基于NAVDAT授時定位的可行性研究

梅建群，高萬明，高迎，許璟華

（13交通運輸部東海航海保障中心，上海，200086；2.中科睿格（北京）技術有限公司，北京，100094）

0 引言

自大航海時代開啟以來，海上導航及通信一直是海上安全航行的重要保障。伴隨著無線通信技術的飛速發(fā)展，水上導航及通信技術也有了長足的進步。二戰(zhàn)初期，美國國防部成功研制了海用中遠程無線電導航系統(tǒng)Loran-A。20世紀40年代至70年代，Loran-A進行了全面布署，但其定位精度、可靠性、應用范圍都存在較大限制，不能滿足美軍作戰(zhàn)要求，因而自二戰(zhàn)末期，美國開展了更高性能的Loran-C系統(tǒng)的研制，于1957年獲得成功。1974年5月16日，美國將Loran-C對民用開放，此后，Loran-C系統(tǒng)在多個國家和地區(qū)得以建設[1]。上世紀70年代初，美國開始了GPS（Global Positioning System）的研制，該系統(tǒng)于1994年建成并提供服務[2]，至今已經(jīng)形成包括俄羅斯的GLONASS（Global Navigation Satellite System）、歐洲 Galileo、中國的北斗四大全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)[3]。隨著Loran系統(tǒng)發(fā)展及對衛(wèi)星導航系統(tǒng)脆弱性認識的深入，當前開始尋求能提供PNT（Positioning, Navigation and Timing）服務的eLoran系統(tǒng)作為衛(wèi)星導航系統(tǒng)的備份[4]。

1999年，全球海上遇險與安全系統(tǒng)（Global Maritime Distress and Safety System, GMDSS）實施[5]。以 NAVTEX（Navigational Telex）為代表的上一代航行警告系統(tǒng)已明顯滯后于數(shù)字移動通信的發(fā)展，無法滿足當前高速、可靠、多樣的應用需求。因而，無線電搜救分委會提出了水上數(shù)字廣播系統(tǒng) NAVDAT（Navigational Data）[6]。

無線電導航與通信系統(tǒng)技術上存在很大相似性，電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展也為兩個系統(tǒng)合并提供了可能。當前NAVDAT正處于標準研究與制定階段，如能將NAVDAT數(shù)字廣播系統(tǒng)拓展為集廣播、授時、定位于一體的系統(tǒng)，將大幅度增強NAVDAT系統(tǒng)服務能力，降低水上無線電導航與廣播系統(tǒng)建設成本，提高船用設備集成度及性價比。

1 系統(tǒng)總體設計

NAVDAT是一種新型的岸基海上數(shù)字廣播系統(tǒng)，采用最新數(shù)字傳輸技術，在500kHz上播發(fā)海上安全和保安相關信息和其他服務信息[7]。由于采用了500kHz中頻，其傳輸特性穩(wěn)定，尤其是傳播速度變化小，有利于無線電測距。

圖1為NAVDAT廣播授時定位系統(tǒng)框架，整個系統(tǒng)由主控系統(tǒng)、岸基網(wǎng)絡、臺鏈群及接收系統(tǒng)組成。主控系統(tǒng)作為整個NAVDAT系統(tǒng)的核心，包含臺鏈監(jiān)測和臺鏈管控兩大核心功能，主控系統(tǒng)通過岸基網(wǎng)絡與臺鏈群相連。臺鏈群包含分布于不同地方的多個臺鏈，每個臺鏈包含發(fā)射機群與監(jiān)測機群，臺鏈的布局對系統(tǒng)性能有重要影響。發(fā)射機通過中頻無線電信道播發(fā)信息，接收系統(tǒng)接收解調(diào)解碼相關信息。接收系統(tǒng)包含若干獨立工作的接收機，是NAVDAT廣播授時定位的用戶終端。

圖1 NAVDAT廣播授時定位系統(tǒng)框架

圖2為NAVDAT廣播授時定位系統(tǒng)臺鏈分系統(tǒng)框架，臺鏈分系統(tǒng)由分控系統(tǒng)、岸基網(wǎng)絡、發(fā)射系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)組成。分控系統(tǒng)通過岸基網(wǎng)絡與主控系統(tǒng)相連，也通過岸基網(wǎng)絡連接發(fā)射系統(tǒng)與監(jiān)測系統(tǒng)，分控系統(tǒng)是廣播、授時、定位及監(jiān)測信息的處理中心，負責本臺鏈內(nèi)部的信息收集、處理、控制及分發(fā)。岸基網(wǎng)絡作為各系統(tǒng)連接的神經(jīng)，負責信息的傳遞與交互。發(fā)射系統(tǒng)由一臺主發(fā)射機、多臺從發(fā)射機組成，負責廣播授時定位信息的播發(fā)。監(jiān)測系統(tǒng)由多臺監(jiān)測接收機組成，負責監(jiān)測臺鏈內(nèi)發(fā)射機運行狀況，測量各定位脈沖到達時間，供分控系統(tǒng)處理差分信息及狀態(tài)監(jiān)測使用。

