国家综合PNT体系中的罗兰C导航系统

张洪源 徐 兵 李海波 廖丁毅 陈洪卿

(1.海军92678部队，天津 300220；2.海军92987部队，广西贺州 542813；3.海军91710部队，吉林和龙 133506；4.广州海格通信集团股份有限公司，广东广州 510663；5.中国科学院国家授时中心，陕西西安 710600)

1 引 言

天基卫星导航系统提供的定位、导航和授时(Positioning,Navigation and Timing,PNT)服务是国家安全、经济安全和高效现代社会高度依赖的关键基础设施和隐形技术手段，为电力、电信基础设施、移动通信设备以及交通运输、精准农业、天气预报、应急响应等业务提供支撑[1-4]。但是，天基系统固有的脆弱性，易受干扰、欺骗、地形限制以及战场电子对抗影响，使其PNT业务的可用性和鲁棒性受限，一旦中断或被操纵，将造成灾难性后果。因此，2004年美国总统颁布《美国国家天基定位、导航与授时政策》(U.S.Space-based Positioning,Navigation,and Timing Policy)，用PNT概念取代GPS，标志着卫星导航系统进入以PNT为基本要素的新时代[5-8]。

鉴于全球导航卫星系统(GNSS)不等于PNT，只是PNT业务的一种工具，PNT的范畴更为广泛。国内在研究、建设北斗卫星导航系统的基础上，提出国家综合PNT体系架构、关键技术及其构建蓝图，认为它是后GNSS发展的必然趋势[9-12]。所谓的综合PNT，被定义为：基于不同原理，多种信息源，经过云平台控制、多传感器高度集成和多源数据的融合，生成时空基准统一的、且具有抗干扰、防欺骗、稳健、可用、连续、可靠的全空间PNT服务体系。其“核心要素在于，(采用)不同的原理，不同的信息源形成网络，经过云平台控制，最后实现智能化的服务”。在美国斯坦福2019PNT大会上，中国在《中国北斗导航卫星系统和PNT系统》的报告中披露了正在推进“综合PNT系统”，将在2035年前后建设更为泛在、更加融合、更多智能的综合PNT体系。

在国内外推进综合PNT体系和eLORAN技术现代化的大环境下，本文阐述中国罗兰C导航系统及其eLORAN技术改进状况，探讨如何使之为国家综合PNT体系现代化建设加砖添瓦。

2 国外PNT与eLORAN进展

北斗官网报导，2020年2月12日，美国总统签署关于PNT应用的第13905号行政命令——《关于“加强负责任使用PNT服务以增强国家弹性”的行政令》(Strengthening National Resilience Through Responsible Use of Positioning,Navigation,and Timing Services)。该行政令要求：“1年内协调制定一项国家计划，用于研发和试点测试独立于GNSS、强大安全的PNT服务,包括集成、使用多种PNT服务方法，以增强关键基础设施的弹性”；特别要求“自行政令发布之日起180日内，商务部应提供独立于GNSS的、获得协调世界时间(UTC)的手段，以支持保证关键基础设施所有者和运营者的需求，供公共和私营部门访问应用”[13]。这与2019年8月美国国防部公开的《国防部定位、导航和授时(PNT)整体战略——确保美国军队PNT优势》报告——“强调GPS可能在全球会受到干扰，用户终端应该是模块化拥有获取多种不同PNT源的开放系统”——引入综合PNT概念相呼应，如图1所示；是美国进行电子战、信息战、网络战、导航战、“授时战”思维的延续。值得一提的是，美国防部在图1示意的PNT整体战略中，将eLORAN列为仅次于首要PNT源——GPS/GNSS及其星基增强的DGPS之后，作为区域性的、陆基的“在对抗环境下获得空间、时间和方位信息源(Spatial,Temporal,and Orientation Information in Contested Environments-STOIC / eLORAN)”，可见陆基eLORAN系统在其整体战略中的地位和作用。

