eLoran發展現狀和現代化改造技術分析

摘 要：單一的GNSS系統無法提供可靠的PNT信息，在傳統羅蘭C系統基礎上進行增強后的eLoran是較為理想的備份和增強系統。我國羅蘭C系統必須首先進行授時系統的改造建設，在此基礎上將羅蘭C系統建設成為北斗的備份和增強系統，提高兩大自主星地系統的PNT保障精度和可靠性。

關鍵詞：GPS備份；無線電導航；授時；現代化

1 國際Loran的發展現狀

1.1 Loran現代化的背景

隨著對衛星導航（北斗、GPS）信號的脆弱性認識加深，人們開始尋找作為備份的無線電導航系統。由于羅蘭C和GPS在工作體制、工作頻率以及信號強度等方面互補性很強，在遭受干擾或打擊時一般不會同時受損，因此羅蘭C系統理論上完全可以成為衛星導航的增強和備份系統，增強羅蘭（eLoran）就是在這樣的背景下產生的。

eLoran可以簡單理解為是具有為全球導航衛星系統提供備份能力的現代化羅蘭系統。美國政府組織交通部（DOT）、國土安全部（DHS）對羅蘭系統的政策進行了評估和研究。評估和研究結果表明，羅蘭C系統可能是GPS系統最為理想的備份系統。

在2007年，國際羅蘭協會（ILA）公布了《增強羅蘭定義文件》，為政策制定者、服務商和用戶提供頂層的eLoran定義。增強羅蘭是一個國際標準的定位、導航和定時的PNT服務，在傳統羅蘭C系統基礎上，結合最新的羅蘭數據通信技術、接收機技術、天線技術和發射機系統，使該系統能夠承擔GNSS的備份和補充系統的功能，采用了增強技術后，新的羅蘭C可以擁有傳統羅蘭系統無法達到的性能指標。

在2008年發布的新的聯邦無線電導航規劃中，對羅蘭C的政策聲明是：保持羅蘭C系統的短期運行并將羅蘭C經過改造轉變成現代化的羅蘭C系統。eLoran是下一代羅蘭系統，作為陸基系統，它是獨立的、不同于GPS體制的但是卻是GPS的一個補充系統，它在GPS失效時將為用戶保持PNT服務，它比傳統羅蘭C擁有更高的精度、可靠性和連續性，同時保持了現有的羅蘭C的所有功能，它可以為通信系統用戶和其他重要的基礎部門提供高精度的時間頻率基準參考。

1.2 歐洲Loran-C的現代化改造

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，用脈沖時間移位調制（脈位調制）的方法對正常羅蘭C信號脈沖進行額外調制，構成稱之為Eurofix的數據鏈路。

歐洲在1989年由荷蘭Delft科技大學提出了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，用脈沖時間移位調制（脈位調制）的方法對正常羅蘭C信號脈沖進行額外調制，構成稱之為Eurofix的數據鏈路。

1997年4月，NELS指導委員會第11次會議原則上同意在NELS中采用Eurofix技術，并將整個實現過程劃分為可行性階段和實現階段。1998年，NELS指導委員會決定進入可行性階段。可行性階段是將NELS的4個臺站B，（挪威）、Vaerlandet（挪威）、Sylt（德國）、Lessay（法國）等裝備Eurofix技術，以便對Eurofix技術進行最后驗證和優化，并實現基本的Eurofix服務。

截止2000年，Sylt和Vaerlandet的發射機改造已經完成，另外兩個站的改造正在實施中。NELS在2000年通過上述4臺站播發Eurofix信號。首先對所有的NELS臺鏈施以Eurofix技術改造，其后將前美國海岸警衛隊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，從而實現在全歐洲的Eurofix服務。

1.3 美國Loran-C的現代化改造

北美地區是擁有羅蘭C臺鏈最多的地區，雖然在2010年進行了封存，但其現代化改造技術仍然值得我們借鑒。按照北美增強羅蘭系統的建設目標，增強羅蘭系統至少包括以下幾個部分：

（1）每個發射臺擁有至少三部Agilent5071A的銫鐘，在北美大陸（美國和加拿大）29個發射臺形成擁有最龐大的87部高精度銫鐘的時間基準系統。

（2）每個發射臺裝備固態發射機，并且裝備新型的時間頻率測量和控制設備（TFE）。這些設備通過接收GPS的信號數據對發射臺的時鐘系統進行同步，并使每個發射臺相對UTC（USNO）（海軍天文臺）誤差范圍為15ns以內。

