陆基超远程无线电导航发展研究

2018-10-15胡安平

导航定位与授时 2018年5期

胡安平

(中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068)

0 引言

定位导航授时(Positioning, Navigation, and Timing，PNT)系统是现代信息化社会和军事活动必不可少的基础设施[1]。当前的PNT极大地依赖于卫星导航定位系统的大区域覆盖、高性能、高可靠、高可用等能力。但是，受空间条件、卫星导航信号固有脆弱性等因素的影响，卫星导航定位系统在受到环境遮蔽或电磁干扰条件下，可用性、服务能力存在较大的不确定性。为此，需探索研究各种不依赖卫星导航定位系统的PNT技术，发展在成本、覆盖、精度、抗干扰、生存能力等方面具有综合优势的新型PNT技术，在卫星导航系统遭到拒止的情况下，形成对卫星导航定位系统的增强、补充和备份，在体系上保障用户对PNT信息可靠性、安全性以及连续性等方面的需求[2-3]。

基于甚低频的陆基无线电导航系统，在系统覆盖、抗干扰以及具有入水和入地能力方面具有很多优势，通过技术手段提升系统服务性能，有望成为卫星导航系统的补充和备份系统[4]。

1 国外发展情况

1.1 早期陆基远程导航系统

20世纪40年代以来，国际上陆续发展了多种地基无线电导航体制和系统，形成了较为完整的地基导航体系。其中，欧米伽、阿尔法是典型的能够提供全球覆盖的超远程地基无线电导航系统，罗兰C、恰卡是典型的提供区域覆盖的远程地基无线电导航系统。受技术水平和国际环境的制约，当时的远程概念主要是限于2000km以内的区域[4]。

欧米伽、阿尔法是典型的采用甚低频(Very Low Frequency，VLF)频段，提供广域乃至全球覆盖的陆基超远程导航系统。

(1)欧米伽导航系统

欧米伽导航系统是美国在20世纪60～70年代研制的远程陆基无线电导航系统。8个台站分别位于美国北达科他和夏威夷、挪威、利比亚、法国(法属留尼旺群岛)、阿根廷、澳大利亚和日本(见图1)。系统采用连续波大功率信号(发射天线的辐射功率为10kw)，每个台站都发射10.2kHz、11.33kHz、13.6kHz和11.05kHz的信号，信号通过由电离层与地球之间形成的波导传播覆盖全球，从1982年开始提供全球服务[1]。

欧米伽导航采用比相测量时间差的双曲线定位体制，为用户提供无源二维定位(地球表面的平面定位)服务，设计精度为2～4n mile，定位误差与用户地点、观测时刻、所选台站、传播修正等有很大关系，地点相同而时间不同的复现精度为2～4n mile，时间相同而地点不同的相对精度为0.25～0.5n mile，利用差分技术可以把定位精度提高到1n mile(500n mile范围内)。

欧米伽的可用性为99%以上，可靠性为97%，信息更新率为10s,是20世纪70～90年代唯一具有全球覆盖能力并可作为单一导航手段的系统，是越洋航空和航海的重要导航系统。同时，由于其信号能渗入水下10m左右，也是当时美国潜艇的水下导航系统。

欧米伽导航系统虽然具有用途广、覆盖面大和机载设备相对便宜等优点，但是定位精度低。随着全球定位系统(Global Positioning System，GPS)的广泛应用，加快了导航系统更新换代的进程，1997年美国关闭了欧米伽导航系统。

(2)阿尔法导航系统

阿尔法导航系统是苏联开始建设的类似于欧米伽的超远程导航系统，于1970年投入使用，是目前国际上唯一仍在正常运行的VLF陆基超远程导航系统(见图2)。阿尔法导航系统计划共有5个台站，发射台的辐射功率为50～80kW, 工作频率为11.904761kHz(F1)、12.648809kHz(F2)、14.880952kHz (F3)、14.881091kHz (F3p)、12.090773kHz (F4)、12.044270kHz (F5)、12.500kHz(F6)、13.281kHz(F7)和15.625kHz(F8)。工作区覆盖全球70%的面积,几何盲区为东处中太平洋夏威夷与关岛之间一线和西处非洲大陆南大西洋一线[5]。

阿尔法导航系统可以采用测距差、测距与准测距三种方式进行导航定位,通常定位精度在2～4n mile，为解决电波预测修正问题,俄罗斯在系统工作区内先后建起了31个阿尔法信号传播监测站。差分阿尔法的精度比普通的欧米伽的定位精度提高了3～5倍，白天的定位精度可达200～1000m。

