E羅蘭/北斗組合終端應用技術

田震華，張 亮，鄒 四

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

1 羅蘭C導航系統(tǒng)簡介

羅蘭C導航系統(tǒng)是一種陸基遠程雙曲線無線電導航系統(tǒng)，它是在第二次世界大戰(zhàn)中出現(xiàn)的羅蘭A基礎上不斷發(fā)展改進而來的。1945年二戰(zhàn)結束后到1974年，羅蘭C系統(tǒng)主要由美、蘇兩個大國所主導，前蘇聯(lián)建設了類似于羅蘭C的恰卡（Chayka）陸基無線電導航系統(tǒng)，后由獨聯(lián)體國家維護。加拿大參加了美國的羅蘭C系統(tǒng)，羅蘭C采用100 kHz的低頻信號，該頻率傳播距離遠且穩(wěn)定性較好，導航臺站發(fā)射功率可達兆瓦級，作用距離可達1 852 000 m[1]。

1974年，美國運輸部發(fā)布公告，確定羅蘭C導航系統(tǒng)為美國海岸的官方導航手段，規(guī)定進入美國海域的船舶必須裝備羅蘭C接收設備，標志著羅蘭C正式向民用開放。國際航空界也于80年代中期正式認可了羅蘭C的應用，此后歐洲地區(qū)陸續(xù)建設了多個羅蘭C臺鏈，亞洲地區(qū)的中、日、韓以及印也都相繼建設了羅蘭C臺鏈。

羅蘭C應用高峰時期的90年代，全球共建成了28個羅蘭C臺鏈，80余座發(fā)射臺，覆蓋了北半球較為繁忙的主要航道，幾十萬臺船舶及航空器都安裝了羅蘭C設備。

2 E羅蘭發(fā)展情況

美國政府很早就認識到了GPS系統(tǒng)的脆弱性，于2001年發(fā)布了《沃爾普報告》，將羅蘭C系統(tǒng)作為解決這個問題的重要途徑。為進一步發(fā)展羅蘭C系統(tǒng)，美國于2006年提出了E羅蘭的概念，增加了羅蘭C的電文傳輸能力和授時能力，使其擴展成為定位、導航以及授時一體化的導航系統(tǒng)。

國際羅蘭協(xié)會于2007年10月公布了《增強羅蘭定義文件》，闡述了E羅蘭系統(tǒng)是一種標準化的導航、定位以及授時系統(tǒng)，具備在航空、航海、陸上等領域提供廣泛的定位、導航以及授時服務。E羅蘭是獨立于衛(wèi)星導航的陸基導航系統(tǒng)，可以在衛(wèi)星導航服務中斷或者衛(wèi)星信號遭受干擾的情況下繼續(xù)為用戶提供較高精度的位置與時間服務。2008年，美國在《聯(lián)邦無線電導航規(guī)劃》中明確，繼續(xù)保持現(xiàn)有羅蘭C系統(tǒng)，并逐步進行E羅蘭系統(tǒng)技術升級[2]。受經(jīng)濟危機困境的影響，美國政府雖然于2010年封存了境內的20余座羅蘭C臺站，但是2015年美國再次決定，從2016年開始繼續(xù)建設E羅蘭系統(tǒng)，并將其作為GPS最主要的備份系統(tǒng)之一。

近年來，美國陸續(xù)通過了“2018年國家授時彈性和安全法案”和“2019財年國防授權法案”，鼓勵開展E羅蘭系統(tǒng)相關驗證，以支持美國PNT的總體能力。

2020年，美國在其PNT整體架構中，將E羅蘭列為GPS系統(tǒng)的重要陸基區(qū)域性PNT后備手段，能夠在對抗環(huán)境下有效獲得位置和時間要素的可靠信息源，可見陸基E羅蘭系統(tǒng)在美國整體戰(zhàn)略中的地位和作用。

近年來，英國新建了E羅蘭導航臺，升級了西北歐羅蘭臺站。針對ASF修正建模和實時差分監(jiān)測站，積極投入相關建設并開展實驗工作。2019年，E羅蘭系統(tǒng)初步覆蓋英國海港，每年將為約2×105艘船舶提供航道進出及靠離泊業(yè)務。英國的燈塔管理總局表示，E羅蘭系統(tǒng)獨立于衛(wèi)星導航，能夠提供較好的導航服務，是多模式PNT重要的信息源之一。俄羅斯在其兩個“恰卡”臺鏈的基礎上，采用E羅蘭技術完成升級改造，命名為“天羯座”導航鏈，用來作為GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的備份。就目前技術水平而言，E羅蘭系統(tǒng)是功能最接近、技術最成熟以及最經(jīng)濟的衛(wèi)星導航備份系統(tǒng)[3]。