圖2 NAVDAT廣播授時定位系統(tǒng)臺鏈分系統(tǒng)框架

NAVDAT廣播采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術，可選4QAM（Quadrature Amplitude Modulation）、16QAM或64QAM調(diào)制[8]。由于各子載波可選用不同的數(shù)字調(diào)制方式，為使系統(tǒng)適合授時定位，考慮在子載波上發(fā)送PPM（Pulse Position Modulation）授時定位脈沖，從而使整個系統(tǒng)具備授時定位能力。

2 系統(tǒng)定位原理

無線電定位通常采用三角定位原理實現(xiàn)：即通過測量與已知點之間的距離求取當前點位置。具體到NAVDAT陸基無線電定位系統(tǒng)，采用雙曲線定位的方式實現(xiàn)。測量目標點與兩個已知點間的無線電信號到達時間差，確定接收機位于由兩點為焦點的雙曲線上。再增加一個已知點并測得目標點與該點、與前兩點中任意一點的無線電信號到達時間差，即可由兩條雙曲線的交點結合先驗信息計算得到目標點位置，如圖3所示。主從臺A、B、C位置均已知，主從臺周期性播發(fā)含有UTC時間標記的脈沖，接收機測量各發(fā)射臺脈沖到達時間差，可得到多組時間差，結合光速信息，可轉換成與主從臺之間的距離差，進而通過解非線性方程組確定接收機位置。

圖3 NAVDAT雙曲線定位原理

基于定位結果及發(fā)射臺時間同步到UTC的事實，容易實現(xiàn)授時應用。假設信號發(fā)射時刻為Tt，通常發(fā)射臺通過高精度原子鐘或 GNSS（Global Navigation Satellite System）授時實現(xiàn)納秒級的同步。由用戶位置(xu,yu)及發(fā)射臺位置(xt,yt)可以計算出空間距離ΔD，進而確定發(fā)射信號到達用戶的時間延遲ΔT，即：

式中，c為光速，。因此，接收機接收時刻為

這樣就實現(xiàn)了基于NAVDAT的授時功能[9]。

3 原型測試

3.1 原型測試系統(tǒng)

為了驗證利用NAVDAT進行授時定位的可行性，在上海海岸臺的崇明發(fā)射臺和鹽城之間進行了授時測距實驗測試。

測試系統(tǒng)如圖4所示。在NAVDAT發(fā)射臺附近架設一具備北斗授時同步功能的中頻接收機1用于采集原始NAVDAT授時定位脈沖，在距離約260公里的鹽城架設另一臺同樣配置的接收機2。NAVDAT發(fā)射臺周期性的發(fā)送授時定位脈沖，使用兩臺接收機采集同一時間段信號并同步記錄接收時刻。由兩臺接收機同一時刻接收的發(fā)射信號的時間差可以確定兩臺接收機之間的距離，由接收信號強度結合鏈路預算可以初步確定信號覆蓋范圍，從而初步評估通過NAVDAT系統(tǒng)進行授時定位的可行性。

圖4 NAVDAT授時定位可行性驗證系統(tǒng)

3.2 數(shù)據(jù)分析

使用MATLAB解調(diào)兩臺接收機采集的同一接收時刻原始射頻數(shù)據(jù)，并計算原始信號的發(fā)射時間差，使用SPIKER軟件回放接收信號并分析其信噪比，對兩地采集的信號進行可用性分析及授時測距的計算，具體結果及計算見表1。

表1 NAVDAT授時定位數(shù)據(jù)結果及分析

由表1可知，接收的授時定位信號平均信噪比為27.2dBc，遠大于NAVDAT系統(tǒng)所規(guī)劃的信噪比，由此證明：NAVDAT發(fā)送授時定位信息是可行的，所搭建的接收系統(tǒng)是可用的，采集的數(shù)據(jù)是可信的。

由表1可知，接收信號間的平均時間差為854.034us，已知無線電波在空氣中的傳播速度為299792458m/s，經(jīng)過換算得到兩臺接收機間的直線距離約為256.033km，與地圖誤差約為41m。

以上試驗證明：通過NAVDAT播發(fā)授時定位信息進行測距是可行的，從而初步證實了利用NAVDAT進行授時定位的可行性。

4 結束語

本文基于NAVDAT廣播系統(tǒng)，提出利用NAVDAT實現(xiàn)授時定位的問題。為解決此問題，本文從系統(tǒng)構成、授時定位原理及系統(tǒng)實現(xiàn)三個角度論證其可行性，并進行了初步的試驗驗證。理論分析及試驗結果表明，利用NAVDAT實現(xiàn)授時定位完全可行。統(tǒng)一的航保廣播授時定位系統(tǒng)極大地擴展了NAVDAT系統(tǒng)功能，降低了航保廣播授時定位系統(tǒng)成本，增強了GNSS授時定位系統(tǒng)的抗風險能力，極大簡化了船用接收設備的復雜度，具有明顯的經(jīng)濟及社會效益。