胡安平

(中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068)

0 引言

定位導(dǎo)航授時(Positioning, Navigation, and Timing，PNT)系統(tǒng)是現(xiàn)代信息化社會和軍事活動必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施[1]。當(dāng)前的PNT極大地依賴于衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的大區(qū)域覆蓋、高性能、高可靠、高可用等能力。但是，受空間條件、衛(wèi)星導(dǎo)航信號固有脆弱性等因素的影響，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在受到環(huán)境遮蔽或電磁干擾條件下，可用性、服務(wù)能力存在較大的不確定性。為此，需探索研究各種不依賴衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的PNT技術(shù)，發(fā)展在成本、覆蓋、精度、抗干擾、生存能力等方面具有綜合優(yōu)勢的新型PNT技術(shù)，在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)遭到拒止的情況下，形成對衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的增強、補充和備份，在體系上保障用戶對PNT信息可靠性、安全性以及連續(xù)性等方面的需求[2-3]。

基于甚低頻的陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，在系統(tǒng)覆蓋、抗干擾以及具有入水和入地能力方面具有很多優(yōu)勢，通過技術(shù)手段提升系統(tǒng)服務(wù)性能，有望成為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的補充和備份系統(tǒng)[4]。

1 國外發(fā)展情況

1.1 早期陸基遠程導(dǎo)航系統(tǒng)

20世紀(jì)40年代以來，國際上陸續(xù)發(fā)展了多種地基無線電導(dǎo)航體制和系統(tǒng)，形成了較為完整的地基導(dǎo)航體系。其中，歐米伽、阿爾法是典型的能夠提供全球覆蓋的超遠程地基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，羅蘭C、恰卡是典型的提供區(qū)域覆蓋的遠程地基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。受技術(shù)水平和國際環(huán)境的制約，當(dāng)時的遠程概念主要是限于2000km以內(nèi)的區(qū)域[4]。

歐米伽、阿爾法是典型的采用甚低頻(Very Low Frequency，VLF)頻段，提供廣域乃至全球覆蓋的陸基超遠程導(dǎo)航系統(tǒng)。

(1)歐米伽導(dǎo)航系統(tǒng)

歐米伽導(dǎo)航系統(tǒng)是美國在20世紀(jì)60～70年代研制的遠程陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。8個臺站分別位于美國北達科他和夏威夷、挪威、利比亞、法國(法屬留尼旺群島)、阿根廷、澳大利亞和日本(見圖1)。系統(tǒng)采用連續(xù)波大功率信號(發(fā)射天線的輻射功率為10kw)，每個臺站都發(fā)射10.2kHz、11.33kHz、13.6kHz和11.05kHz的信號，信號通過由電離層與地球之間形成的波導(dǎo)傳播覆蓋全球，從1982年開始提供全球服務(wù)[1]。

歐米伽導(dǎo)航采用比相測量時間差的雙曲線定位體制，為用戶提供無源二維定位(地球表面的平面定位)服務(wù)，設(shè)計精度為2～4n mile，定位誤差與用戶地點、觀測時刻、所選臺站、傳播修正等有很大關(guān)系，地點相同而時間不同的復(fù)現(xiàn)精度為2～4n mile，時間相同而地點不同的相對精度為0.25～0.5n mile，利用差分技術(shù)可以把定位精度提高到1n mile(500n mile范圍內(nèi))。

歐米伽的可用性為99%以上，可靠性為97%，信息更新率為10s,是20世紀(jì)70～90年代唯一具有全球覆蓋能力并可作為單一導(dǎo)航手段的系統(tǒng)，是越洋航空和航海的重要導(dǎo)航系統(tǒng)。同時，由于其信號能滲入水下10m左右，也是當(dāng)時美國潛艇的水下導(dǎo)航系統(tǒng)。

歐米伽導(dǎo)航系統(tǒng)雖然具有用途廣、覆蓋面大和機載設(shè)備相對便宜等優(yōu)點，但是定位精度低。隨著全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)的廣泛應(yīng)用，加快了導(dǎo)航系統(tǒng)更新?lián)Q代的進程，1997年美國關(guān)閉了歐米伽導(dǎo)航系統(tǒng)。

(2)阿爾法導(dǎo)航系統(tǒng)

