田震華，張 亮，鄒 四

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510000）

1 羅蘭C導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)介

羅蘭C導(dǎo)航系統(tǒng)是一種陸基遠(yuǎn)程雙曲線無(wú)線電導(dǎo)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(chǔ)上不斷發(fā)展改進(jìn)而來(lái)的。1945年二戰(zhàn)結(jié)束后到1974年，羅蘭C系統(tǒng)主要由美、蘇兩個(gè)大國(guó)所主導(dǎo)，前蘇聯(lián)建設(shè)了類似于羅蘭C的恰卡（Chayka）陸基無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，后由獨(dú)聯(lián)體國(guó)家維護(hù)。加拿大參加了美國(guó)的羅蘭C系統(tǒng)，羅蘭C采用100 kHz的低頻信號(hào)，該頻率傳播距離遠(yuǎn)且穩(wěn)定性較好，導(dǎo)航臺(tái)站發(fā)射功率可達(dá)兆瓦級(jí)，作用距離可達(dá)1 852 000 m[1]。

1974年，美國(guó)運(yùn)輸部發(fā)布公告，確定羅蘭C導(dǎo)航系統(tǒng)為美國(guó)海岸的官方導(dǎo)航手段，規(guī)定進(jìn)入美國(guó)海域的船舶必須裝備羅蘭C接收設(shè)備，標(biāo)志著羅蘭C正式向民用開(kāi)放。國(guó)際航空界也于80年代中期正式認(rèn)可了羅蘭C的應(yīng)用，此后歐洲地區(qū)陸續(xù)建設(shè)了多個(gè)羅蘭C臺(tái)鏈，亞洲地區(qū)的中、日、韓以及印也都相繼建設(shè)了羅蘭C臺(tái)鏈。

羅蘭C應(yīng)用高峰時(shí)期的90年代，全球共建成了28個(gè)羅蘭C臺(tái)鏈，80余座發(fā)射臺(tái)，覆蓋了北半球較為繁忙的主要航道，幾十萬(wàn)臺(tái)船舶及航空器都安裝了羅蘭C設(shè)備。

2 E羅蘭發(fā)展情況

美國(guó)政府很早就認(rèn)識(shí)到了GPS系統(tǒng)的脆弱性，于2001年發(fā)布了《沃爾普?qǐng)?bào)告》，將羅蘭C系統(tǒng)作為解決這個(gè)問(wèn)題的重要途徑。為進(jìn)一步發(fā)展羅蘭C系統(tǒng)，美國(guó)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(shí)能力，使其擴(kuò)展成為定位、導(dǎo)航以及授時(shí)一體化的導(dǎo)航系統(tǒng)。

國(guó)際羅蘭協(xié)會(huì)于2007年10月公布了《增強(qiáng)羅蘭定義文件》，闡述了E羅蘭系統(tǒng)是一種標(biāo)準(zhǔn)化的導(dǎo)航、定位以及授時(shí)系統(tǒng)，具備在航空、航海、陸上等領(lǐng)域提供廣泛的定位、導(dǎo)航以及授時(shí)服務(wù)。E羅蘭是獨(dú)立于衛(wèi)星導(dǎo)航的陸基導(dǎo)航系統(tǒng)，可以在衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)中斷或者衛(wèi)星信號(hào)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(shí)間服務(wù)。2008年，美國(guó)在《聯(lián)邦無(wú)線電導(dǎo)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(jìn)行E羅蘭系統(tǒng)技術(shù)升級(jí)[2]。受經(jīng)濟(jì)危機(jī)困境的影響，美國(guó)政府雖然于2010年封存了境內(nèi)的20余座羅蘭C臺(tái)站，但是2015年美國(guó)再次決定，從2016年開(kāi)始繼續(xù)建設(shè)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(lái)，美國(guó)陸續(xù)通過(guò)了“2018年國(guó)家授時(shí)彈性和安全法案”和“2019財(cái)年國(guó)防授權(quán)法案”，鼓勵(lì)開(kāi)展E羅蘭系統(tǒng)相關(guān)驗(yàn)證，以支持美國(guó)PNT的總體能力。