3 我國羅蘭系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

我國在90年代初投資超過2×108元人民幣，建設完成由6個導航臺組成的“長河二號”羅蘭C導航臺鏈，也是我國第一個自主控制的遠距離無線電導航定位系統(tǒng)，解決了我國沿海地區(qū)及其周邊海域的導航定位問題，成為我國海上定位的主要手段。1991年國家發(fā)布了《船用羅蘭C接收設備通用技術條件》（GB/T 12752—1991），1993年發(fā)布了《羅蘭C系統(tǒng)通用技術條件》（GB/T 14379—1993），規(guī)定了羅蘭C系統(tǒng)，即“長河二號”工程所用的主要術語、技術要求以及主要性能的測試與試驗方法，有效地提升了我國羅蘭C系統(tǒng)的標準化水平，促進了羅拉C終端設備的快速發(fā)展。

2007年，我國著手對長河二號系統(tǒng)的3個臺鏈進行升級改造，改造后具備了播發(fā)授時電文的能力，成為我國時間頻率播發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分。2010年，我國的羅蘭C接收機也完成了升級換代工作，成為衛(wèi)星導航最重要的備份系統(tǒng)。

2012年之后，隨著GPS全球導航系統(tǒng)的日趨成熟及我國北斗二號衛(wèi)星導航系統(tǒng)的初始運行，世界范圍內羅蘭C導航接收機的應用范圍逐步收縮，我國的羅蘭導航接收機也逐步讓位于衛(wèi)星導航終端。目前，國內僅在特種水面船舶、水下航行器以及特種飛機等還安裝有羅蘭接收機。此外，國內部分院校、研究所以及羅蘭導航臺站還有用于教學和監(jiān)測臺站信號發(fā)射情況的羅蘭終端設備。

2016年底，我國在《國家重大科技基礎設施建設“十三五”規(guī)劃》中明確，將在現(xiàn)有無線電授時系統(tǒng)基礎上著手建設高精度陸基授時系統(tǒng)，與北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)共存，既互為補充又相對獨立，以進一步提高我國綜合PNT系統(tǒng)的安全性、可靠性以及高精度。

2018年5月，國家發(fā)改委批復“高精度地基授時系統(tǒng)”立項，項目將在我國西部地區(qū)新增建設3個E羅蘭授時臺，與現(xiàn)有的6個長河二號羅蘭導航臺以及BPL授時臺形成地基E羅蘭授時系統(tǒng)。

4 E羅蘭/北斗組合應用技術改進

雖然E羅蘭系統(tǒng)在覆蓋范圍、定位及授時精度等方面相對于衛(wèi)星導航有一定差距，但是其可憑借導航信號頻率低和功率大的特點與頻率高、功率小以及易被干擾的北斗導航系統(tǒng)形成有效互補。羅蘭信號波長可達300 m，具有較強的繞射傳播能力和入水穿透能力，具有較好的信號抗干擾能力，成為衛(wèi)星導航系統(tǒng)的有益補充和最優(yōu)備份系統(tǒng)[4]。在新的發(fā)展時期，E羅蘭終端可通過技術改進與北斗三號衛(wèi)星導航終端進行組合使用，具體有以下幾個方面的應用模式。

4.1 快速定時為北斗提供初始時間

一般而言，羅蘭接收機需經(jīng)過信號捕獲、跟蹤、天地波分離以及三周點判決等信號處理流程才能完成二維定位解算，通常耗時幾分鐘。傳統(tǒng)的E羅蘭終端為完成微秒級別的授時，必須首先經(jīng)過幾分鐘的定位處理時間，這其中最耗時的是天地波信號分離和三周點判決，約占整個處理時間的80%以上。然而在很多情況下，授時服務應用的要求達到毫秒級即可，一般信號條件下，E羅蘭只需十幾秒鐘即可快速達到毫秒級的授時精度[5]。為此可針對具體使用需求，適當改進信號處理算法，從而改善用戶的使用體驗。特別是北斗的授權應用終端，若其沒有準確的時間信息，甚至不能提供高可靠的定位服務?？衫肊羅蘭改進算法，支持快速授時功能，在十幾秒鐘內為北斗終端提供毫秒級的年月日時分秒信息，大大加快北斗終端的開機定位速度。即使是數(shù)月不開機或剛從倉庫中取出的北斗授權終端，也能迅速完成時間鎖定、信號鎖定以及位置鎖定，成為更加貼近實用的PNT終端。

