摘 要：單一的GNSS系統(tǒng)無法提供可靠的PNT信息，在傳統(tǒng)羅蘭C系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行增強(qiáng)后的eLoran是較為理想的備份和增強(qiáng)系統(tǒng)。我國羅蘭C系統(tǒng)必須首先進(jìn)行授時(shí)系統(tǒng)的改造建設(shè)，在此基礎(chǔ)上將羅蘭C系統(tǒng)建設(shè)成為北斗的備份和增強(qiáng)系統(tǒng)，提高兩大自主星地系統(tǒng)的PNT保障精度和可靠性。

關(guān)鍵詞：GPS備份；無線電導(dǎo)航；授時(shí)；現(xiàn)代化

1 國際Loran的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 Loran現(xiàn)代化的背景

隨著對衛(wèi)星導(dǎo)航（北斗、GPS）信號的脆弱性認(rèn)識加深，人們開始尋找作為備份的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。由于羅蘭C和GPS在工作體制、工作頻率以及信號強(qiáng)度等方面互補(bǔ)性很強(qiáng)，在遭受干擾或打擊時(shí)一般不會同時(shí)受損，因此羅蘭C系統(tǒng)理論上完全可以成為衛(wèi)星導(dǎo)航的增強(qiáng)和備份系統(tǒng)，增強(qiáng)羅蘭（eLoran）就是在這樣的背景下產(chǎn)生的。

eLoran可以簡單理解為是具有為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)提供備份能力的現(xiàn)代化羅蘭系統(tǒng)。美國政府組織交通部（DOT）、國土安全部（DHS）對羅蘭系統(tǒng)的政策進(jìn)行了評估和研究。評估和研究結(jié)果表明，羅蘭C系統(tǒng)可能是GPS系統(tǒng)最為理想的備份系統(tǒng)。

在2007年，國際羅蘭協(xié)會（ILA）公布了《增強(qiáng)羅蘭定義文件》，為政策制定者、服務(wù)商和用戶提供頂層的eLoran定義。增強(qiáng)羅蘭是一個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)的定位、導(dǎo)航和定時(shí)的PNT服務(wù)，在傳統(tǒng)羅蘭C系統(tǒng)基礎(chǔ)上，結(jié)合最新的羅蘭數(shù)據(jù)通信技術(shù)、接收機(jī)技術(shù)、天線技術(shù)和發(fā)射機(jī)系統(tǒng)，使該系統(tǒng)能夠承擔(dān)GNSS的備份和補(bǔ)充系統(tǒng)的功能，采用了增強(qiáng)技術(shù)后，新的羅蘭C可以擁有傳統(tǒng)羅蘭系統(tǒng)無法達(dá)到的性能指標(biāo)。

在2008年發(fā)布的新的聯(lián)邦無線電導(dǎo)航規(guī)劃中，對羅蘭C的政策聲明是：保持羅蘭C系統(tǒng)的短期運(yùn)行并將羅蘭C經(jīng)過改造轉(zhuǎn)變成現(xiàn)代化的羅蘭C系統(tǒng)。eLoran是下一代羅蘭系統(tǒng)，作為陸基系統(tǒng)，它是獨(dú)立的、不同于GPS體制的但是卻是GPS的一個(gè)補(bǔ)充系統(tǒng)，它在GPS失效時(shí)將為用戶保持PNT服務(wù)，它比傳統(tǒng)羅蘭C擁有更高的精度、可靠性和連續(xù)性，同時(shí)保持了現(xiàn)有的羅蘭C的所有功能，它可以為通信系統(tǒng)用戶和其他重要的基礎(chǔ)部門提供高精度的時(shí)間頻率基準(zhǔn)參考。

1.2 歐洲Loran-C的現(xiàn)代化改造

歐洲改造的基本思想是：以羅蘭C信號作為差分GPS改正值和完善性信息的載體，用脈沖時(shí)間移位調(diào)制（脈位調(diào)制）的方法對正常羅蘭C信號脈沖進(jìn)行額外調(diào)制，構(gòu)成稱之為Eurofix的數(shù)據(jù)鏈路。

歐洲在1989年由荷蘭Delft科技大學(xué)提出了Eurofix的概念，即以羅蘭C信號作為差分GPS改正值和完善性信息的載體，用脈沖時(shí)間移位調(diào)制（脈位調(diào)制）的方法對正常羅蘭C信號脈沖進(jìn)行額外調(diào)制，構(gòu)成稱之為Eurofix的數(shù)據(jù)鏈路。

