國家綜合PNT體系中的羅蘭C導航系統

張洪源 徐 兵 李海波 廖丁毅 陳洪卿

(1.海軍92678部隊，天津 300220；2.海軍92987部隊，廣西賀州 542813；3.海軍91710部隊，吉林和龍 133506；4.廣州海格通信集團股份有限公司，廣東廣州 510663；5.中國科學院國家授時中心，陜西西安 710600)

1 引 言

天基衛(wèi)星導航系統提供的定位、導航和授時(Positioning,Navigation and Timing,PNT)服務是國家安全、經濟安全和高效現代社會高度依賴的關鍵基礎設施和隱形技術手段，為電力、電信基礎設施、移動通信設備以及交通運輸、精準農業(yè)、天氣預報、應急響應等業(yè)務提供支撐[1-4]。但是，天基系統固有的脆弱性，易受干擾、欺騙、地形限制以及戰(zhàn)場電子對抗影響，使其PNT業(yè)務的可用性和魯棒性受限，一旦中斷或被操縱，將造成災難性后果。因此，2004年美國總統頒布《美國國家天基定位、導航與授時政策》(U.S.Space-based Positioning,Navigation,and Timing Policy)，用PNT概念取代GPS，標志著衛(wèi)星導航系統進入以PNT為基本要素的新時代[5-8]。

鑒于全球導航衛(wèi)星系統(GNSS)不等于PNT，只是PNT業(yè)務的一種工具，PNT的范疇更為廣泛。國內在研究、建設北斗衛(wèi)星導航系統的基礎上，提出國家綜合PNT體系架構、關鍵技術及其構建藍圖，認為它是后GNSS發(fā)展的必然趨勢[9-12]。所謂的綜合PNT，被定義為：基于不同原理，多種信息源，經過云平臺控制、多傳感器高度集成和多源數據的融合，生成時空基準統一的、且具有抗干擾、防欺騙、穩(wěn)健、可用、連續(xù)、可靠的全空間PNT服務體系。其“核心要素在于，(采用)不同的原理，不同的信息源形成網絡，經過云平臺控制，最后實現智能化的服務”。在美國斯坦福2019PNT大會上，中國在《中國北斗導航衛(wèi)星系統和PNT系統》的報告中披露了正在推進“綜合PNT系統”，將在2035年前后建設更為泛在、更加融合、更多智能的綜合PNT體系。

在國內外推進綜合PNT體系和eLORAN技術現代化的大環(huán)境下，本文闡述中國羅蘭C導航系統及其eLORAN技術改進狀況，探討如何使之為國家綜合PNT體系現代化建設加磚添瓦。

2 國外PNT與eLORAN進展

北斗官網報導，2020年2月12日，美國總統簽署關于PNT應用的第13905號行政命令——《關于“加強負責任使用PNT服務以增強國家彈性”的行政令》(Strengthening National Resilience Through Responsible Use of Positioning,Navigation,and Timing Services)。該行政令要求：“1年內協調制定一項國家計劃，用于研發(fā)和試點測試獨立于GNSS、強大安全的PNT服務,包括集成、使用多種PNT服務方法，以增強關鍵基礎設施的彈性”；特別要求“自行政令發(fā)布之日起180日內，商務部應提供獨立于GNSS的、獲得協調世界時間(UTC)的手段，以支持保證關鍵基礎設施所有者和運營者的需求，供公共和私營部門訪問應用”[13]。這與2019年8月美國國防部公開的《國防部定位、導航和授時(PNT)整體戰(zhàn)略——確保美國軍隊PNT優(yōu)勢》報告——“強調GPS可能在全球會受到干擾，用戶終端應該是模塊化擁有獲取多種不同PNT源的開放系統”——引入綜合PNT概念相呼應，如圖1所示；是美國進行電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)、網絡戰(zhàn)、導航戰(zhàn)、“授時戰(zhàn)”思維的延續(xù)。值得一提的是，美國防部在圖1示意的PNT整體戰(zhàn)略中，將eLORAN列為僅次于首要PNT源——GPS/GNSS及其星基增強的DGPS之后，作為區(qū)域性的、陸基的“在對抗環(huán)境下獲得空間、時間和方位信息源(Spatial,Temporal,and Orientation Information in Contested Environments-STOIC / eLORAN)”，可見陸基eLORAN系統在其整體戰(zhàn)略中的地位和作用。