近年来，美国通过“2017年海岸警卫队授权法案(Coast Guard Authorization Act of 2017”、“2018年国家授时弹性和安全法案(National Timing Resilience and Security Act of 2018)”、“2019财年国防授权法案(National Defense Act for FY 2018(HR 5515))”，支持海岸警卫队以及UrsaNav公司等开展验证eLORAN系统支持综合PNT能力”[14]。国际罗兰协会(International Loran Association，ILA)也对eLORAN系统的精度、可用性、完整性、连续性等给出定义和标准化。英国在拉格比新建eLORAN导航台，并升级增强其西北欧eLORAN台，开展ASF建模修正和监测站实时差分实验，差分修正后的实时定位精度可优于5m[15,16]。2019年eLORAN系统覆盖英国海港，每年将满足20万艘船舶港区航道进出泊靠业务(the Harbor Entrance and Approach—HEA)。英国灯塔管理总局认为，技术改进增强后的eLORAN系统是完全独立于GNSS并与之媲美的多模式应用的PNT源[15,16]。韩国为对抗地面干扰源影响GPS信号导航，布局5个eLORAN导航台和43个eLORAN差分监测站，为其国土及周边提供精度优于20m的定位导航，满足船舶HEA和飞机着陆非精确进场(NPA)需求。俄罗斯也用eLORAN技术升级改造其两个“海鸥”(Chayka)台链为新型“天羯座”(Skorpion)导航链，增强其GLONASS卫星导航系统，天地PNT系统互补。目前国际公认eLORAN系统是与卫星PNT系统的体制最接近、技术最成熟、最经济的备份系统[16,17]。

3 罗兰C导航系统及其eLORAN技术改进

中国罗兰C导航系统由6个发播台、3个监测站构成北海、东海、南海三台链；由国家交通部牵头开展国际交流，与俄、日、韩合作成立“远东罗兰-C技术工作组”，研究远东罗兰-C联合导航业务。经典罗兰C系统采用100kHz载频，发射峰值功率可达2MW，地波陆地覆盖半径约800km，海上覆盖1000km以远，天波覆盖可达4000km[16]，具有覆盖范围广、抗干扰能力强、PNT精度高、全天候连续PNT服务等优势。

21世纪以来，采用XX/GNSS卫星共视时间传递技术，完成罗兰C系统的原子钟时间(频率)同步[18]，各导航台之间共视时间同步的标准偏差约10ns量级，与协调世界时(UTC)同步标准偏差保持在100ns量级之内；同时导航台完成脉冲位置调制(PPM)信号的发播技术改造，业已具备播发各种数据电文功能[16-19]。

鉴于影响罗兰C系统PNT精度的主要因素，是长波地波传播延迟随路径传播介质的空间、时间不同而不断变化，增大修正其时间延迟(主要是ASF二次相位因子)的难度和不确定性。国家自然科学基金为“数字中国、数字地球”电波环境参数信息建模建库，曾支持与罗兰C系统工程相关的“GPS技术检验测量大地电导率”和“组合导航系统ASF修正研究”，研制“中国大地电导率电子地图”和“长波定时ASF修正的GIS软件”[20-22]。然而，国内外各种ASF实时修正的经验表明[15,23,24]，仅靠传播路径的电参数、电子地图和相关传播模型软件改正，难以达到与卫星PNT精度匹配、满足用户实时改正要求的精度和可靠性；而采用类似北斗/GNSS的RTK差分改正，在用户(港口、机场、交通枢纽)覆盖服务区按需建若干差分监测站，开展时间、空间差分改正信息播报服务，更有实效[15,25,26]。

4 差分技术增强罗兰C导航系统

在罗兰C系统已有高精度时间参考和改正数据播发能力的基础上，有必要进一步为系统用户配置、建设eLORAN差分监测站，开展局域差分信息服务，满足用户实时应用需求。

图2 eLORAN差分系统组成框图Fig.2 Diagram of monitor and difference sub-system for eLORAN system