1.2 新型超远程无线电导航系统

20世纪末，随着GPS的建成和广泛应用，美国政府认为不再需要远程无线电导航服务，在争议之中关闭了欧米伽系统。近年来，随着电磁环境的日益复杂和对GPS脆弱性的深入认识，美国出于远程作战的考虑，重新开展了针对下一代的超远程VLF无线电导航系统的研究[6]。

2014年，美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)启动了竞争环境中的空间、时间和方向信息(STOIC)项目，旨在研发不依赖GPS但具有与GPS同级别精度的PNT系统，STOIC将在GPS性能退化或无法使用时提供抗干扰的PNT能力[7]。

为了实现上述目标，DARPA征询了以下4个相关技术领域的创新型建议。

1)技术领域1：健壮的基准信号

2)技术领域2：极稳定的战术时钟

3)技术领域3：多功能系统PNT

4)技术领域4：辅助技术

每个技术领域的研发和评估都要求在36个月内分3个阶段进行，每个阶段12个月，如图3所示。在完成第三阶段后，DARPA将根据第三阶段的性能去投标后续集成系统展示，所有已开发的STOIC组件和系统将被整合在一起，并在多个环境和多个平台中进行测试。

在基准信号技术领域，意在寻求不依赖GPS，且适用场景广泛、抗干扰性强的PNT系统，形成一个适用于对抗环境、相对于地固坐标系的PNT系统。当GPS功能衰退或不可用时，为离台站更远作战区域(10000km)提供可靠、高精度的PNT服务。在竞争环境及其附近无需部署基础设施，也无需进行维护，定位精度优于10m，时间精度优于30ns。该项目在第一阶段重点关注了基于建模、仿真、数据收集的系统设计和分析，并提出了甚低频定位系统(VLF Position System，VPS)架构，目前已完成第一阶段研究，进入第二、三阶段研究[8]。

VPS架构由三部分组成，分别为信号传输部分、控制部分、用户部分(见图4)。数据处理中心将监测站测量到的环境信息实时传输给STOIC甚低频台站，由台站将携带导航信息的基准信号发送给用户端，由用户端完成基于相位测量的定位解算。

2016年2月，STOIC项目提出了借用现有的海军甚低频通信系统支撑后续的第二、三阶段研究工作，研究时间预计各12个月，研究重点主要是信号体制、信号传播、接收处理以及系统在机载和海上平台的应用[9-10]。

重点研究内容主要包括：信号体制、信号传播以及接收处理方面。

在信号体制方面，DARPA重点关注基于VLF发射机和接收机的方案。这是因为VLF 信号在地表-电离层波导中的传播损失非常低，用户能够接收到来自远程发射机的高信噪比信号，为系统提供必要的精度。现有的VLF发射台都是以大电场天线为基础，而DARPA希望发展新型的发射技术，将VLF信号进行远距离传播并具有较高带宽，可以将电波修正信息发送至用户端,与此同时，也对可快速部署的移动发射机感兴趣。

信号传播方面，DARPA将重点关注VLF传播特性的研究，拟采用数值计算方法建立更逼近真实特性的电波传播模型，并通过建立全球电离层监测网，实时获取环境参数，并结合修正模型预测以得到更精确的电波修正信息。

接收处理方面，DARPA重点关注提高接收机相位测量精度、抗干扰能力以及减小接收机体积等方面的解决途径，拟采用全向磁天线设计改善以上问题。

同时，对信号带宽、积分时间、信噪比(Signal-Noise Ratio，SNR)等信号体制内容进行设计、分析和验证，并采取创新的手段对偏差进行补偿以达到目标精度。

2 国内研究情况

我国在地基无线导航方面经历了长期的发展过程，一直以来，地基导航系统在我国PNT服务方面发挥着重要的作用。早在20世纪60年代初，我国就十分重视研究并建设我国自主的无线电导航系统，在国际上提出新的地基导航系统时，我国也同步开展了技术研究。我国先后发展了中程无线电导航系统、远程无线电导航系统，并开展了超远程无线电导航系统研究[1，11]。

我国中程无线电导航系统技术体制与美国的罗兰-A相同。系统由海军和交通部共同投资建设，1965年开始实施。一期工程3个导航台(山东荣成、江苏射阳、浙江嵊泗)于1966年建成并投入使用；二期工程7个导航台于1970～1974年建成并投入使用。10个导航台分别位于辽宁庄河、天津上古林、山东荣成、江苏射阳、浙江嵊泗、浙江温岭、福建平潭、广东惠来、广东珠海与海南万宁，构成9条基线，全系统海上覆盖范围白天700n mile，夜间500n mile。系统开始由海军实施管理，1983年移交交通部管理，于1997 年关闭。