近年來，美國通過“2017年海岸警衛(wèi)隊授權法案(Coast Guard Authorization Act of 2017”、“2018年國家授時彈性和安全法案(National Timing Resilience and Security Act of 2018)”、“2019財年國防授權法案(National Defense Act for FY 2018(HR 5515))”，支持海岸警衛(wèi)隊以及UrsaNav公司等開展驗證eLORAN系統支持綜合PNT能力”[14]。國際羅蘭協會(International Loran Association，ILA)也對eLORAN系統的精度、可用性、完整性、連續(xù)性等給出定義和標準化。英國在拉格比新建eLORAN導航臺，并升級增強其西北歐eLORAN臺，開展ASF建模修正和監(jiān)測站實時差分實驗，差分修正后的實時定位精度可優(yōu)于5m[15,16]。2019年eLORAN系統覆蓋英國海港，每年將滿足20萬艘船舶港區(qū)航道進出泊靠業(yè)務(the Harbor Entrance and Approach—HEA)。英國燈塔管理總局認為，技術改進增強后的eLORAN系統是完全獨立于GNSS并與之媲美的多模式應用的PNT源[15,16]。韓國為對抗地面干擾源影響GPS信號導航，布局5個eLORAN導航臺和43個eLORAN差分監(jiān)測站，為其國土及周邊提供精度優(yōu)于20m的定位導航，滿足船舶HEA和飛機著陸非精確進場(NPA)需求。俄羅斯也用eLORAN技術升級改造其兩個“海鷗”(Chayka)臺鏈為新型“天羯座”(Skorpion)導航鏈，增強其GLONASS衛(wèi)星導航系統，天地PNT系統互補。目前國際公認eLORAN系統是與衛(wèi)星PNT系統的體制最接近、技術最成熟、最經濟的備份系統[16,17]。

3 羅蘭C導航系統及其eLORAN技術改進

中國羅蘭C導航系統由6個發(fā)播臺、3個監(jiān)測站構成北海、東海、南海三臺鏈；由國家交通部牽頭開展國際交流，與俄、日、韓合作成立“遠東羅蘭-C技術工作組”，研究遠東羅蘭-C聯合導航業(yè)務。經典羅蘭C系統采用100kHz載頻，發(fā)射峰值功率可達2MW，地波陸地覆蓋半徑約800km，海上覆蓋1000km以遠，天波覆蓋可達4000km[16]，具有覆蓋范圍廣、抗干擾能力強、PNT精度高、全天候連續(xù)PNT服務等優(yōu)勢。

21世紀以來，采用XX/GNSS衛(wèi)星共視時間傳遞技術，完成羅蘭C系統的原子鐘時間(頻率)同步[18]，各導航臺之間共視時間同步的標準偏差約10ns量級，與協調世界時(UTC)同步標準偏差保持在100ns量級之內；同時導航臺完成脈沖位置調制(PPM)信號的發(fā)播技術改造，業(yè)已具備播發(fā)各種數據電文功能[16-19]。

鑒于影響羅蘭C系統PNT精度的主要因素，是長波地波傳播延遲隨路徑傳播介質的空間、時間不同而不斷變化，增大修正其時間延遲(主要是ASF二次相位因子)的難度和不確定性。國家自然科學基金為“數字中國、數字地球”電波環(huán)境參數信息建模建庫，曾支持與羅蘭C系統工程相關的“GPS技術檢驗測量大地電導率”和“組合導航系統ASF修正研究”，研制“中國大地電導率電子地圖”和“長波定時ASF修正的GIS軟件”[20-22]。然而，國內外各種ASF實時修正的經驗表明[15,23,24]，僅靠傳播路徑的電參數、電子地圖和相關傳播模型軟件改正，難以達到與衛(wèi)星PNT精度匹配、滿足用戶實時改正要求的精度和可靠性；而采用類似北斗/GNSS的RTK差分改正，在用戶(港口、機場、交通樞紐)覆蓋服務區(qū)按需建若干差分監(jiān)測站，開展時間、空間差分改正信息播報服務，更有實效[15,25,26]。

4 差分技術增強羅蘭C導航系統

在羅蘭C系統已有高精度時間參考和改正數據播發(fā)能力的基礎上，有必要進一步為系統用戶配置、建設eLORAN差分監(jiān)測站，開展局域差分信息服務，滿足用戶實時應用需求。

圖2 eLORAN差分系統組成框圖Fig.2 Diagram of monitor and difference sub-system for eLORAN system