4.1 eLORAN局域差分监测子系统组成与工作原理

罗兰C增强差分监测子系统主要由多个局域eLORAN差分监测站、eLORAN发射台(含编码形成设备)和eLORAN差分PNT用户终端设备组成，如图2所示。eLORAN差分站主要由eLORAN信号监测接收机、卫星接收参考、本地时空参考基准、差分比测设备和差分信息生成发送设备组成。差分站监测eLORAN信号的完整性，并形成各种差分改正数实时信息，由通信链路发送给发射台(或控制/服务中心)，由编码形成设备调制eLORAN信号播发。eLORAN用户设备接收全视野eLORAN信号，对其(包括系统完整性、差分改正数等数据信息)进行综合解读处理应用。这是当前主流eLORAN改进技术。与此同时，为摆脱对卫星PNT技术的依赖，还可以通过光纤等地基有线/无线接力，传输高精度时间参考给差分站作基准，增强差分站鲁棒性。对于远离eLORAN发射台边缘区域或用户对精度、可靠性有特殊要求的服务区，可增设(临时)差分站，采用FM调频广播、3G/4G/5G网络或有线网络(适合固定点用户)等手段，直接将差分监测改正数据发送给用户终端。

局域eLORAN差分监测站的设备组成与连接框图如图3所示，由GNSS接收机完成接收、跟踪、捕获、解调、测量，将其输出的位置、时间信息送给eLORAN监测接收机和差分比测设备以及差分信息形成设备(工作软件)处理，并用其1PPS驯服铷钟后再输出1PPS，作为差分站本地时间基准，送给计数器作测量参考。同时eLORAN监测接收机完成eLORAN信号接收、跟踪、捕获、解调、测量，将其输出的1PPS也送计数器，与本地时间基准1PPS比测。差分信息形成设备(工作软件)将比测的1PPS时差信息，分别处理计算出各个eLORAN发射台到本差分站的各条路径上的实时ASF修正值，再加上获得的本地eLORAN定位差分改正信息、eLORAN信号发射时刻改正数、eLORAN系统完整性等等其它信息，形成差分监测修正综合数据包，通过网络通信设备，传输给发射台播发服务，也可由广播、通信链路直送用户。

图3 eLORAN监测差分站组成框图Fig.3 Diagram of composition for monitor and difference station in eLORAN system

4.2 eLORAN发播局域差分监测数据的电文

罗兰C系统发送差分监测修正综合数据包的电文设计,可以参考国际标准和欧洲Eurofix的数据PPM调制技术，电文由信息部分、CRC码和RS码构成。目前电文的信息用56bits，CRC码用14bits，RS码用140bits，共210bits。每个eLORAN脉冲组可携带7bits信息，一份电文连续占用30个eLORAN脉冲组，即需要30个组重复间隔(GRI)的时间。对于罗兰C南海链(GRI=67 800μs)需要2.034s，东海链(GRI=83 900μs)为2.517s，北海链(GRI=74 300μs)为2.229s。为在同一个eLORAN数据通道上，分别完成发播多种电文,电文的编码应与发播控制兼容，兼容发播差分电文和授时电文。对于多个不同类型的电文，可采用分时交替循环方式发播，或某些信息优先发播。

4.3 局域差分ASF修正与应用

采用电参数加传播模型预测ASF建库修正时，罗兰C系统在信号覆盖范围内能提供约500m的定位精度和约500ns的授时精度。随着国家“地基高精度授时系统”在全国建设分布式差分监测站网，用户终端采用实时差分ASF改正数，国内外实验与实践表明[15,25,26]，将大大提高PNT精度，对于重要港口、机场等PNT精度、完整性、可靠性有特殊要求的用户，可以在局部地区增加差分监测站的密度。

5 罗兰C系统在国家综合PNT体系中的作用与定位

在覆盖区局域eLORAN差分监测站支持下，经全面eLORAN技术改进的罗兰C系统在国家综合PNT体系中将以多种方式为用户提供PNT信息，助推多种形式应用。

5.1 罗兰C系统以多种方式支撑综合PNT生态系统

在实时差分技术支持下，罗兰C导航台播发的eLORAN信号支撑局域用户综合PNT应用将可采用以下方式。

1)北斗导航信号被拒止时，可以导航台链方式独立提供PNT手段，为北斗/GNSS卫星PNT系统应急备份(backup)，可采用TDOA(Time Difference of Arrival)双曲线定位方式，也可采用TOA(Time of Arrival)三球定位方式；

