羅蘭C系統(tǒng)作為無人機(jī)海上導(dǎo)航備份的探討*

劉文超　王光輝　劉海洋

(1.海軍航空工程學(xué)院　煙臺(tái)　264001)(2.92026部隊(duì)　威海　264300)

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羅蘭C系統(tǒng)作為無人機(jī)海上導(dǎo)航備份的探討*

劉文超1,2王光輝劉海洋

(1.海軍航空工程學(xué)院煙臺(tái)264001)(2.92026部隊(duì)威海264300)

導(dǎo)航系統(tǒng)是無人機(jī)完成給定任務(wù)的必要條件之一。未來無人機(jī)對(duì)導(dǎo)航的可靠性和穩(wěn)定性等性能提出更高的要求。通過分析介紹無人機(jī)導(dǎo)航方式多樣性和羅蘭C系統(tǒng)特點(diǎn)及作用范圍，得出羅蘭C作為無人機(jī)海上導(dǎo)航備份的必要性和可行性。說明增加導(dǎo)航因子，不再依賴于某一項(xiàng)或者某幾項(xiàng)導(dǎo)航技術(shù),擁有多技術(shù)結(jié)合和完全自主能力的導(dǎo)航是未來發(fā)展方向。

無人機(jī); 羅蘭C; 導(dǎo)航備份; 海上環(huán)境

Class NumberV249.328

1　引言

隨著現(xiàn)代新設(shè)備、新技術(shù)的發(fā)展，特別是無人機(jī)具有體積小、重量輕、機(jī)動(dòng)靈活、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、沒有人員傷亡等優(yōu)點(diǎn)，無人機(jī)研究又重新提上日程，無人機(jī)的使用和發(fā)展也開始受到越來越多國(guó)家的重視。其中，美國(guó)、俄羅斯、以色列等國(guó)家走在無人機(jī)發(fā)展研究的前列，我國(guó)也在加緊這方面的研究[1]。

導(dǎo)航系統(tǒng)是無人機(jī)的“眼睛”，相當(dāng)于有人機(jī)系統(tǒng)中的領(lǐng)航員。無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的主要任務(wù)是確定無人機(jī)實(shí)時(shí)速度、位置、飛行姿態(tài)等相關(guān)信息，引導(dǎo)無人機(jī)按照規(guī)劃航線飛行并完成任務(wù)，隨著無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用的不斷深入，對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的要求將會(huì)越來越高[2]。高精度、高可靠性和

高抗干擾能力將是主要方向[3]。本文通過介紹分析無人機(jī)導(dǎo)航方式，在我國(guó)擁有完全自主能力下，提出羅蘭C系統(tǒng)作為我國(guó)無人機(jī)海上導(dǎo)航備份的必要性和可行性。

2　無人機(jī)導(dǎo)航方式

2.1衛(wèi)星導(dǎo)航

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空中衛(wèi)星、地面站臺(tái)以及用戶接受設(shè)備組成。能夠全天候、全時(shí)間為全球用戶提供時(shí)間、速度、位置等信息，且定位精度不會(huì)隨時(shí)間的變化而變化。但是環(huán)境適應(yīng)性較差，信號(hào)容易被干擾?，F(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)就是美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(GPS)，戰(zhàn)時(shí)很可能對(duì)美國(guó)以外的其他國(guó)家進(jìn)行關(guān)閉?！氨倍贰毕到y(tǒng)是我國(guó)自主開發(fā)研制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，主要用于定位、簡(jiǎn)短通信和精密授時(shí)三大功能，工作頻段在L波段，其差分定位精度為20m，水平定位精度為100m，定位響應(yīng)時(shí)間最短可小于1s，一次定位成功率達(dá)到95%，能夠在GPS系統(tǒng)之外為軍民導(dǎo)航提供另一個(gè)選擇。

2.2慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)屬于一種推算導(dǎo)航方式，即從已知點(diǎn)的位置根據(jù)連續(xù)測(cè)得的運(yùn)載體航向角和速度推算出其下一點(diǎn)的位置。它是一種不向外輻射能量，也不依賴于外部信息的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，具有隱蔽性好，不受外界干擾，全天候工作等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。能夠?qū)崟r(shí)給出速度、航向、位置等信息，但是不能提供時(shí)間信息，并且由于元器件本身的誤差問題，定位精度會(huì)隨著使用時(shí)間增長(zhǎng)而增大，每次使用之前都需要長(zhǎng)時(shí)間的初始對(duì)準(zhǔn)。

