周边地区的精密单点定位服务2，B2b 信号承载的增强信息，可以提高低轨卫星定轨性能，实现分米级的实时轨道解算精度。IGSO 和 MEO 播发的 B2b 信号信息类型8 承载 SAR 服务3，除此之外 B2b 信号还提供 GSMC 服务1。自 B2b 信号发布以来，宋伟伟4以德国地学研究中心（GeoForschungZentrum，GFZ）的产品 GBM 作为参考，研究 PPP-B2b 产品精度，并对 B1I+B3I组合和 B1C+B2a 定位精度和收敛情况进行了分析比较；Tao Jun 等5分析了 BDS、GPS PPP-B2b 改正数的可用性，结果表明可用
13、性分别为 97.5%和 91.5%，同时，还比较了 PPP-B2b 改正数产品、法国国家太空研究中心（Centre National dEtudes Spatiales，CNES）实时产品的定位结果，两者均可达到静态厘米级的精度；Li Xin 等6将 B2b 信号应用到分析 PPP 服务中多频处理中模糊度确定问题。目前，关于 PPP-B2b的研究主要集中在分析改正数产品质量以及定位精度与收敛情况，分析 PPP-B2b 信号的文献较少。何旭蕾等7对 B2b 信号进行了解析，分析了 B2b 信号的 I 支路的跟踪环路及其用于定位的定位精度，预测并验证了 B2b 的 Q 支路信号结构。本文从 B2b
14、 的信号层面出发，介绍 PPP-B2b 信号的 I 支路的信号结构，分析 PPP-B2b 信号的跟踪环路，在跟踪并解调 PPP-B2b 数据帧时引入极点分布法。极点分布法是在控制根思想8的基础上，结合传统三阶锁相环的传递函数，使根形式更具有实际意义，并把传递函数中需要求解的 3 个参数建立联系，最终通过获得一个参数进而求取另外两个参数。为验证极点分布法跟踪环路的性能，通过实时采集播发的 PPP-B2b 信号进行解调分析，并与文献9的经典理想锁相环数字化的方法第 2 期 张润芝等：北斗三号 PPP-B2b 信号跟踪环路的极点分布法设计 163 进行对比分析。1 PPP-B2b 调制信号 2020
15、 年 7 月中国卫星导航管理办公室公布了以载波频率 1 207.14 MHz 为中心、20.46 MHz 带宽内的PPP-B2b 信号的接口控制文件。PPP-B2b 信号 I 支路分量B2b_I()st由导航电文数据B2b_I()Dt和测距码B2b_I()Ct调制产生2。B2b_IB2b_IB2b_I1()()()2stDt Ct=。（1）式（1）中导航电文B2b_I()Dt为 B2b_IB2b_IB2b_IB2b_I()()TkDtdk ptkT=。（2）测距码B2b_I()Ct为 B2b_Ic_B2b_I1B2b_IB2b_IB2b_Ic_B2b_I0()()NTnkCtck ptNnk
16、T=+。（3）式（2）和（3）中，B2b_Id为PPP-B2b信号导航电文数据码，B2b_IT为相应的数据码码片宽度，B2b_I()Tpt是宽度为B2b_IT的矩形脉冲，B2b_Ic为测距码序列，n为测距码序列周期数，k为一个测距码序列内的序号，B2b_IN为测距码码长，c_B2b_IT是测距码码片宽度，c_B2b_ITp是宽度为c_B2b_IT的矩形脉冲。2 PPP-B2b 信号跟踪处理 PPP-B2b 信号的 I 支路采用 BPSK(10)调制，该信号经过射频前端后，PPP-B2b 中频信号 I 支路分量为()r t，其表达式为 cd1()()()cos(2()()()Niiiiiiir tAd tC tfftn t=+。（4）式（4）中：iA代表接收到的第i颗卫星的幅值，()id t代表t时刻接收到i卫星电文数据比特，()iC t代表接收到t时刻i卫星测距码，cf为中频载波信号，dif为i卫星多普勒频移，i代表接收到的第i颗卫星载波初相位。()in t为接收到i卫星的噪声信号且服从高斯分布。中频信号经过捕获环路跟踪获得相应卫星的载波频率和码速率送入跟踪环路，如图 1 中频信号与捕
