中国罗兰C导航系统发展探析

未付款买家论文曝光中国罗兰C导航系统发展探析摘要：介绍用北斗一卫星共视技术增强罗兰一C导航系统与国家授时中心协调世界时UTC(NTSC)的时间同步和授时服务能力这对罗兰一C与北斗一卫星两大自主导航系统相互增强进行组合定位、导航、授时。讨论并分析了在口前(iNSS广泛应用的背景下，罗兰系统所而对的挑战和机遇。对增强罗兰技术的国际现状作了一定的介绍和分析，并对我国罗兰C系统进行现代化改造的需求和可行性进行了简单分析。结论表明，罗兰C系统作为(iNSS的备份增强系统进行改造和建设是必要可行的。关键字：罗兰C，全球定位，北斗，组合导航，授时目录TOC\o"1-3"\h\u23021中国罗兰C导航系统发展探析 130172摘要： 188891.罗兰C的现状 29121.1引言 2118922.国际e罗兰对我国罗兰C发展的影响 2313592.1国际e罗兰的发展现状 2208422.2Loran现代化的背景 3307092.3欧洲Loran的技术改造 3115552.4美国Loran的现代化 3212753.我国罗兰C导航系统的发展探分析 443153.1我国Loran现代化改造的技术需求和可行性 420633.2授时技术改造 448063.3卫星陆基增强系统的技术改造 5237074.我国罗兰C与北斗共同作用 5205764.1罗兰C与北斗的定位 550514.2北斗导航系统与罗兰C的时间同步 6302974.3罗兰C与北斗卫星的共视 6282535结论 6299276参考文献 7273817致谢 71.罗兰C的现状1.1引言罗兰系统Loran(longrangenavigation}是美国防部在二次大战期间开始进行研发的远距离无线电导航定位系统，在其后的时间里进行了多次的修改，出现了多种版本，比如在20世纪50年代，美海军和美海岸警卫队研制的罗兰C(Loran-C)系统，Motorola公司设计的Loran。和Loran等。前苏联建设的恰卡(Chayka)提和罗兰C类似的定位系统，我国也在20世纪90年代建成了罗兰C系统。目前在世界上共有三大罗兰C系统管理组织，分别是远东罗兰(TheFERNStheFarastRadioNavigationSystar包括俄罗斯、中国、韩国和日本)、北美罗兰(NorthAmericaLoran由美国和加拿大组成环口西北欧罗兰(NEL)North一WestEuropeanLoranSystar由法国、荷兰、挪威、丹麦、德国及爱尔兰组成)。罗兰一C是由原子钟控制的、在100kHz载频上采用多脉冲、相位编码的地基无线电导航系统。中国已建成罗兰一C导航系统和BPL授时系统，分别发播罗兰一C信号和授时信号;罗兰一C信号覆盖中国中东部区域、授时信号则覆盖全国。GPS曾使美国原计划在2000年关闭罗兰一C导航系统。同样，以GPS为代表的GNSS卫星定位导航授时(PNT)系统的某些共性缺陷，又使增强罗兰一C，eLoran新生。美国国会成立由29个部门、研究所、产业机构组成的国际专家组，研究评估“何种技术和手段能是补充增强易受干扰的GPS系统PNT性能的最佳备份保障”方案，历时3年，并于2006年8月22日发表了“定位、导航与授时备保系统评估”白皮书，认为:(1府意或无意的干扰、太阳风袭扰和误操作等均可能造成GPS服务中断;(2月卜卫星的备份保障系统不可或缺;(3E罗兰一C可用以减轻GPS中断时对其业务的损害，让GPS用户获益。国际e罗兰对我国罗兰C发展的影响2.1国际e罗兰的发展现状20世纪80年代，随着全球导航卫星系统(GNSS)的广泛应用，GPS等系统的优越性逐渐展现，罗兰C的生存空间遭遇了严重的挑战，美国交通部甚至宣布到2000年停止对Loran-C的支持。2.2Loran现代化的背景随着对GPS信号的脆弱性认识加深，人们开始寻找作为GNSS备份的无线电导航系统。由于罗兰C和GPS在工作体制(陆基、星基)、工作频率眠频、特高频)以及信号强度强信号、弱信号得方面互补性很强，在遭受干扰或打击时一般不会同时受损，因此罗兰C系统理论上完全可以成为GNSS的增强和备份系统，增强罗兰(eLoran戚是在这样的背景下产生的。eLoran可以简单理解为是具有为全球导航卫星系统提供备份能力的现代化罗兰系统。美国政府组织交通部((DOT、国土安全部(DHS对罗兰系统的政策进行了评估和研究。评估和研究结果表明，罗兰C系统可能是GPS系统最为理想的备份系统。虽然传统罗兰C系统不能满足GPS备份的要求，但是经过现代化改造的eLoran系统在精度、可用性、完好性和连续性方面可以满足美国现有的非精密进近、港口进近、陆上车辆和导航定位服务的需要；作为精密时间和频率源可以大大降低单一依赖GPS的系统风险。