1997年4月，NELS指導(dǎo)委員會第11次會議原則上同意在NELS中采用Eurofix技術(shù)，并將整個(gè)實(shí)現(xiàn)過程劃分為可行性階段和實(shí)現(xiàn)階段。1998年，NELS指導(dǎo)委員會決定進(jìn)入可行性階段?？尚行噪A段是將NELS的4個(gè)臺站B，（挪威）、Vaerlandet（挪威）、Sylt（德國）、Lessay（法國）等裝備Eurofix技術(shù)，以便對Eurofix技術(shù)進(jìn)行最后驗(yàn)證和優(yōu)化，并實(shí)現(xiàn)基本的Eurofix服務(wù)。

截止2000年，Sylt和Vaerlandet的發(fā)射機(jī)改造已經(jīng)完成，另外兩個(gè)站的改造正在實(shí)施中。NELS在2000年通過上述4臺站播發(fā)Eurofix信號。首先對所有的NELS臺鏈?zhǔn)┮訣urofix技術(shù)改造，其后將前美國海岸警衛(wèi)隊(duì)在西班牙和意大利的地中海臺鏈的諸多羅蘭C臺站和歐洲Chayka臺鏈的各臺站綜合起來，從而實(shí)現(xiàn)在全歐洲的Eurofix服務(wù)。

1.3 美國Loran-C的現(xiàn)代化改造

北美地區(qū)是擁有羅蘭C臺鏈最多的地區(qū)，雖然在2010年進(jìn)行了封存，但其現(xiàn)代化改造技術(shù)仍然值得我們借鑒。按照北美增強(qiáng)羅蘭系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)，增強(qiáng)羅蘭系統(tǒng)至少包括以下幾個(gè)部分：

（1）每個(gè)發(fā)射臺擁有至少三部Agilent5071A的銫鐘，在北美大陸（美國和加拿大）29個(gè)發(fā)射臺形成擁有最龐大的87部高精度銫鐘的時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)。

（2）每個(gè)發(fā)射臺裝備固態(tài)發(fā)射機(jī)，并且裝備新型的時(shí)間頻率測量和控制設(shè)備（TFE）。這些設(shè)備通過接收GPS的信號數(shù)據(jù)對發(fā)射臺的時(shí)鐘系統(tǒng)進(jìn)行同步，并使每個(gè)發(fā)射臺相對UTC（USNO）（海軍天文臺）誤差范圍為15ns以內(nèi)。

（3）在羅蘭脈沖組中引入新的第9脈沖，利用羅蘭數(shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)，調(diào)制UTC時(shí)間以及差分羅蘭信息在內(nèi)的各種信息，發(fā)送給用戶進(jìn)行授時(shí)和定位應(yīng)用。

（4）發(fā)展接收機(jī)內(nèi)DSP處理技術(shù)、多臺鏈接收機(jī)技術(shù)以及GPS/Loran集成接收模塊技術(shù)。在接收機(jī)天線方面，發(fā)展小型電天線、磁天線以及GPS/Loran集成天線。

（5）在ASF修正技術(shù)、羅蘭差分技術(shù)、羅蘭信號告警等方面進(jìn)行研究應(yīng)用。

通過實(shí)施改造，北美的增強(qiáng)羅蘭得到了很好的發(fā)展，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)指出的一些評估試驗(yàn)表明，增強(qiáng)羅蘭方式在信號精度、信號有效性、信號可靠性和工作連續(xù)性上都達(dá)到了在美國作為GPS備份系統(tǒng)的要求。

2 我國Loran-C現(xiàn)代化改造的需求技術(shù)分析

2.1 授時(shí)技術(shù)改造

我國羅蘭C系統(tǒng)的岸臺一般利用數(shù)臺精度和頻率穩(wěn)定度很高的原子鐘構(gòu)成的組合時(shí)間系統(tǒng)，作為發(fā)射信號的時(shí)頻基準(zhǔn)，組合的數(shù)臺原子鐘互相進(jìn)行比較和標(biāo)校，最后輸出一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)頻信號源。因此系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)導(dǎo)航臺就擁有多個(gè)原子鐘組，原子鐘的數(shù)量可以達(dá)到數(shù)十個(gè)，因此羅蘭C系統(tǒng)內(nèi)部完全可以依托這些原子鐘形成自己的高精度、高穩(wěn)定的系統(tǒng)基準(zhǔn)時(shí)間，并以中科院國家授時(shí)中心時(shí)間頻率基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的主鐘系統(tǒng)時(shí)間UTC（NTSC）為參考標(biāo)準(zhǔn)，將羅蘭C系統(tǒng)時(shí)間和UTC（NTSC）時(shí)間建立同步關(guān)系。