2.3多普勒導(dǎo)航

多普勒導(dǎo)航是利用多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)無線電導(dǎo)航，由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、機(jī)械儀表、多普勒雷達(dá)三部分組成。設(shè)置好初始數(shù)據(jù)后由計(jì)算機(jī)推算定位。系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)快，抗干擾性強(qiáng)，無需地面設(shè)備，適用于各種地形和氣象條件，缺點(diǎn)是工作時(shí)必須發(fā)射電波，隱蔽性不好；性能與飛機(jī)姿態(tài)和反射面的形狀有關(guān)；系統(tǒng)會(huì)隨著飛行距離的增加而有誤差積累。

2.4無線電導(dǎo)航

無線電導(dǎo)航是把定位信號(hào)調(diào)制在發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的無線電波上，通過天線輻射到空中，由飛行器上的接收機(jī)接收并解算出時(shí)間、位置等信息。對(duì)于中短程飛行器而言，無線電導(dǎo)航是一種非常成熟的技術(shù)，尤其是應(yīng)用于山區(qū)戰(zhàn)場(chǎng)偵察、地面攻擊，或者是短程的海防、海岸偵察，可靠性高、不受時(shí)間限制。缺點(diǎn)是對(duì)外有輻射源，需要大功率的發(fā)射設(shè)備。

2.5地磁導(dǎo)航

地磁導(dǎo)航是通過地磁傳感器測(cè)得的實(shí)時(shí)地磁數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的地磁基準(zhǔn)圖進(jìn)行匹配來定位。具有無輻射、隱蔽性強(qiáng)、能耗低、不受干擾、全天候、全地域使用的特征，并且不存在積累誤差；缺點(diǎn)是需要存儲(chǔ)大量的地磁數(shù)據(jù)，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，導(dǎo)航精度容易受機(jī)載其他電磁設(shè)備的干擾。另外，受地形影響原因，適合起伏變化大的地形，且該導(dǎo)航方式要求提前規(guī)劃航路嚴(yán)格按制定路線飛行，大大降低了飛行器的機(jī)動(dòng)性。在國(guó)內(nèi)外是一種新興的技術(shù)，目前沒有在無人機(jī)上應(yīng)用。

2.6天文導(dǎo)航

天文導(dǎo)航是通過對(duì)天體位置測(cè)量來得出飛行器航向和位置的導(dǎo)航技術(shù)。根據(jù)天體的坐標(biāo)位置和運(yùn)動(dòng)規(guī)律計(jì)算出用戶的實(shí)際航向和位置。天文導(dǎo)航也不需要其他地面設(shè)備，是自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。不受電磁波的影響，不向外輻射能量，隱蔽性好，定向、定位的精度比較高，定位誤差與時(shí)間無關(guān)，適合高空長(zhǎng)航時(shí)飛行導(dǎo)航。缺點(diǎn)是低空飛行時(shí)容易被能見度限制，受氣象條件影響大，并且設(shè)備體積較大不適合小型無人機(jī)。

2.7地形匹配導(dǎo)航

地形匹配導(dǎo)航是事先通過攝影、大地測(cè)量和已有地形圖等方法將地形數(shù)據(jù)制成數(shù)字化地圖存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，當(dāng)無人機(jī)飛越相關(guān)區(qū)域時(shí)，機(jī)上的探測(cè)設(shè)備對(duì)該區(qū)域進(jìn)行測(cè)量并與計(jì)算機(jī)中的數(shù)字化地形數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的導(dǎo)航。特點(diǎn)是技術(shù)困難，對(duì)測(cè)量器材和計(jì)算機(jī)處理性能需求較高，要求地形有鮮明的特征，必須和其他導(dǎo)航方式組合使用[4～5]。

以上導(dǎo)航方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，尤其在復(fù)雜的海上環(huán)境和特殊政治條件下，我無人機(jī)可以選擇的導(dǎo)航方式更是屈指可數(shù)，而未來無人機(jī)對(duì)導(dǎo)航的穩(wěn)定性和可靠性等性能提出更高的要求，要增加導(dǎo)航方式的多樣性，技術(shù)的自主性，不再依賴于某一項(xiàng)或者某幾項(xiàng)導(dǎo)航技術(shù)。因此，擁有完全的自主能力和多種導(dǎo)航技術(shù)方式相結(jié)合是未來發(fā)展方向。