2.3欧洲Loran的技术改造欧洲Loran技术改造的基本思想是:以罗兰C信号作为差分GPS改正值和完善性信息的载体，用脉冲时间移位调制脉位调制)的方法对正常罗兰C信号脉冲进行额外调制，构成称之为Eurofix的数据链路。欧洲在1989年由荷兰Delft科技大学的DvanWilligen提出了Eurofix的概念，即以罗兰C信号作为差分GPS改正值和完善性信息的载体，用脉冲时间移位调制脉位调制)的方法对正常罗兰C信号脉冲进行额外调制，构成称之为Eurofix的数据链路。2.4美国Loran的现代化北美地区是拥有罗兰C台链最多的地区。截至到2006年，Loran-C在北美约有29个发射台，提供美国本土48个州的陆地、沿海以及阿拉斯加部分地区的二维平面覆盖范围，为空中、海上和陆地用户提供定位、导航和时间(PNT)}}务。美国政府正致力于增强罗兰计划，按照北美增强罗兰系统的建设目标，增强罗兰系统至少包括以下几个部分。(1)每个发射台拥有至少三部Agilent5071A的艳钟，在北美大陆庆国和加拿大)29个发射台形成拥有最庞大的87部高精度艳钟的时间基准系统。(2)每个发射台装备固态发射机，并且装备新型的时间频率测量和控制设备TFE。这些设备通过接收GPS的信号数据对发射台的时钟系统进行同步，并使每个发射台相对UTC(USI)10晦军天文台的UTC时间娱差范围为15ns以内。(3)在罗兰脉冲组中引入新的第9脉冲，利用罗兰数据调制技术(Lorandatamodulation调制UTC时间以及差分罗兰信息在内的各种信息，发送给用户进行授时和定位应用。(4)在接收机技术方面，发展接收机内DSP处理技术、多台链接收机技术(ALL1I1VIEW)以及GPS/Loran集成接收模块技术。在接收机天线方线。(5)在ASF修正技术、罗兰差分技术、罗兰信号告警等方面进行研究应用。通过以上这些措施的实施，北美的增强罗兰得到了很好的发展，根据相关文献指出的一些评估试验表明，增强罗兰方式在信号精度、信号有效性、信号可靠性和工作连续性上都达到了在美国作为GPS备份系统的要求。目前美国的罗兰C系统可以同时罗兰C还可作为主要或备份的时间频率源用于精确授时，提供授时精度为100ns吓口UTC(USNO比较)、稳定度为10“数量级的时间频率基准。我国罗兰C导航系统的发展探分析3.1我国Loran现代化改造的技术需求和可行性罗兰C系统海上最大作用距离可以达到20001退C右，陆地上最大作用距离可达到800一12001m我国目前所拥有的罗兰C信号发射台基本可以覆盖我国大部分地区和周边海域。罗兰C信号稳定不易受到干扰，定位重复精度高，其分布广泛的导航台站是我国宝贵的导航系统和信号资源。另外，挖掘和发挥罗兰C系统的应用潜力也是提高装备效费比的必然要求，因此该系统有条件成为我国GNSS系统的备份和增强系统。如何挖掘和发挥罗兰C系统的应用潜力，对北斗系统进行增强和备份，在形成我国的完备的无线电导航保障体系中发挥作用将是一个重要课题。3.2授时技术改造随着科学技术和各种装备设备的迅猛发展，在各个领域对精密可靠的时间频率信息的需求极为迫切。目前世界上基本所有的Loran系统都把提供统一的时间频率信息作为系统的重要使命。基于军民领域对精密可靠的时间频率信息的迫切需求对现有的罗兰C系统进行改造，将原系统由单一的导航功能扩展为导航授时兼备功能，对于国家导航授时体系建设具有重要意义。目前我国罗兰C系统的岸台一般利用数台精度和频率稳定度很高的原子钟构成的组合时间系统，作为发射信号的时频基准，组合的数台原子钟互相进行比较和标校，最后输出一个稳定的时频信号源。因此系统内多个导航台就拥有多个原子钟组，原子钟的数量可以达到数十个，因此罗兰C系统内部完全可以依托这些原子钟形成自己的高精度、高稳定的系统基准时间，并以中科院国家授时中心时间频率基准实验室的主钟系统时间UTC(NTSC伪参考标准，将罗兰C系统时间和UTC(NTSC)时间律立同步美系。目前可选的绝对时间同步方法主要有:通过BPL授时进行时间同步、利用GNSS(北斗、GPS,GLONASS筹系统进行共视比对实现时间同步、搬钟法等三种方法。搬钟法是在短时间内在基准钟所在地和需要进行同步的所在地进行快速搬钟测量，且所有搬钟设备都在保持加电的情况下进行，代价比较大，一般在进行系统同步校准的场合使用。BPL和卫星共视法实现起来比较方便，都是可选方法。由于采取GPS,GLONASS以及北斗授时的方式非常方便而且精度越来越高，目前该种方法比对精度至少可以达到100ns以内，满足应用需求，所以利用卫星共视法实现绝对时间同步是非常有效和理想的方法。