4.1 eLORAN局域差分監(jiān)測子系統組成與工作原理

羅蘭C增強差分監(jiān)測子系統主要由多個局域eLORAN差分監(jiān)測站、eLORAN發(fā)射臺(含編碼形成設備)和eLORAN差分PNT用戶終端設備組成，如圖2所示。eLORAN差分站主要由eLORAN信號監(jiān)測接收機、衛(wèi)星接收參考、本地時空參考基準、差分比測設備和差分信息生成發(fā)送設備組成。差分站監(jiān)測eLORAN信號的完整性，并形成各種差分改正數實時信息，由通信鏈路發(fā)送給發(fā)射臺(或控制/服務中心)，由編碼形成設備調制eLORAN信號播發(fā)。eLORAN用戶設備接收全視野eLORAN信號，對其(包括系統完整性、差分改正數等數據信息)進行綜合解讀處理應用。這是當前主流eLORAN改進技術。與此同時，為擺脫對衛(wèi)星PNT技術的依賴，還可以通過光纖等地基有線/無線接力，傳輸高精度時間參考給差分站作基準，增強差分站魯棒性。對于遠離eLORAN發(fā)射臺邊緣區(qū)域或用戶對精度、可靠性有特殊要求的服務區(qū)，可增設(臨時)差分站，采用FM調頻廣播、3G/4G/5G網絡或有線網絡(適合固定點用戶)等手段，直接將差分監(jiān)測改正數據發(fā)送給用戶終端。

局域eLORAN差分監(jiān)測站的設備組成與連接框圖如圖3所示，由GNSS接收機完成接收、跟蹤、捕獲、解調、測量，將其輸出的位置、時間信息送給eLORAN監(jiān)測接收機和差分比測設備以及差分信息形成設備(工作軟件)處理，并用其1PPS馴服銣鐘后再輸出1PPS，作為差分站本地時間基準，送給計數器作測量參考。同時eLORAN監(jiān)測接收機完成eLORAN信號接收、跟蹤、捕獲、解調、測量，將其輸出的1PPS也送計數器，與本地時間基準1PPS比測。差分信息形成設備(工作軟件)將比測的1PPS時差信息，分別處理計算出各個eLORAN發(fā)射臺到本差分站的各條路徑上的實時ASF修正值，再加上獲得的本地eLORAN定位差分改正信息、eLORAN信號發(fā)射時刻改正數、eLORAN系統完整性等等其它信息，形成差分監(jiān)測修正綜合數據包，通過網絡通信設備，傳輸給發(fā)射臺播發(fā)服務，也可由廣播、通信鏈路直送用戶。

圖3 eLORAN監(jiān)測差分站組成框圖Fig.3 Diagram of composition for monitor and difference station in eLORAN system

4.2 eLORAN發(fā)播局域差分監(jiān)測數據的電文

羅蘭C系統發(fā)送差分監(jiān)測修正綜合數據包的電文設計,可以參考國際標準和歐洲Eurofix的數據PPM調制技術，電文由信息部分、CRC碼和RS碼構成。目前電文的信息用56bits，CRC碼用14bits，RS碼用140bits，共210bits。每個eLORAN脈沖組可攜帶7bits信息，一份電文連續(xù)占用30個eLORAN脈沖組，即需要30個組重復間隔(GRI)的時間。對于羅蘭C南海鏈(GRI=67 800μs)需要2.034s，東海鏈(GRI=83 900μs)為2.517s，北海鏈(GRI=74 300μs)為2.229s。為在同一個eLORAN數據通道上，分別完成發(fā)播多種電文,電文的編碼應與發(fā)播控制兼容，兼容發(fā)播差分電文和授時電文。對于多個不同類型的電文，可采用分時交替循環(huán)方式發(fā)播，或某些信息優(yōu)先發(fā)播。

4.3 局域差分ASF修正與應用

采用電參數加傳播模型預測ASF建庫修正時，羅蘭C系統在信號覆蓋范圍內能提供約500m的定位精度和約500ns的授時精度。隨著國家“地基高精度授時系統”在全國建設分布式差分監(jiān)測站網，用戶終端采用實時差分ASF改正數，國內外實驗與實踐表明[15,25,26]，將大大提高PNT精度，對于重要港口、機場等PNT精度、完整性、可靠性有特殊要求的用戶，可以在局部地區(qū)增加差分監(jiān)測站的密度。

5 羅蘭C系統在國家綜合PNT體系中的作用與定位

在覆蓋區(qū)局域eLORAN差分監(jiān)測站支持下，經全面eLORAN技術改進的羅蘭C系統在國家綜合PNT體系中將以多種方式為用戶提供PNT信息，助推多種形式應用。

5.1 羅蘭C系統以多種方式支撐綜合PNT生態(tài)系統

在實時差分技術支持下，羅蘭C導航臺播發(fā)的eLORAN信號支撐局域用戶綜合PNT應用將可采用以下方式。

1)北斗導航信號被拒止時，可以導航臺鏈方式獨立提供PNT手段，為北斗/GNSS衛(wèi)星PNT系統應急備份(backup)，可采用TDOA(Time Difference of Arrival)雙曲線定位方式，也可采用TOA(Time of Arrival)三球定位方式；

