羅蘭差分技術(shù)分析與研究

楊哲

【摘 要】近年來隨著信息技術(shù)在軍事中的廣泛應用，國際上各種電子干擾裝備正在不斷發(fā)展，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的脆弱性也逐漸暴露出來，因而羅蘭系統(tǒng)作為最佳補充和備份手段就顯得尤為重要。本文針對羅蘭系統(tǒng)精度低的問題，通過對系統(tǒng)誤差分析，利用差分技術(shù)分析研究誤差修正可行性，從而實現(xiàn)高精度羅蘭系統(tǒng)導航定位授時。

【關(guān)鍵詞】羅蘭;差分;誤差修正

中圖分類號： P228.4文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）15-0049-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.023

Analysis and Research of Loran Difference Technology

YANG Zhe

（The 20th Research Institute of CETC，Xi an Shaanxi 710068，China）

【Abstract】In recent years， with the wide application of information technology in the military， various electronic interference devices are constantly developing in the world， and the vulnerability of the global satellite positioning system is gradually exposed. Therefore， the Loran is particularly important as the best supplement and backup method. In view of the low accuracy of the Loran， this paper analyzes the error of the system by using the difference technique to analyze the error correction feasibility， so as to realize the navigation positioning and timing of the high-precision Loran.

【Key words】Loran; Difference; Error correction

0 引言

羅蘭系統(tǒng)屬于陸基、低頻、脈沖相位導航體制，其工作載頻為100KHz。其一個臺鏈系統(tǒng)由至少3個發(fā)射臺組成，其中一個發(fā)射臺為主臺，其余為副臺[1]。系統(tǒng)脈沖信號以脈沖組的形式發(fā)射，主副臺間使用不同的脈沖相位編碼，不同臺鏈間選取不同的脈沖組重復周期。低頻的地波信號實現(xiàn)了傳播過程中較小的衰減，穩(wěn)定的相位幅度，是羅蘭系統(tǒng)能獲得遠距離導航定位的保證。目前，羅蘭系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)最大海上作用距離900—1300海里，信號可利用性優(yōu)于99%，全球包括我國也都在沿海區(qū)域建立了大量羅蘭系統(tǒng)發(fā)射機。

1 羅蘭系統(tǒng)定位誤差分析

羅蘭系統(tǒng)工作中影響用戶定位精度的因素主要包括系統(tǒng)同步誤差、電波傳播誤差、用戶接收機測量誤差等。

羅蘭系統(tǒng)的發(fā)射方式為主臺發(fā)射脈沖信號，副臺在固定延遲之后同步發(fā)射脈沖信號，主臺與副臺之間發(fā)射的不同步導致的誤差稱之為系統(tǒng)同步誤差。

羅蘭系統(tǒng)電波傳播誤差是指脈沖信號從發(fā)射天線傳播至接收設備過程中產(chǎn)生的誤差。脈沖信號雖具有極強的抗干擾性，并沿地表傳播，電波傳播誤差研究過程中，一般用附加二次相位因子（ASF）來等效電波傳播誤差[2]。

羅蘭用戶接收機測量誤差是指用戶接收機在測量過程中所帶來的誤差，該誤差與接收點的信號場強和信噪比等因素有關(guān)，隨著用戶距離發(fā)射臺的距離增加，測量誤差會逐漸增加。

用戶定位誤差可表示為系統(tǒng)同步誤差、電波傳播修正誤差、用戶接收測量誤差的合成結(jié)果乘以幾何因子。目前，系統(tǒng)同步精度可以達到幾十納秒，但是電波傳播誤差（ASF）相對要大得多，這是導致用戶定位精度不高的主要原因。ASF包括固定部分和隨時間變化部分[3]。固定部分與傳播路徑上導電率和地形等有關(guān)，在ASF中占主要地位，一般通過事先測量并結(jié)合模型獲得ASF，構(gòu)建ASF數(shù)據(jù)庫，由用戶設備保存使用。變化部分即可通過差分的方式，由用戶設備實時接收差分修正量，從而減少電波傳播等因素對用戶授時、定位的誤差影響。

2 羅蘭差分系統(tǒng)分析

2.1 羅蘭差分系統(tǒng)組成

羅蘭差分系統(tǒng)主要由差分站、通信鏈路、羅蘭發(fā)射臺、羅蘭接收機等部分組成。

羅蘭差分系統(tǒng)中，羅蘭差分站主要接收發(fā)射臺脈沖信號，處理生成差分修正量信息。差分站主要設備包括差分監(jiān)測接收機、銣鐘、時間比對設備、差分處理設備等。通信鏈路主要功能是將差分站生成的修正量信息實時傳輸至發(fā)射臺，其可利用互聯(lián)網(wǎng)、電話網(wǎng)或其他通信手段實現(xiàn)。發(fā)射臺主要功能是將傳回的差分修正量信息編碼并通過羅蘭脈沖信號發(fā)波至用戶。用戶設備作為終端，接收羅蘭脈沖信號，并提取所在差分區(qū)域內(nèi)的修正量信息，對自身測量數(shù)據(jù)進行修正，得到精確的定位、授時信息。