2020年，美國(guó)在其PNT整體架構(gòu)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(duì)抗環(huán)境下有效獲得位置和時(shí)間要素的可靠信息源，可見(jiàn)陸基E羅蘭系統(tǒng)在美國(guó)整體戰(zhàn)略中的地位和作用。

近年來(lái)，英國(guó)新建了E羅蘭導(dǎo)航臺(tái)，升級(jí)了西北歐羅蘭臺(tái)站。針對(duì)ASF修正建模和實(shí)時(shí)差分監(jiān)測(cè)站，積極投入相關(guān)建設(shè)并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)工作。2019年，E羅蘭系統(tǒng)初步覆蓋英國(guó)海港，每年將為約2×105艘船舶提供航道進(jìn)出及靠離泊業(yè)務(wù)。英國(guó)的燈塔管理總局表示，E羅蘭系統(tǒng)獨(dú)立于衛(wèi)星導(dǎo)航，能夠提供較好的導(dǎo)航服務(wù)，是多模式PNT重要的信息源之一。俄羅斯在其兩個(gè)“恰卡”臺(tái)鏈的基礎(chǔ)上，采用E羅蘭技術(shù)完成升級(jí)改造，命名為“天羯座”導(dǎo)航鏈，用來(lái)作為GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的備份。就目前技術(shù)水平而言，E羅蘭系統(tǒng)是功能最接近、技術(shù)最成熟以及最經(jīng)濟(jì)的衛(wèi)星導(dǎo)航備份系統(tǒng)[3]。

3 我國(guó)羅蘭系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)在90年代初投資超過(guò)2×108元人民幣，建設(shè)完成由6個(gè)導(dǎo)航臺(tái)組成的“長(zhǎng)河二號(hào)”羅蘭C導(dǎo)航臺(tái)鏈，也是我國(guó)第一個(gè)自主控制的遠(yuǎn)距離無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，解決了我國(guó)沿海地區(qū)及其周邊海域的導(dǎo)航定位問(wèn)題，成為我國(guó)海上定位的主要手段。1991年國(guó)家發(fā)布了《船用羅蘭C接收設(shè)備通用技術(shù)條件》（GB/T 12752—1991），1993年發(fā)布了《羅蘭C系統(tǒng)通用技術(shù)條件》（GB/T 14379—1993），規(guī)定了羅蘭C系統(tǒng)，即“長(zhǎng)河二號(hào)”工程所用的主要術(shù)語(yǔ)、技術(shù)要求以及主要性能的測(cè)試與試驗(yàn)方法，有效地提升了我國(guó)羅蘭C系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化水平，促進(jìn)了羅拉C終端設(shè)備的快速發(fā)展。

2007年，我國(guó)著手對(duì)長(zhǎng)河二號(hào)系統(tǒng)的3個(gè)臺(tái)鏈進(jìn)行升級(jí)改造，改造后具備了播發(fā)授時(shí)電文的能力，成為我國(guó)時(shí)間頻率播發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分。2010年，我國(guó)的羅蘭C接收機(jī)也完成了升級(jí)換代工作，成為衛(wèi)星導(dǎo)航最重要的備份系統(tǒng)。

2012年之后，隨著GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)的日趨成熟及我國(guó)北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的初始運(yùn)行，世界范圍內(nèi)羅蘭C導(dǎo)航接收機(jī)的應(yīng)用范圍逐步收縮，我國(guó)的羅蘭導(dǎo)航接收機(jī)也逐步讓位于衛(wèi)星導(dǎo)航終端。目前，國(guó)內(nèi)僅在特種水面船舶、水下航行器以及特種飛機(jī)等還安裝有羅蘭接收機(jī)。此外，國(guó)內(nèi)部分院校、研究所以及羅蘭導(dǎo)航臺(tái)站還有用于教學(xué)和監(jiān)測(cè)臺(tái)站信號(hào)發(fā)射情況的羅蘭終端設(shè)備。