阿爾法導(dǎo)航系統(tǒng)是蘇聯(lián)開始建設(shè)的類似于歐米伽的超遠程導(dǎo)航系統(tǒng)，于1970年投入使用，是目前國際上唯一仍在正常運行的VLF陸基超遠程導(dǎo)航系統(tǒng)(見圖2)。阿爾法導(dǎo)航系統(tǒng)計劃共有5個臺站，發(fā)射臺的輻射功率為50～80kW, 工作頻率為11.904761kHz(F1)、12.648809kHz(F2)、14.880952kHz (F3)、14.881091kHz (F3p)、12.090773kHz (F4)、12.044270kHz (F5)、12.500kHz(F6)、13.281kHz(F7)和15.625kHz(F8)。工作區(qū)覆蓋全球70%的面積,幾何盲區(qū)為東處中太平洋夏威夷與關(guān)島之間一線和西處非洲大陸南大西洋一線[5]。

阿爾法導(dǎo)航系統(tǒng)可以采用測距差、測距與準(zhǔn)測距三種方式進行導(dǎo)航定位,通常定位精度在2～4n mile，為解決電波預(yù)測修正問題,俄羅斯在系統(tǒng)工作區(qū)內(nèi)先后建起了31個阿爾法信號傳播監(jiān)測站。差分阿爾法的精度比普通的歐米伽的定位精度提高了3～5倍，白天的定位精度可達200～1000m。

1.2 新型超遠程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)

20世紀(jì)末，隨著GPS的建成和廣泛應(yīng)用，美國政府認(rèn)為不再需要遠程無線電導(dǎo)航服務(wù)，在爭議之中關(guān)閉了歐米伽系統(tǒng)。近年來，隨著電磁環(huán)境的日益復(fù)雜和對GPS脆弱性的深入認(rèn)識，美國出于遠程作戰(zhàn)的考慮，重新開展了針對下一代的超遠程VLF無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的研究[6]。

2014年，美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)啟動了競爭環(huán)境中的空間、時間和方向信息(STOIC)項目，旨在研發(fā)不依賴GPS但具有與GPS同級別精度的PNT系統(tǒng)，STOIC將在GPS性能退化或無法使用時提供抗干擾的PNT能力[7]。

為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，DARPA征詢了以下4個相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新型建議。

1)技術(shù)領(lǐng)域1：健壯的基準(zhǔn)信號

2)技術(shù)領(lǐng)域2：極穩(wěn)定的戰(zhàn)術(shù)時鐘

3)技術(shù)領(lǐng)域3：多功能系統(tǒng)PNT

4)技術(shù)領(lǐng)域4：輔助技術(shù)

每個技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)和評估都要求在36個月內(nèi)分3個階段進行，每個階段12個月，如圖3所示。在完成第三階段后，DARPA將根據(jù)第三階段的性能去投標(biāo)后續(xù)集成系統(tǒng)展示，所有已開發(fā)的STOIC組件和系統(tǒng)將被整合在一起，并在多個環(huán)境和多個平臺中進行測試。

在基準(zhǔn)信號技術(shù)領(lǐng)域，意在尋求不依賴GPS，且適用場景廣泛、抗干擾性強的PNT系統(tǒng)，形成一個適用于對抗環(huán)境、相對于地固坐標(biāo)系的PNT系統(tǒng)。當(dāng)GPS功能衰退或不可用時，為離臺站更遠作戰(zhàn)區(qū)域(10000km)提供可靠、高精度的PNT服務(wù)。在競爭環(huán)境及其附近無需部署基礎(chǔ)設(shè)施，也無需進行維護，定位精度優(yōu)于10m，時間精度優(yōu)于30ns。該項目在第一階段重點關(guān)注了基于建模、仿真、數(shù)據(jù)收集的系統(tǒng)設(shè)計和分析，并提出了甚低頻定位系統(tǒng)(VLF Position System，VPS)架構(gòu)，目前已完成第一階段研究，進入第二、三階段研究[8]。

VPS架構(gòu)由三部分組成，分別為信號傳輸部分、控制部分、用戶部分(見圖4)。數(shù)據(jù)處理中心將監(jiān)測站測量到的環(huán)境信息實時傳輸給STOIC甚低頻臺站，由臺站將攜帶導(dǎo)航信息的基準(zhǔn)信號發(fā)送給用戶端，由用戶端完成基于相位測量的定位解算。

2016年2月，STOIC項目提出了借用現(xiàn)有的海軍甚低頻通信系統(tǒng)支撐后續(xù)的第二、三階段研究工作，研究時間預(yù)計各12個月，研究重點主要是信號體制、信號傳播、接收處理以及系統(tǒng)在機載和海上平臺的應(yīng)用[9-10]。

重點研究內(nèi)容主要包括：信號體制、信號傳播以及接收處理方面。

在信號體制方面，DARPA重點關(guān)注基于VLF發(fā)射機和接收機的方案。這是因為VLF 信號在地表-電離層波導(dǎo)中的傳播損失非常低，用戶能夠接收到來自遠程發(fā)射機的高信噪比信號，為系統(tǒng)提供必要的精度?，F(xiàn)有的VLF發(fā)射臺都是以大電場天線為基礎(chǔ)，而DARPA希望發(fā)展新型的發(fā)射技術(shù)，將VLF信號進行遠距離傳播并具有較高帶寬，可以將電波修正信息發(fā)送至用戶端,與此同時，也對可快速部署的移動發(fā)射機感興趣。