2)羅蘭C信號數據鏈發(fā)播北斗/GNSS系統的差分改正信息，增強天基PNT系統；

3)以偽衛(wèi)星的方式，用單個或幾個導航臺的eLORAN信號與北斗信號組合，實現PNT；

4)羅蘭C導航臺原子鐘組及其精確的地固坐標，是高精度、高度可靠的時間、空間參考基準，可為星基或空基(飛機、無人機、飛艇)偽衛(wèi)星多模式組合導航求解錨固時空參考；

5)以地基偽衛(wèi)星的方式，與其它傳統PNT技術、非傳統的新興PNT技術融合，組合集成為全源、彈性PNT(Resilient PNT)解決方案。

鑒于羅蘭C信號強、時間準、頻率穩(wěn)等特性，除作為PNT源使用外，還能用作檢驗、評估、驗證“干擾信號、欺騙的偽北斗信號”和各種“備用的PNT信號或機會信號(Signals of Opportunity)”的參考基準，增加維護準確PNT信息的可靠性，增強綜合PNT能力，改善海上、陸地、空中以及地下、水下復雜環(huán)境中執(zhí)行關鍵任務應用的性能和安全性。

5.2 羅蘭C系統是國家“高精度地基授時系統”的重大科技基礎設施

人類對信息量和距離量的要求越來越高，對時間信號精度的要求也越來越高。未來進入物聯網、大數據時代，由于物無智慧，所以對其進行時間、位置排序的要求會更高，而對大數據的挖掘、利用就更依賴于PNT信息去尋找線索、發(fā)現規(guī)律從而提供決策，否則就是一堆“亂數據”“雜數據”。因此，作為建立、維持國家時空基準、播報時空信息、進行PNT應用服務的“國家綜合PNT體系建設”的重要組成——國家“十三五”重大科技基礎設施——“高精度地基授時系統”項目于2018年獲國家發(fā)改委批復立項[27]。其建設方案是利用現有通信光纖，聯接北京、西安、上海、武漢、合肥、烏魯木齊、三亞等重要城市及重要用戶，建成高精度光纖授時骨干網，并在中國西部新建3個eLORAN授時臺，與現有的6個羅蘭C導航臺和BPL授時臺形成地基eLORAN授時系統。由高精度光纖連接國家時空基準、eLORAN授時臺及重點差分站(200多)網，采用局域差分(站)監(jiān)測技術將eLORAN授時精度提高到優(yōu)于100ns(差分站周邊區(qū)域)，示意框圖如圖4所示，并通過eLORAN臺播發(fā)北斗增強(時空差分)信息、地波傳播ASF實時改正(數據)信息，約每10min循環(huán)播發(fā)1次。該項目建成后，與新建成的北斗衛(wèi)星導航系統和2022年前后建成的中國空間站時間頻率實驗系統，共同構建我國獨特的、時空基準統一溯源、立體交叉的授時體系。三套系統相互獨立、相互融合，是互補增強的綜合PNT體系的核心，中國羅蘭C系統是該服務體系中不可或缺的組成部分。

圖4 高精度地基授時系統示意圖Fig.4 Diagram of terrestrial time service system in high precision

6 結束語

地面eLORAN系統憑其信號的大功率、低頻率、強繞射傳播能力，可與衛(wèi)星系統互補增強綜合PNT。然而，eLORAN增強差分應用成敗的關鍵，在于能否使用戶集成終端小型化、智能化、模塊化和新型eLORAN差分數據接收處理終端芯片化，否則，很難與衛(wèi)星PNT芯片、芯片原子鐘等進行多源綜合、集成使用。eLORAN用戶終端若仍然“體積大、功耗高、集成度低、價格貴”，就沒有eLORAN信號/差分信息源的用武之地。雖然，eLORAN工作頻率是100kHz，其傳播信道、數據電文的速率與容量，與衛(wèi)星導航用的“微波頻率、信道、電文碼速率、容量”存在較大差別，仍然可以借鑒衛(wèi)星PNT用戶終端小型化、智能化、模塊化集成創(chuàng)新的思路和硬件、軟件處理技術，進行移植。

在大力推進多種PNT信號源、信息源建設的同時，應該充分考慮支持eLORAN差分應用終端開發(fā)研究，研制適配星基戰(zhàn)略備份要求的、適合于復雜電磁環(huán)境和地理條件下可靠使用的、能獨立PNT的一體化新型接收機終端——其技術要求包括功能、可靠性、動態(tài)性能、用戶界面、設備接口、適用天線形式等；并使之模塊化、智能化、便于集成使用，為國防、經濟和社會的信息化、現代化建設，提供強有力的PNT手段，為建設一個彈性、可靠、互補、穩(wěn)健、強大的國家綜合PNT體系增光添彩。