2016年底，我國(guó)在《國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》中明確，將在現(xiàn)有無(wú)線電授時(shí)系統(tǒng)基礎(chǔ)上著手建設(shè)高精度陸基授時(shí)系統(tǒng)，與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)共存，既互為補(bǔ)充又相對(duì)獨(dú)立，以進(jìn)一步提高我國(guó)綜合PNT系統(tǒng)的安全性、可靠性以及高精度。

2018年5月，國(guó)家發(fā)改委批復(fù)“高精度地基授時(shí)系統(tǒng)”立項(xiàng)，項(xiàng)目將在我國(guó)西部地區(qū)新增建設(shè)3個(gè)E羅蘭授時(shí)臺(tái)，與現(xiàn)有的6個(gè)長(zhǎng)河二號(hào)羅蘭導(dǎo)航臺(tái)以及BPL授時(shí)臺(tái)形成地基E羅蘭授時(shí)系統(tǒng)。

4 E羅蘭/北斗組合應(yīng)用技術(shù)改進(jìn)

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

4.1 快速定時(shí)為北斗提供初始時(shí)間

一般而言，羅蘭接收機(jī)需經(jīng)過(guò)信號(hào)捕獲、跟蹤、天地波分離以及三周點(diǎn)判決等信號(hào)處理流程才能完成二維定位解算，通常耗時(shí)幾分鐘。傳統(tǒng)的E羅蘭終端為完成微秒級(jí)別的授時(shí)，必須首先經(jīng)過(guò)幾分鐘的定位處理時(shí)間，這其中最耗時(shí)的是天地波信號(hào)分離和三周點(diǎn)判決，約占整個(gè)處理時(shí)間的80%以上。然而在很多情況下，授時(shí)服務(wù)應(yīng)用的要求達(dá)到毫秒級(jí)即可，一般信號(hào)條件下，E羅蘭只需十幾秒鐘即可快速達(dá)到毫秒級(jí)的授時(shí)精度[5]。為此可針對(duì)具體使用需求，適當(dāng)改進(jìn)信號(hào)處理算法，從而改善用戶的使用體驗(yàn)。特別是北斗的授權(quán)應(yīng)用終端，若其沒(méi)有準(zhǔn)確的時(shí)間信息，甚至不能提供高可靠的定位服務(wù)?？衫肊羅蘭改進(jìn)算法，支持快速授時(shí)功能，在十幾秒鐘內(nèi)為北斗終端提供毫秒級(jí)的年月日時(shí)分秒信息，大大加快北斗終端的開(kāi)機(jī)定位速度。即使是數(shù)月不開(kāi)機(jī)或剛從倉(cāng)庫(kù)中取出的北斗授權(quán)終端，也能迅速完成時(shí)間鎖定、信號(hào)鎖定以及位置鎖定，成為更加貼近實(shí)用的PNT終端。

4.2 地波定位改進(jìn)方法

E羅蘭主要使用地波導(dǎo)航信號(hào)定位，由于地波信號(hào)在經(jīng)過(guò)陸地或海面島嶼的遠(yuǎn)距離傳播后，波形會(huì)發(fā)生一定畸變，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致三周點(diǎn)判決出現(xiàn)錯(cuò)誤，造成數(shù)公里的定位誤差。此外，當(dāng)穿越羅蘭導(dǎo)航臺(tái)鏈基線延長(zhǎng)線時(shí)，即便導(dǎo)航信號(hào)跟蹤正常，設(shè)備也無(wú)法自動(dòng)從定位解算的多值解中選取正確的位置點(diǎn)，從而造成用戶的困惑。為此，可應(yīng)用北斗終端，在經(jīng)過(guò)上一章節(jié)的步驟后快速完成定位，進(jìn)而輔助E羅蘭完成三周點(diǎn)判決，自動(dòng)從定位多值解中選取恰當(dāng)?shù)亩ㄎ唤Y(jié)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(cuò)周，消除多值解問(wèn)題。