2)罗兰C信号数据链发播北斗/GNSS系统的差分改正信息，增强天基PNT系统；

3)以伪卫星的方式，用单个或几个导航台的eLORAN信号与北斗信号组合，实现PNT；

4)罗兰C导航台原子钟组及其精确的地固坐标，是高精度、高度可靠的时间、空间参考基准，可为星基或空基(飞机、无人机、飞艇)伪卫星多模式组合导航求解锚固时空参考；

5)以地基伪卫星的方式，与其它传统PNT技术、非传统的新兴PNT技术融合，组合集成为全源、弹性PNT(Resilient PNT)解决方案。

鉴于罗兰C信号强、时间准、频率稳等特性，除作为PNT源使用外，还能用作检验、评估、验证“干扰信号、欺骗的伪北斗信号”和各种“备用的PNT信号或机会信号(Signals of Opportunity)”的参考基准，增加维护准确PNT信息的可靠性，增强综合PNT能力，改善海上、陆地、空中以及地下、水下复杂环境中执行关键任务应用的性能和安全性。

5.2 罗兰C系统是国家“高精度地基授时系统”的重大科技基础设施

人类对信息量和距离量的要求越来越高，对时间信号精度的要求也越来越高。未来进入物联网、大数据时代，由于物无智慧，所以对其进行时间、位置排序的要求会更高，而对大数据的挖掘、利用就更依赖于PNT信息去寻找线索、发现规律从而提供决策，否则就是一堆“乱数据”“杂数据”。因此，作为建立、维持国家时空基准、播报时空信息、进行PNT应用服务的“国家综合PNT体系建设”的重要组成——国家“十三五”重大科技基础设施——“高精度地基授时系统”项目于2018年获国家发改委批复立项[27]。其建设方案是利用现有通信光纤，联接北京、西安、上海、武汉、合肥、乌鲁木齐、三亚等重要城市及重要用户，建成高精度光纤授时骨干网，并在中国西部新建3个eLORAN授时台，与现有的6个罗兰C导航台和BPL授时台形成地基eLORAN授时系统。由高精度光纤连接国家时空基准、eLORAN授时台及重点差分站(200多)网，采用局域差分(站)监测技术将eLORAN授时精度提高到优于100ns(差分站周边区域)，示意框图如图4所示，并通过eLORAN台播发北斗增强(时空差分)信息、地波传播ASF实时改正(数据)信息，约每10min循环播发1次。该项目建成后，与新建成的北斗卫星导航系统和2022年前后建成的中国空间站时间频率实验系统，共同构建我国独特的、时空基准统一溯源、立体交叉的授时体系。三套系统相互独立、相互融合，是互补增强的综合PNT体系的核心，中国罗兰C系统是该服务体系中不可或缺的组成部分。

图4 高精度地基授时系统示意图Fig.4 Diagram of terrestrial time service system in high precision

6 结束语

地面eLORAN系统凭其信号的大功率、低频率、强绕射传播能力，可与卫星系统互补增强综合PNT。然而，eLORAN增强差分应用成败的关键，在于能否使用户集成终端小型化、智能化、模块化和新型eLORAN差分数据接收处理终端芯片化，否则，很难与卫星PNT芯片、芯片原子钟等进行多源综合、集成使用。eLORAN用户终端若仍然“体积大、功耗高、集成度低、价格贵”，就没有eLORAN信号/差分信息源的用武之地。虽然，eLORAN工作频率是100kHz，其传播信道、数据电文的速率与容量，与卫星导航用的“微波频率、信道、电文码速率、容量”存在较大差别，仍然可以借鉴卫星PNT用户终端小型化、智能化、模块化集成创新的思路和硬件、软件处理技术，进行移植。

在大力推进多种PNT信号源、信息源建设的同时，应该充分考虑支持eLORAN差分应用终端开发研究，研制适配星基战略备份要求的、适合于复杂电磁环境和地理条件下可靠使用的、能独立PNT的一体化新型接收机终端——其技术要求包括功能、可靠性、动态性能、用户界面、设备接口、适用天线形式等；并使之模块化、智能化、便于集成使用，为国防、经济和社会的信息化、现代化建设，提供强有力的PNT手段，为建设一个弹性、可靠、互补、稳健、强大的国家综合PNT体系增光添彩。