信號傳播方面，DARPA將重點關(guān)注VLF傳播特性的研究，擬采用數(shù)值計算方法建立更逼近真實特性的電波傳播模型，并通過建立全球電離層監(jiān)測網(wǎng)，實時獲取環(huán)境參數(shù)，并結(jié)合修正模型預(yù)測以得到更精確的電波修正信息。

接收處理方面，DARPA重點關(guān)注提高接收機相位測量精度、抗干擾能力以及減小接收機體積等方面的解決途徑，擬采用全向磁天線設(shè)計改善以上問題。

同時，對信號帶寬、積分時間、信噪比(Signal-Noise Ratio，SNR)等信號體制內(nèi)容進行設(shè)計、分析和驗證，并采取創(chuàng)新的手段對偏差進行補償以達到目標(biāo)精度。

2 國內(nèi)研究情況

我國在地基無線導(dǎo)航方面經(jīng)歷了長期的發(fā)展過程，一直以來，地基導(dǎo)航系統(tǒng)在我國PNT服務(wù)方面發(fā)揮著重要的作用。早在20世紀(jì)60年代初，我國就十分重視研究并建設(shè)我國自主的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，在國際上提出新的地基導(dǎo)航系統(tǒng)時，我國也同步開展了技術(shù)研究。我國先后發(fā)展了中程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)、遠程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，并開展了超遠程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)研究[1，11]。

我國中程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)體制與美國的羅蘭-A相同。系統(tǒng)由海軍和交通部共同投資建設(shè)，1965年開始實施。一期工程3個導(dǎo)航臺(山東榮成、江蘇射陽、浙江嵊泗)于1966年建成并投入使用；二期工程7個導(dǎo)航臺于1970～1974年建成并投入使用。10個導(dǎo)航臺分別位于遼寧莊河、天津上古林、山東榮成、江蘇射陽、浙江嵊泗、浙江溫嶺、福建平潭、廣東惠來、廣東珠海與海南萬寧，構(gòu)成9條基線，全系統(tǒng)海上覆蓋范圍白天700n mile，夜間500n mile。系統(tǒng)開始由海軍實施管理，1983年移交交通部管理，于1997 年關(guān)閉。

我國長波遠程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)由6個導(dǎo)航臺、3個監(jiān)測站和1個監(jiān)控管理中心構(gòu)成，形成南海、東海和北海3個臺鏈。1994年國務(wù)院批復(fù)交通部、海軍，同意該系統(tǒng)對國外用戶開放。長波遠程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)體制與羅蘭-C相同。發(fā)射臺輻射功率1.2MW，海上地波作用距離900～1300n mile，典型定位精度460m[11]。

我國在20世紀(jì)70年代初，開展了超長波無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的分析和論證，超遠程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)體制與歐米伽、阿爾法系統(tǒng)相同，可實現(xiàn)長波水下導(dǎo)航，后因轉(zhuǎn)向以經(jīng)濟建設(shè)為中心以及全球覆蓋布站條件不足等因素而停止了發(fā)展[12]。

近年來，國內(nèi)開展了衛(wèi)星導(dǎo)航拒止環(huán)境下的導(dǎo)航技術(shù)研究，開展了基于VLF的導(dǎo)航技術(shù)研究。VLF信號具有傳播衰減小、穿透能力強的特點，能夠在地面和電離層之間波導(dǎo)傳播。因此，采用VLF信號可以進行超遠程導(dǎo)航，在全球只需部署少量發(fā)射臺，即可實現(xiàn)全球覆蓋。新型VLF導(dǎo)航技術(shù)研究的關(guān)鍵在于提升PNT的精度以及可靠性，以便達到衛(wèi)星導(dǎo)航備份的要求。

3 陸基遠程無線電系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

陸基遠程導(dǎo)航系統(tǒng)通過建立地面發(fā)射臺，播發(fā)大功率VLF信號，為各類用戶提供廣域覆蓋的定位、導(dǎo)航、時頻傳遞播發(fā)服務(wù)，可以作為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的備份和補充系統(tǒng)。在衛(wèi)星導(dǎo)航不可用時(系統(tǒng)失效、系統(tǒng)被賽博攻擊、用戶區(qū)域信號被干擾或阻塞)，陸基超遠程導(dǎo)航替代衛(wèi)星導(dǎo)航工作，保障PNT連續(xù)服務(wù)。 在衛(wèi)星導(dǎo)航信號不可達區(qū)域(如茂密森林、水下、地下)，陸基遠程導(dǎo)航作為衛(wèi)星導(dǎo)航的補充，提供PNT信息服務(wù)。