3　羅蘭C系統(tǒng)簡(jiǎn)介

3.1羅蘭C由來

羅蘭C系統(tǒng)(long range navigation,Loran)是一種中遠(yuǎn)程精密無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，它屬于陸基、低頻、脈沖相位導(dǎo)航體制。羅蘭C系統(tǒng)是由美國(guó)在二戰(zhàn)期間最先開發(fā)建設(shè)的，1957年由美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)建成了世界上第一個(gè)羅蘭C臺(tái)鏈。我國(guó)在20世紀(jì)60年代開始研究羅蘭C技術(shù)，并于70年代決定建立我國(guó)的羅蘭C系統(tǒng)，即長(zhǎng)河二號(hào)系統(tǒng)。目前長(zhǎng)河二號(hào)系統(tǒng)已經(jīng)成為我國(guó)完全自主的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)[6]。

3.2系統(tǒng)原理

導(dǎo)航中，把具有固定導(dǎo)航參數(shù)的點(diǎn)的軌跡線稱為位置線。羅蘭C系統(tǒng)的導(dǎo)航參數(shù)是用戶相對(duì)于兩導(dǎo)航臺(tái)的距離差。位置線是以該兩個(gè)地面導(dǎo)航臺(tái)為焦點(diǎn)的雙曲線族。一個(gè)距離差參數(shù)對(duì)應(yīng)一條雙曲線位置線。雙曲線位置線的取得是在接收點(diǎn)測(cè)量來自兩個(gè)地面臺(tái)信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差，根據(jù)電波傳播速度的恒值性，把時(shí)間差轉(zhuǎn)換為距離差。一個(gè)距離差對(duì)應(yīng)于一條雙曲線位置線，多條位置線的交點(diǎn)即為定位點(diǎn)[7](圖1中P即為定位點(diǎn))。

圖1　雙曲線導(dǎo)航定位原理圖

3.3系統(tǒng)組成及覆蓋范圍

我國(guó)羅蘭C(長(zhǎng)河二號(hào))系統(tǒng)共有六個(gè)地面發(fā)射臺(tái)，三個(gè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站和三個(gè)臺(tái)鏈控制中心。六個(gè)地面發(fā)射臺(tái)相互鏈接，構(gòu)成三個(gè)臺(tái)鏈。該系統(tǒng)的臺(tái)鏈配置和系統(tǒng)參數(shù)見表1[8]。

表1　XX臺(tái)鏈配置

羅蘭C系統(tǒng)海上最大作用距離可以達(dá)到2000km，陸地上最大作用距離可達(dá)800km～1200km。我國(guó)目前所擁有的羅蘭C信號(hào)發(fā)射臺(tái)可以覆蓋我國(guó)南海海區(qū)，南沙群島，印支半島，菲律賓中北部地區(qū)，朝鮮半島、小笠原群島、日本列島及日本海海區(qū)(羅蘭C系統(tǒng)覆蓋區(qū)為指定精度優(yōu)于460m的區(qū)域)?；究蓾M足我國(guó)海軍和其他有關(guān)部門對(duì)海上導(dǎo)航的要求?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)我國(guó)領(lǐng)海和中、遠(yuǎn)海海區(qū)的導(dǎo)航控制，具有顯著的軍事和經(jīng)濟(jì)效益[9]。

我國(guó)長(zhǎng)河二號(hào)系統(tǒng)臺(tái)每一個(gè)臺(tái)鏈包含一個(gè)主臺(tái)、兩個(gè)副臺(tái)、一個(gè)監(jiān)測(cè)站和一個(gè)控制中心[8]。為了便于管理，將臺(tái)鏈控制中心與主臺(tái)設(shè)在一起構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)發(fā)射無線導(dǎo)航信號(hào)，用于導(dǎo)航定位。臺(tái)、站和控制中心之間用無線或有線方式進(jìn)行通信。

4　羅蘭C系統(tǒng)作為無人機(jī)海上導(dǎo)航

備份的探討

4.1無人機(jī)導(dǎo)航擁有備份系統(tǒng)的必要性

目前無人機(jī)在飛行過程中主要依靠GPS和慣性導(dǎo)航作為基本導(dǎo)航方式。GPS的主要缺點(diǎn)是該技術(shù)由美國(guó)控制，它不允許未經(jīng)批準(zhǔn)的用戶將其用于軍事目的；而且美國(guó)一再?gòu)?qiáng)調(diào)，它將保留在任何時(shí)候不加警告的對(duì)GPS進(jìn)行加密的權(quán)利，因而GPS可以利用但不能對(duì)其依賴，GPS只能算是一種半自主導(dǎo)航定位技術(shù)[10]。且GPS和我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航，其最大的缺點(diǎn)就是信號(hào)容易受到干擾，尤其是在復(fù)雜電磁環(huán)境的海上條件下。