我国长波远程无线电导航系统由6个导航台、3个监测站和1个监控管理中心构成，形成南海、东海和北海3个台链。1994年国务院批复交通部、海军，同意该系统对国外用户开放。长波远程无线电导航系统的技术体制与罗兰-C相同。发射台辐射功率1.2MW，海上地波作用距离900～1300n mile，典型定位精度460m[11]。

我国在20世纪70年代初，开展了超长波无线电导航系统的分析和论证，超远程无线电导航系统的技术体制与欧米伽、阿尔法系统相同，可实现长波水下导航，后因转向以经济建设为中心以及全球覆盖布站条件不足等因素而停止了发展[12]。

近年来，国内开展了卫星导航拒止环境下的导航技术研究，开展了基于VLF的导航技术研究。VLF信号具有传播衰减小、穿透能力强的特点，能够在地面和电离层之间波导传播。因此，采用VLF信号可以进行超远程导航，在全球只需部署少量发射台，即可实现全球覆盖。新型VLF导航技术研究的关键在于提升PNT的精度以及可靠性，以便达到卫星导航备份的要求。

3 陆基远程无线电系统架构及关键技术

陆基远程导航系统通过建立地面发射台，播发大功率VLF信号，为各类用户提供广域覆盖的定位、导航、时频传递播发服务，可以作为卫星导航系统的备份和补充系统。在卫星导航不可用时(系统失效、系统被赛博攻击、用户区域信号被干扰或阻塞)，陆基超远程导航替代卫星导航工作，保障PNT连续服务。在卫星导航信号不可达区域(如茂密森林、水下、地下)，陆基远程导航作为卫星导航的补充，提供PNT信息服务。

陆基超远程导航系统，在大体上可以分为发播台、监控站、系统控制网络以及用户端。根据高精度定位和授时需要，还可以建立全球甚低频/极低频电波传播实时监测及修正播发网络，为用户提供实时的电波传播修正数据。陆基超远程导航系统体系架构如图5所示。

(1)导航信号发射台

发射台涉及时空基准、电文生成、信号播发、同步监测等要素，由天线、大功率发射机、同步监测和测量、信号发播同步控制、差分数据播发、网络通信节点等功能单元组成。通过通信网接收来自控制中心的差分数据和同步控制参数，实现台站信号发播同步控制和大功率导航信号及差分数据播发。

(2)监控站

监测站涉及传播误差监测、完好性监测、服务性能监测等要素，由多通道多功能监测和网络通信节点等功能单元组成，完成高精度相位/伪距/时差测量和信号监测，并通过通信网将测量数据发给控制中心。

(3)增强服务系统

增强服务系统涉及差分修正以及多个传播误差修正监测站构成的网络化误差修正等要素，由多个差分站、多个监测站以及网络化误差修正处理中心等功能单元组成。完成局域/广域的不依赖于发射台站的特定用户实时或近实时差分修正增强服务。

(4)系统运行控制中心及通信网络

控制中心涉及时空基准溯源、系统控制、信息网络管理、数据存储和管理等要素。由数据处理、数据中心和网络通信等功能单元组成。通过通信网接收来自发播台和监测站的数据，分析主要误差源和变化，完成覆盖区差分数据估计。同时，接收发播台的绝对时间同步数据，通过分析数据的变化确定发播台同步控制参数，并通过通信网将差分数据和同步控制数据发给发播台。

(5)用户终端

用户终端涉及高性能接收天线、接收机通道信号测量、数据解调以及导航定位解算等要素，接收发射台导航信号以及增强差分信息，完成用户定位和授时。

陆基超远程导航系统的关键技术：

(1)信号体制设计技术

在信号体制设计时，要考虑在带宽受限、传播特性、远近效应等约束条件下，开展台站同步、多台站组网、高精度导航测距信号设计、导航与数据通道波形融合等技术途径和方法。

(2)传播误差修正技术

针对VLF导航信号波导传播受电离层、气象条件等因素影响大的特点，开展导航信号传播时延模型及精化技术、信号监测网络设计、实时和非实时差分技术、网格化传播修正服务等技术途径和方法[12]。

(3)高性能用户接收技术

在陆基超远程导航系统信号天波、大气、工业等干扰环境和作用距离远、精度高、抗干扰能力强等服务要求下，开展现代信号处理、全视野接收处理、实时误差修正和建模、高动态应用等技术途径和方法。