陸基超遠程導(dǎo)航系統(tǒng)，在大體上可以分為發(fā)播臺、監(jiān)控站、系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)以及用戶端。根據(jù)高精度定位和授時需要，還可以建立全球甚低頻/極低頻電波傳播實時監(jiān)測及修正播發(fā)網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供實時的電波傳播修正數(shù)據(jù)。陸基超遠程導(dǎo)航系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖5所示。

(1)導(dǎo)航信號發(fā)射臺

發(fā)射臺涉及時空基準(zhǔn)、電文生成、信號播發(fā)、同步監(jiān)測等要素，由天線、大功率發(fā)射機、同步監(jiān)測和測量、信號發(fā)播同步控制、差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)、網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點等功能單元組成。通過通信網(wǎng)接收來自控制中心的差分?jǐn)?shù)據(jù)和同步控制參數(shù)，實現(xiàn)臺站信號發(fā)播同步控制和大功率導(dǎo)航信號及差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)。

(2)監(jiān)控站

監(jiān)測站涉及傳播誤差監(jiān)測、完好性監(jiān)測、服務(wù)性能監(jiān)測等要素，由多通道多功能監(jiān)測和網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點等功能單元組成，完成高精度相位/偽距/時差測量和信號監(jiān)測，并通過通信網(wǎng)將測量數(shù)據(jù)發(fā)給控制中心。

(3)增強服務(wù)系統(tǒng)

增強服務(wù)系統(tǒng)涉及差分修正以及多個傳播誤差修正監(jiān)測站構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)化誤差修正等要素，由多個差分站、多個監(jiān)測站以及網(wǎng)絡(luò)化誤差修正處理中心等功能單元組成。完成局域/廣域的不依賴于發(fā)射臺站的特定用戶實時或近實時差分修正增強服務(wù)。

(4)系統(tǒng)運行控制中心及通信網(wǎng)絡(luò)

控制中心涉及時空基準(zhǔn)溯源、系統(tǒng)控制、信息網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)存儲和管理等要素。由數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)通信等功能單元組成。通過通信網(wǎng)接收來自發(fā)播臺和監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，分析主要誤差源和變化，完成覆蓋區(qū)差分?jǐn)?shù)據(jù)估計。同時，接收發(fā)播臺的絕對時間同步數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)的變化確定發(fā)播臺同步控制參數(shù)，并通過通信網(wǎng)將差分?jǐn)?shù)據(jù)和同步控制數(shù)據(jù)發(fā)給發(fā)播臺。

(5)用戶終端

用戶終端涉及高性能接收天線、接收機通道信號測量、數(shù)據(jù)解調(diào)以及導(dǎo)航定位解算等要素，接收發(fā)射臺導(dǎo)航信號以及增強差分信息，完成用戶定位和授時。

陸基超遠程導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)：

(1)信號體制設(shè)計技術(shù)

在信號體制設(shè)計時，要考慮在帶寬受限、傳播特性、遠近效應(yīng)等約束條件下，開展臺站同步、多臺站組網(wǎng)、高精度導(dǎo)航測距信號設(shè)計、導(dǎo)航與數(shù)據(jù)通道波形融合等技術(shù)途徑和方法。

(2)傳播誤差修正技術(shù)

針對VLF導(dǎo)航信號波導(dǎo)傳播受電離層、氣象條件等因素影響大的特點，開展導(dǎo)航信號傳播時延模型及精化技術(shù)、信號監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、實時和非實時差分技術(shù)、網(wǎng)格化傳播修正服務(wù)等技術(shù)途徑和方法[12]。

(3)高性能用戶接收技術(shù)

在陸基超遠程導(dǎo)航系統(tǒng)信號天波、大氣、工業(yè)等干擾環(huán)境和作用距離遠、精度高、抗干擾能力強等服務(wù)要求下，開展現(xiàn)代信號處理、全視野接收處理、實時誤差修正和建模、高動態(tài)應(yīng)用等技術(shù)途徑和方法。

4 發(fā)展建議

PNT信息是現(xiàn)代社會正常運行不可或缺的基礎(chǔ)信息，采用星基、陸基和自主相組合的多導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成的PNT體系，可以保障PNT服務(wù)的可靠性和安全性。因此，在進一步發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的同時，應(yīng)大力開展陸基超遠程導(dǎo)航技術(shù)研究，促進形成完備的國家PNT體系，服務(wù)于國家軍民用戶[3]。