GPS在空間、控制、用戶區(qū)段都可能遭受敵方干擾，尤其在用戶區(qū)段抗干擾能力弱幾乎成了致命傷，該弱點(diǎn)是GPS和其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所共有的。GPS衛(wèi)星只有幾十瓦的發(fā)射功率，從太空到達(dá)地面的用戶接收端要20220km的傳播距離，根據(jù)電磁波傳播理論知道，除了有能量擴(kuò)散衰減外，還有傳輸介質(zhì)吸收損耗，真正到達(dá)用戶接收機(jī)的信號(hào)微乎其微，實(shí)驗(yàn)也證明:民用L1 C/A碼信號(hào)的最低功率電平只有-160dBW，即使通過信號(hào)擴(kuò)頻的技術(shù)途徑提高抗干擾能力，也只需要-125dBW的干擾強(qiáng)度就可以將GPS信號(hào)干擾掉。而干擾信號(hào)距接收機(jī)可能近得多，功率也大很多。

可以想象，在復(fù)雜海上電磁環(huán)境下，衛(wèi)星導(dǎo)航會(huì)顯得極為脆弱，并且一但GPS受到干擾，重新搜索衛(wèi)星還將需一定的時(shí)間，不利于要求實(shí)時(shí)定位的無人機(jī)飛行。因此，絕對(duì)不能將GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為唯一的導(dǎo)航、定位、授時(shí)手段，一定要擁有能夠?qū)崿F(xiàn)主要功能替代的、可靠的其它模式的導(dǎo)航備份系統(tǒng)[11]。

慣性導(dǎo)航的缺點(diǎn)一是在長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)航程使用中會(huì)有較大的誤差積累，每次使用之前還需要長(zhǎng)時(shí)間的初始對(duì)準(zhǔn);二其最主要的缺點(diǎn)是不能提供精準(zhǔn)的時(shí)間信息。

4.2羅蘭C作為無人機(jī)導(dǎo)航備份可行性

1) 從物理因素方面看，衛(wèi)星/羅蘭C組合導(dǎo)航系統(tǒng)，有三高三低優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的長(zhǎng)處。這就是衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號(hào)與羅蘭C信號(hào)有高頻與低頻優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、低信號(hào)電平與高信號(hào)電平優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、天基與地基優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。因此，兩種系統(tǒng)由于相同的原因并且同時(shí)失效的可能性不大[12]。

2) 羅蘭C系統(tǒng)是24小時(shí)不間斷全向發(fā)射信號(hào)，每個(gè)羅蘭C發(fā)射臺(tái)的設(shè)備可確保單臺(tái)信號(hào)可利用率在0.999之上。實(shí)際信號(hào)年時(shí)間可利用率在0.99左右。羅蘭C信號(hào)發(fā)射具有很強(qiáng)的連續(xù)性，相比較衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，不用搜星，在信號(hào)覆蓋區(qū)域開機(jī)即可很快搜到信號(hào)，符合無人機(jī)實(shí)時(shí)快速定位的要求。

3) 羅蘭C系統(tǒng)臺(tái)站覆蓋范圍大，系統(tǒng)所采用的無線電信號(hào)主要是頻段在90kHz～110kHz的地波信號(hào)，特點(diǎn)是穩(wěn)定，不受太陽(yáng)輻射和氣候、時(shí)間等因素的影響。采用的固態(tài)大功率發(fā)射機(jī)，峰值發(fā)射功率可以達(dá)到2MW[8]，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，且羅蘭C信號(hào)采用的編碼格式和信號(hào)波段降低了其受干擾的可能性。此外，要想對(duì)羅蘭C信號(hào)進(jìn)行壓制式干擾，對(duì)立方必須也建立相應(yīng)的發(fā)射臺(tái)，采用高功率、長(zhǎng)天線實(shí)施干擾，戰(zhàn)時(shí)完成這些任務(wù)難度相當(dāng)高，不易實(shí)現(xiàn)。