4.2 地波定位改進方法

E羅蘭主要使用地波導航信號定位，由于地波信號在經(jīng)過陸地或海面島嶼的遠距離傳播后，波形會發(fā)生一定畸變，嚴重時會導致三周點判決出現(xiàn)錯誤，造成數(shù)公里的定位誤差。此外，當穿越羅蘭導航臺鏈基線延長線時，即便導航信號跟蹤正常，設備也無法自動從定位解算的多值解中選取正確的位置點，從而造成用戶的困惑。為此，可應用北斗終端，在經(jīng)過上一章節(jié)的步驟后快速完成定位，進而輔助E羅蘭完成三周點判決，自動從定位多值解中選取恰當?shù)亩ㄎ唤Y果。這不但可以使E羅蘭的定位更加迅速，還能減少E羅蘭的錯周，消除多值解問題。

在實時ASF修正計算方面，由于可以實時獲得衛(wèi)星導航精確的定位位置，因此也可實時計算當前臺鏈的ASF修正值[6]。除可以積累ASF修正數(shù)據(jù)庫外，當遇到持續(xù)雷暴和太陽黑子等極端氣象條件時，使用即時計算的ASF修正量可以使E羅蘭在數(shù)十千米內保持幾十米的定位精度。

4.3 天波定位應用模式

E羅蘭終端一般使用地波才能達到較為準確的定位精度，但也有學者研究過天波應用的可行性[7]。當E羅蘭與北斗組合使用時，可同時接收羅蘭天波信號，利用類似上一章節(jié)北斗輔助羅蘭計算ASF修正值的方法，甚至可實時計算天波接收修正值，進而在北斗的輔助下利用天波信號進行輔助定位。當北斗受到短時干擾時，仍然能夠利用E羅蘭的天波信號提供精度可控的定位服務，擴大E羅蘭的應用范圍。

5 E羅蘭/北斗組合終端發(fā)展?jié)摿?/h2>

由于羅蘭C導航終端數(shù)量的逐步減少，其終端硬件平臺形式基本固化，沒有顯著進步，然而在此時期與羅蘭C接近頻段的電波表技術卻快速發(fā)展?？ㄎ鳉W公司不斷改進自身的電波表技術及工藝，2006年研制出了可同時接收美國、歐洲以及日本等5種電波的全球化電波表，至2007年在全球累計銷售電波表突破千萬。我國中科院國家授時中心商丘低頻時碼發(fā)播臺也于2008年正式播發(fā)信號，逐步開展電波表的推廣工作。近年來，我國北斗芯片研制也迅速發(fā)展，有較好的人才和技術儲備。因此，羅蘭終端小型化是有產(chǎn)業(yè)基礎的，研制芯片化、小型化以及智能化的E羅蘭/北斗組合終端在技術上是可行的，組合終端也一定能獲得更廣闊的應用空間。

今后，E羅蘭/北斗組合導航系統(tǒng)的發(fā)展可參考E羅蘭/GPS組合的思路，在系統(tǒng)端可進一步將E羅蘭與北斗導航系統(tǒng)的時間完全同步，將羅蘭信號作為北斗系統(tǒng)的偽衛(wèi)星使用，進而提升我國PNT體系的可靠性和可用性[8]。在設備端可將衛(wèi)星導航接收機與羅蘭導航接收機集成設計，有效克服各自系統(tǒng)的缺點，提升設備室內、室外、水面以及水下的定位適應性，對深入挖掘我國長河二號系統(tǒng)應用潛力和建設國家綜合PNT體系具有重要意義[9]。

6 結 論

E羅蘭導航技術經(jīng)過升級改進可與北斗組合應用，為北斗授權用戶快速提供初始時間，而且在北斗協(xié)助下可提升E羅蘭定位與授時精度，擴大使用范圍，增加應用模式，組合終端可有效改善北斗衛(wèi)星導航在復雜電磁環(huán)境中的脆弱性。當前我國E羅蘭高精度地基授時系統(tǒng)正在建設，以北斗為核心的綜合PNT系統(tǒng)也在逐步完善中，研制高效的組合終端產(chǎn)品一定會促進系統(tǒng)應用的總體發(fā)展。未來，E羅蘭/北斗組合終端必然會在涉及國計民生的重點部門和國家PNT體系的重要節(jié)點得到廣泛應用，繼續(xù)發(fā)展E羅蘭/北斗組合技術和裝備將為我國綜合PNT系統(tǒng)的建設提供有力支撐[10]。