在實(shí)時(shí)ASF修正計(jì)算方面，由于可以實(shí)時(shí)獲得衛(wèi)星導(dǎo)航精確的定位位置，因此也可實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前臺(tái)鏈的ASF修正值[6]。除可以積累ASF修正數(shù)據(jù)庫(kù)外，當(dāng)遇到持續(xù)雷暴和太陽(yáng)黑子等極端氣象條件時(shí)，使用即時(shí)計(jì)算的ASF修正量可以使E羅蘭在數(shù)十千米內(nèi)保持幾十米的定位精度。

4.3 天波定位應(yīng)用模式

E羅蘭終端一般使用地波才能達(dá)到較為準(zhǔn)確的定位精度，但也有學(xué)者研究過(guò)天波應(yīng)用的可行性[7]。當(dāng)E羅蘭與北斗組合使用時(shí)，可同時(shí)接收羅蘭天波信號(hào)，利用類似上一章節(jié)北斗輔助羅蘭計(jì)算ASF修正值的方法，甚至可實(shí)時(shí)計(jì)算天波接收修正值，進(jìn)而在北斗的輔助下利用天波信號(hào)進(jìn)行輔助定位。當(dāng)北斗受到短時(shí)干擾時(shí)，仍然能夠利用E羅蘭的天波信號(hào)提供精度可控的定位服務(wù)，擴(kuò)大E羅蘭的應(yīng)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(dǎo)航終端數(shù)量的逐步減少，其終端硬件平臺(tái)形式基本固化，沒(méi)有顯著進(jìn)步，然而在此時(shí)期與羅蘭C接近頻段的電波表技術(shù)卻快速發(fā)展?？ㄎ鳉W公司不斷改進(jìn)自身的電波表技術(shù)及工藝，2006年研制出了可同時(shí)接收美國(guó)、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(jì)銷售電波表突破千萬(wàn)。我國(guó)中科院國(guó)家授時(shí)中心商丘低頻時(shí)碼發(fā)播臺(tái)也于2008年正式播發(fā)信號(hào)，逐步開(kāi)展電波表的推廣工作。近年來(lái)，我國(guó)北斗芯片研制也迅速發(fā)展，有較好的人才和技術(shù)儲(chǔ)備。因此，羅蘭終端小型化是有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)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(shù)上是可行的，組合終端也一定能獲得更廣闊的應(yīng)用空間。

今后，E羅蘭/北斗組合導(dǎo)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(jìn)一步將E羅蘭與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間完全同步，將羅蘭信號(hào)作為北斗系統(tǒng)的偽衛(wèi)星使用，進(jìn)而提升我國(guó)PNT體系的可靠性和可用性[8]。在設(shè)備端可將衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)與羅蘭導(dǎo)航接收機(jī)集成設(shè)計(jì)，有效克服各自系統(tǒng)的缺點(diǎn)，提升設(shè)備室內(nèi)、室外、水面以及水下的定位適應(yīng)性，對(duì)深入挖掘我國(guó)長(zhǎng)河二號(hào)系統(tǒng)應(yīng)用潛力和建設(shè)國(guó)家綜合PNT體系具有重要意義[9]。

6 結(jié) 論

E羅蘭導(dǎo)航技術(shù)經(jīng)過(guò)升級(jí)改進(jìn)可與北斗組合應(yīng)用，為北斗授權(quán)用戶快速提供初始時(shí)間，而且在北斗協(xié)助下可提升E羅蘭定位與授時(shí)精度，擴(kuò)大使用范圍，增加應(yīng)用模式，組合終端可有效改善北斗衛(wèi)星導(dǎo)航在復(fù)雜電磁環(huán)境中的脆弱性。當(dāng)前我國(guó)E羅蘭高精度地基授時(shí)系統(tǒng)正在建設(shè)，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(huì)促進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用的總體發(fā)展。未來(lái)，E羅蘭/北斗組合終端必然會(huì)在涉及國(guó)計(jì)民生的重點(diǎn)部門和國(guó)家PNT體系的重要節(jié)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，繼續(xù)發(fā)展E羅蘭/北斗組合技術(shù)和裝備將為我國(guó)綜合PNT系統(tǒng)的建設(shè)提供有力支撐[10]。