4) 中國(guó)的羅蘭C系統(tǒng)定位重復(fù)精度高，重復(fù)定位精度與相對(duì)定位精度可以達(dá)到18m～90m。其分布廣泛的導(dǎo)航臺(tái)站是我國(guó)寶貴的導(dǎo)航系統(tǒng)和信號(hào)資源。而且，發(fā)揮和挖掘羅蘭C系統(tǒng)的應(yīng)用潛力也是提高裝備效費(fèi)比的必然要求。

5) 羅蘭C作為一個(gè)獨(dú)立的陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，不依賴于其它系統(tǒng)，且新增加了授時(shí)功能。在我國(guó)PNT(導(dǎo)航、定位、授時(shí))體系建設(shè)中具有不可替代的作用，可與星基授時(shí)系統(tǒng)共同構(gòu)成較為完整的時(shí)空保障體系[13]。

5　結(jié)語

無人機(jī)對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)在高精度、高可靠性和高抗干擾能力方面的要求越來越高，迄今為止還沒有一種單一的導(dǎo)航方式可以滿足這種要求，因此，增加導(dǎo)航方式的多樣性和自主性，將是我們現(xiàn)在和今后無人機(jī)研究的主要方向。本文通過分析介紹各種導(dǎo)航方式的優(yōu)缺點(diǎn)，討論得出羅蘭C系統(tǒng)有條件成為我國(guó)無人機(jī)海上導(dǎo)航的備份和增強(qiáng)系統(tǒng)。這對(duì)無人機(jī)性能的提高乃至部隊(duì)整體戰(zhàn)斗力的提高都有著非常重要的意義。

[1] 林一平.我國(guó)高校無人機(jī)研發(fā)成果豐碩[J].交通與運(yùn)輸,2009(2):31-32.

[2] REG A.Unmanned Aircraft Systems：UAVS Design, Development and Deployment[M].2010：10-50.

[3] Ahlstrom K, T orin J. Future architecture of flight control systems[J].IEEE T rans on Aerospace and ElectronicSystems,2002,17(12):21-27.

[4] 顧云濤.無人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)研究[J].現(xiàn)代導(dǎo)航,2013(3):198-200.

[5] 周建民,康永,劉蔚.無人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2015(3):275-276.

[6] 李彬玉,王豐樂.長(zhǎng)河二號(hào)系統(tǒng)在我國(guó)南海的定位誤差分析[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào),2003,16(4)：53-54.

[7] 錢麗麗.羅蘭C導(dǎo)航中定位解算技術(shù)的研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2006:19.

[8] 曹永銀,胡東亮,劉海泉.羅蘭-C固態(tài)發(fā)射機(jī)[M].武漢:海軍工程大學(xué)出版社,2004.

[9] 杜鴻.長(zhǎng)河二號(hào)導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)介與發(fā)展趨勢(shì)[J].科技資訊,2010,22(6):6-7.

[10] 鄭成軍.無人機(jī)的GPS自主導(dǎo)航系統(tǒng)[J].無人機(jī),2007(3):40-41.

[11] 張戎,路明,龔濤.復(fù)雜電磁環(huán)境下羅蘭C系統(tǒng)作為GPS備份的探討[J].全球定位系統(tǒng),2010(4):45-46.

[12] 黃輝,吉春生.雙星/羅蘭C組合導(dǎo)航方式研究[J].全球定位系統(tǒng),2005(1):27-28.

[13] 汪捷,李川章,梁爾冰,等.增強(qiáng)羅蘭技術(shù)分析及評(píng)估[J].艦船電子工程,2009,29(8):37-40.

Discussion on UAV Seaborne Navigation Backups of Loran-C System

LIU Wenchao1,2WANG GuanghuiLIU Haiyang

(1. Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai264001)(2. No. 92026 Troops of PLA, Weihai264300)

Navigation System is necessary for UAVs. In the future, a growing number demands for stability of UAVs will appear. After analyzing the diversity of UAV navigation method and the impact range of Loran-C System, it comes to conclusion that it is necessary and available to use UAV seaborne navigation backups with Loran-C System. Which needs navigation factors instead of some or more navigation techniques. Full autonomy ability and navigation which combines multiple techniques has become the trend.

UAV, Loran-C, navigation, backup, seaborne

2016年4月1日,

2016年5月26日

劉文超,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向：無線電導(dǎo)航。

V249.328

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.011