3.3卫星陆基增强系统的技术改造导航定位和授时信息(PNT)的可用性、完好性和能否提供差分信息是系统性能的重要指标，由于罗兰C系统和北斗系统在信号频率、信号强度和工作体制上互补，因此罗兰C系统可以建设改造成为较为理想的北斗系统的陆基增强系统(GBAS)。发挥罗兰C系统在全国广泛分布的发射台作为北斗系统的伪卫星作用，将可以有效提高局部地区的定位几何精度，提高北斗系统的可靠性和可用性;实现完好性和差分信息播发，对于航空和军事应用等需要可靠精确定位的领域具有重要意义。发挥罗兰C系统发射台的伪卫星作用的关键技术在于，解决发射台发播的罗兰C信号必须和北斗系统时间建立同步关系，这就要求发射台所遵循的罗兰C系统时间和北斗系统时间建立一致且保持同步，同时在发播的罗兰C信号中调制信号发射时刻(TOT寸间，且各发射台的精确位置又是已知的，这样对于北斗用户而言，只要加装罗兰C信号处理模块，每个发射台就相当于一个地面伪卫星，在导航信息解算处理中，北斗的伪距信息可以和罗C伪距信息进行联合解算处理，提高了定位的可靠性。我国罗兰C与北斗共同作用4.1罗兰C与北斗的定位2000年后美国国会已用数亿美元完成本土E罗兰现代化改造。实验证实，GPS中区舰船进港驳靠环口授时的“系统完整性、可靠性、可用性、连续性’，需求!。欧洲在启动伽利略卫星系统的同时，也完成西北欧罗兰一C(NELS广曾强更新。中国曾进行“变长河二号导航信号使之成为北斗卫星系统之地面怅波肋卫星”实验验证—中国式的E罗兰设计—天地系统组合解决“北斗用户自主三维PNT功能’,izi。在中国自主北斗卫星导航系统体文简称为北斗系统皮撑下，我国自主的大型地基远程无线电导航系统“长河二号导航系统”体文简称为长河系统久采用与国际罗兰一C接轨的E罗兰增强技术，业已基本完成长河二号授时系统建设。本文在相关前期研发工作的基础上，介绍用北斗iGPS卫星共视技术实现长河系统各导航台台链内主、副台之间湘对)时间同步并与中国UTC(NTSC—中国科学院国家授时中心保持的、为中国进行标准时间服务的协调世界时UTC物理实体—进行绝对时间同步;所有的时间频率用户都可以通过长河(}兰一C淀时接收终端泡括卫星一E罗兰组合定时终端胺收长河系统授时信号，获得北斗系统时间((BDT环口中国UTC时间域得到本地接收终端时钟与中国UTC的时间差蔫并通过它们，转换得到国际UTC和GPS,GLOI1ASS,伽利略等其它导航系统时间，为各种用户提供高精度时间或位置服务。4.2北斗导航系统与罗兰C的时间同步长河导航台使用北斗共视技术实现台对两两之间高精度相对时间同步，各导航台又同时与国家授时中心的UTC(NTSC魁行北斗卫星共视绝对时间同步，这就大大增强了长河系统高精度授时得航性能。在长河系统数据链技术、发射机技术、地波传播时延A}"修正技术、定时接收技术[4-A]等其它相关授时技术手段的协同支持下，该系统业已具有较为完善的授时手段。这将为信息化、现代化和国计民生产业—民航、电信、电力、交通、金融、计算机网络—建设，提供强有力的高精度时间同步技术平台[9]。同时，用户还可以组合使用长河导航电文中给出的长河导航授时信号相对于UTC(NTSC)的发播时差改正数和北斗卫星导航电文中给出的北斗导航授时信号相对于UTC(NTSC)的4.3罗兰C与北斗卫星的共视考虑使用GPS卫星共视留有潜在隐患;而采用北斗有源取向授时要长期连续占用北斗卫星宝贵的通信信道资源，在北斗业务繁忙信道紧缺时可能难以保证长河系统精确时间同步。因此，工程上比较合适的办法是采用北斗卫星共视时间同步技术，用通信手段及时交换共视比队测量资料，长河系统各导航台之间进行北斗共视比对，实现台链内部时间同步的同时，各导航台还与国科学院国家授时中心进行北斗共视比对，实现各导航台都与国家发播时差改正数，将天、地两大自主PNT系统组合成为性更强的PNT系统，在卫星PNT系统遇到自然或人为故障时，地面的eLORAIv系统可以凭其信号的大功率、低频率、强绕射力继续提供与卫星相当的PNT服务，天地两大系统互补增强。5结论北斗/罗兰C组合导航系统建设属于已有导航资源的重组、改造、挖潜和提高，而不是新建系统，因此经费投入少、工程周期短、见效快、效费比高。其次，组合系统以解决无源三维导航定位的应急需求为主要目标，不一味追求高指标，而是满足主要应用对象的作战要求为标准，符合我们的国情、军情和军事斗争准备的需要。第三，组合系统是建立在我军三种成熟资源的基础上，硬、软件虽有不少变化，但都有原系统作参考基准，风险较小。第四，通过系统建模、仿真和部分实验结果表明，组合系统能满足大