（3）在羅蘭脈沖組中引入新的第9脈沖，利用羅蘭數據調制技術，調制UTC時間以及差分羅蘭信息在內的各種信息，發送給用戶進行授時和定位應用。

（4）發展接收機內DSP處理技術、多臺鏈接收機技術以及GPS/Loran集成接收模塊技術。在接收機天線方面，發展小型電天線、磁天線以及GPS/Loran集成天線。

（5）在ASF修正技術、羅蘭差分技術、羅蘭信號告警等方面進行研究應用。

通過實施改造，北美的增強羅蘭得到了很好的發展，根據相關文獻指出的一些評估試驗表明，增強羅蘭方式在信號精度、信號有效性、信號可靠性和工作連續性上都達到了在美國作為GPS備份系統的要求。

2 我國Loran-C現代化改造的需求技術分析

2.1 授時技術改造

我國羅蘭C系統的岸臺一般利用數臺精度和頻率穩定度很高的原子鐘構成的組合時間系統，作為發射信號的時頻基準，組合的數臺原子鐘互相進行比較和標校，最后輸出一個穩定的時頻信號源。因此系統內多個導航臺就擁有多個原子鐘組，原子鐘的數量可以達到數十個，因此羅蘭C系統內部完全可以依托這些原子鐘形成自己的高精度、高穩定的系統基準時間，并以中科院國家授時中心時間頻率基準實驗室的主鐘系統時間UTC（NTSC）為參考標準，將羅蘭C系統時間和UTC（NTSC）時間建立同步關系。

目前可選的絕對時間同步方法主要有：通過BPL授時進行時間同步、利用GNSS（北斗、GPS、GLONASS）等系統進行共視比對實現時間同步、搬鐘法等三種方法。搬鐘法是在短時間內在基準鐘所在地和需要進行同步的所在地進行快速搬鐘測量，且所有搬鐘設備都在保持加電的情況下進行，代價比較大，一般在進行系統同步校準的場合使用。BPL和衛星共視法實現起來比較方便，都是可選方法。由于采取GPS、GLONASS以及北斗授時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到100ns以內，滿足應用需求，所以利用衛星共視法實現絕對時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標準時間源本地和需要進行時間同步的羅蘭C臺站本地兩端，同時用同一種GNSS系統進行授時，將授時所獲取的1PPS秒和本地時間基準的1PPS秒進行比較，將比較結果通過共視算法進行處理，得到羅蘭C臺站的時間基準和標準UTC時間的相關性，利用所得到的相關數據調整羅蘭C發射臺的控制時序，最后發播出與UTC標準時間同步的羅蘭C信號，如圖1、2所示。

2.2 衛星陸基增強系統的技術改造

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

發揮羅蘭C系統發射臺的偽衛星作用的關鍵技術在于，解決發射臺發播的羅蘭C信號必須和北斗系統時間建立同步關系，這就要求發射臺所遵循的羅蘭C系統時間和北斗系統時間建立一致且保持同步，同時在發播的羅蘭C信號中調制信號發射時刻（TOT）時間，且各發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，每個發射臺就相當于一個地面偽衛星，在導航信息解算處理中，北斗的偽距信息可以和羅蘭C偽距信息進行聯合解算處理，提高了定位的可靠性。

完好性的監測通常可以采取接收機自主監測（RAIM）、廣域星基監測（SBAS）以及陸基監測（GBAS）等方式。對現有臺站進行較小規模的技術改造后，可以在原有功能的基礎之上實現完好性監測和差分信息的獲取和播發。加裝GNSS的監測接收機和差分站設備，可以彌補GBAS造價過高的缺點。

改造的關鍵技術是羅蘭數據通信技術。國際上比較成熟的Eurofix技術的核心內容是新的羅蘭C信號的調制方法，可在不影響原有導航功能的基礎上，實現調制圖形與全部ASCⅡ字符相對應。Eurofix調制方法對發射機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）可以被連續準確地更新。在城市、峽谷等環境中，GNSS可用性下降時，經過高精度校準的羅蘭C便可取代工作。因此，在對我國羅蘭C系統的改造中，Eurofix技術是可以借鑒的。

參考文獻

[1]汪捷，李川章，嚴建華，等.增強羅蘭技術分析及評估[J].艦船電子工程，2009，29（8）：37-40.

[2]熊偉.Loran-C數字信號處理的關鍵技術研究[D].西安：中國科學院研究生院（國家授時中心），2008.

[3]World War II-era navigation system shut down.2010-02-09，http：//edition.cnn.com/2010/