2.2 羅蘭差分系統(tǒng)工作原理

羅蘭差分系統(tǒng)基于羅蘭脈沖信號在局部區(qū)域內(nèi)傳播具有一定相關(guān)性的特點，在差分區(qū)域內(nèi)建立定點差分站，對羅蘭脈沖信號傳播誤差進行實時監(jiān)測，并將實時監(jiān)測值經(jīng)相關(guān)計算處理后，作為差分修正量廣播給相應差分區(qū)域內(nèi)的接收設備，羅蘭用戶根據(jù)差分修正量信息對授時、定位結(jié)果進行一定修正，從而得到更為準確的用戶信息。

羅蘭接收設備正常工作中，接收羅蘭脈沖信息，通過對脈沖信息解調(diào)以及解碼，即可獲得羅蘭授時信息，時間對比設備對比得到羅蘭時間與標準時間的偏差，即為ASF實測值。同時根據(jù)定位差分站位置已測得的ASF數(shù)據(jù)庫數(shù)值，計算處理可得差分修正量。

羅蘭發(fā)射臺實時通過公用網(wǎng)或?qū)Ｓ霉饫|接收各地羅蘭差分修正量信息，通過電文生成單元對差分修正量信息進行編碼處理，最終由調(diào)制控制單元，將差分電文加載到羅蘭脈沖信號上，由天線廣播至用戶。羅蘭用戶接收羅蘭脈沖信號，對羅蘭信號進行解調(diào)和解碼，根據(jù)所在差分區(qū)域提取相對應差分修正量信息，并對接收機測量信息進行修正，從而實現(xiàn)用戶高精度定位與授時。

3 系統(tǒng)差分性能仿真驗證

選取同地兩臺羅蘭接收機A、B，同時接收C發(fā)射臺脈沖信號，由于兩臺接收設備處于同地，因而ASF固定部分可視為相同。A、B兩臺接收機接收C臺信號解碼輸出1PPS秒脈沖信號，并將兩路秒脈沖信號分別與GNSS接收機輸出秒脈沖信號比對，分別記錄得到12小時數(shù)據(jù)。利用A接收機與GNSS比對數(shù)據(jù)，以5分鐘為一個周期，計算相關(guān)差分修正量，并對下一周期內(nèi)的B接收機與GNSS接收機比對數(shù)據(jù)進行修正，統(tǒng)計修正后誤差量。

本文針對差分修正量的生成，采用直接取平均值、一次線性擬合、二次線性擬合、滑動平均、低通濾波、卡爾曼濾波等6種方法處理生成差分數(shù)據(jù)。B接收機與GNSS比對數(shù)據(jù)修正后誤差統(tǒng)計結(jié)果見表1。

通過數(shù)據(jù)對比分析，可知直接取平均值、一次線性擬合和二次線性擬合的方法所得修正精度相當，相比滑動取平均值、卡爾曼濾波和低通濾波的方法，前三種方法不能有效去除數(shù)據(jù)中干擾噪聲對觀測值的影響，因而精度較差，同時，后三種方法所得精度也大體相當，沒有較大的區(qū)別，因而在生成差分數(shù)據(jù)的過程中，取滑動平均、卡爾曼濾波和低通濾波三種方法中的一種都可以得到較為理想的差分修正量值，且修正后精度滿足需求。

4 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場越來越復雜的電磁環(huán)境，羅蘭系統(tǒng)作為導航、授時的重要備份手段顯得更為重要。羅蘭系統(tǒng)中最主要的電波傳播誤差，可利用差分的方法，得到有效的解決。并通過實測數(shù)據(jù)仿真以及對不同差分修正量生成方法的比較分析，初步驗證了羅蘭系統(tǒng)差分技術(shù)的可用性。

【參考文獻】

[1]胡安平，龔濤.增強羅蘭導航技術(shù)的研究現(xiàn)狀和進展[J].現(xiàn)代導航，2016（01）：74-78.

[2]劉辛濤，胡安平.長波導航系統(tǒng)拓展應用研究[J].現(xiàn)代導航，2013，4（2）：116-119.

[3]袁大天，陳亮，李太平.羅蘭C系統(tǒng)試飛中的ASF修正方法分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（13）：160-162.