目前可選的絕對時(shí)間同步方法主要有：通過BPL授時(shí)進(jìn)行時(shí)間同步、利用GNSS（北斗、GPS、GLONASS）等系統(tǒng)進(jìn)行共視比對實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步、搬鐘法等三種方法。搬鐘法是在短時(shí)間內(nèi)在基準(zhǔn)鐘所在地和需要進(jìn)行同步的所在地進(jìn)行快速搬鐘測量，且所有搬鐘設(shè)備都在保持加電的情況下進(jìn)行，代價(jià)比較大，一般在進(jìn)行系統(tǒng)同步校準(zhǔn)的場合使用。BPL和衛(wèi)星共視法實(shí)現(xiàn)起來比較方便，都是可選方法。由于采取GPS、GLONASS以及北斗授時(shí)的方式非常方便而且精度越來越高，目前該種方法比對精度至少可以達(dá)到100ns以內(nèi)，滿足應(yīng)用需求，所以利用衛(wèi)星共視法實(shí)現(xiàn)絕對時(shí)間同步是非常有效和理想的方法。

共視比對法的基本原理是：分別在UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源本地和需要進(jìn)行時(shí)間同步的羅蘭C臺站本地兩端，同時(shí)用同一種GNSS系統(tǒng)進(jìn)行授時(shí)，將授時(shí)所獲取的1PPS秒和本地時(shí)間基準(zhǔn)的1PPS秒進(jìn)行比較，將比較結(jié)果通過共視算法進(jìn)行處理，得到羅蘭C臺站的時(shí)間基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)UTC時(shí)間的相關(guān)性，利用所得到的相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)整羅蘭C發(fā)射臺的控制時(shí)序，最后發(fā)播出與UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步的羅蘭C信號，如圖1、2所示。

2.2 衛(wèi)星陸基增強(qiáng)系統(tǒng)的技術(shù)改造

導(dǎo)航定位和授時(shí)信息（PNT）的可用性、完好性和能否提供差分信息是系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，由于羅蘭C系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)在信號頻率、信號強(qiáng)度和工作體制上互補(bǔ)，因此羅蘭C系統(tǒng)可以建設(shè)改造成為較為理想的北斗系統(tǒng)的陸基增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）。發(fā)揮羅蘭C系統(tǒng)在全國廣泛分布的發(fā)射臺作為北斗系統(tǒng)的偽衛(wèi)星作用，將可以有效提高局部地區(qū)的定位幾何精度，提高北斗系統(tǒng)的可靠性和可用性。

發(fā)揮羅蘭C系統(tǒng)發(fā)射臺的偽衛(wèi)星作用的關(guān)鍵技術(shù)在于，解決發(fā)射臺發(fā)播的羅蘭C信號必須和北斗系統(tǒng)時(shí)間建立同步關(guān)系，這就要求發(fā)射臺所遵循的羅蘭C系統(tǒng)時(shí)間和北斗系統(tǒng)時(shí)間建立一致且保持同步，同時(shí)在發(fā)播的羅蘭C信號中調(diào)制信號發(fā)射時(shí)刻（TOT）時(shí)間，且各發(fā)射臺的精確位置又是已知的，這樣對于北斗用戶而言，只要加裝羅蘭C信號處理模塊，每個(gè)發(fā)射臺就相當(dāng)于一個(gè)地面?zhèn)涡l(wèi)星，在導(dǎo)航信息解算處理中，北斗的偽距信息可以和羅蘭C偽距信息進(jìn)行聯(lián)合解算處理，提高了定位的可靠性。

完好性的監(jiān)測通?？梢圆扇〗邮諜C(jī)自主監(jiān)測（RAIM）、廣域星基監(jiān)測（SBAS）以及陸基監(jiān)測（GBAS）等方式。對現(xiàn)有臺站進(jìn)行較小規(guī)模的技術(shù)改造后，可以在原有功能的基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)完好性監(jiān)測和差分信息的獲取和播發(fā)。加裝GNSS的監(jiān)測接收機(jī)和差分站設(shè)備，可以彌補(bǔ)GBAS造價(jià)過高的缺點(diǎn)。

改造的關(guān)鍵技術(shù)是羅蘭數(shù)據(jù)通信技術(shù)。國際上比較成熟的Eurofix技術(shù)的核心內(nèi)容是新的羅蘭C信號的調(diào)制方法，可在不影響原有導(dǎo)航功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)調(diào)制圖形與全部ASCⅡ字符相對應(yīng)。Eurofix調(diào)制方法對發(fā)射機(jī)改造的成本要求很低，但BD/GPS用戶卻能夠從廣播的差分改正值和完善性信息中獲得顯著的利益，并且通過計(jì)算差分BD/GPS位置，羅蘭C傳播延遲的附加二次相位因子（ASF）可以被連續(xù)準(zhǔn)確地更新。在城市、峽谷等環(huán)境中，GNSS可用性下降時(shí)，經(jīng)過高精度校準(zhǔn)的羅蘭C便可取代工作。因此，在對我國羅蘭C系統(tǒng)的改造中，Eurofix技術(shù)是可以借鑒的。

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