陸基超遠程無線電導航發(fā)展研究

胡安平

(中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068)

0 引言

定位導航授時(Positioning, Navigation, and Timing，PNT)系統是現代信息化社會和軍事活動必不可少的基礎設施[1]。當前的PNT極大地依賴于衛(wèi)星導航定位系統的大區(qū)域覆蓋、高性能、高可靠、高可用等能力。但是，受空間條件、衛(wèi)星導航信號固有脆弱性等因素的影響，衛(wèi)星導航定位系統在受到環(huán)境遮蔽或電磁干擾條件下，可用性、服務能力存在較大的不確定性。為此，需探索研究各種不依賴衛(wèi)星導航定位系統的PNT技術，發(fā)展在成本、覆蓋、精度、抗干擾、生存能力等方面具有綜合優(yōu)勢的新型PNT技術，在衛(wèi)星導航系統遭到拒止的情況下，形成對衛(wèi)星導航定位系統的增強、補充和備份，在體系上保障用戶對PNT信息可靠性、安全性以及連續(xù)性等方面的需求[2-3]。

基于甚低頻的陸基無線電導航系統，在系統覆蓋、抗干擾以及具有入水和入地能力方面具有很多優(yōu)勢，通過技術手段提升系統服務性能，有望成為衛(wèi)星導航系統的補充和備份系統[4]。

1 國外發(fā)展情況

1.1 早期陸基遠程導航系統

20世紀40年代以來，國際上陸續(xù)發(fā)展了多種地基無線電導航體制和系統，形成了較為完整的地基導航體系。其中，歐米伽、阿爾法是典型的能夠提供全球覆蓋的超遠程地基無線電導航系統，羅蘭C、恰卡是典型的提供區(qū)域覆蓋的遠程地基無線電導航系統。受技術水平和國際環(huán)境的制約，當時的遠程概念主要是限于2000km以內的區(qū)域[4]。

歐米伽、阿爾法是典型的采用甚低頻(Very Low Frequency，VLF)頻段，提供廣域乃至全球覆蓋的陸基超遠程導航系統。

(1)歐米伽導航系統

歐米伽導航系統是美國在20世紀60～70年代研制的遠程陸基無線電導航系統。8個臺站分別位于美國北達科他和夏威夷、挪威、利比亞、法國(法屬留尼旺群島)、阿根廷、澳大利亞和日本(見圖1)。系統采用連續(xù)波大功率信號(發(fā)射天線的輻射功率為10kw)，每個臺站都發(fā)射10.2kHz、11.33kHz、13.6kHz和11.05kHz的信號，信號通過由電離層與地球之間形成的波導傳播覆蓋全球，從1982年開始提供全球服務[1]。

歐米伽導航采用比相測量時間差的雙曲線定位體制，為用戶提供無源二維定位(地球表面的平面定位)服務，設計精度為2～4n mile，定位誤差與用戶地點、觀測時刻、所選臺站、傳播修正等有很大關系，地點相同而時間不同的復現精度為2～4n mile，時間相同而地點不同的相對精度為0.25～0.5n mile，利用差分技術可以把定位精度提高到1n mile(500n mile范圍內)。

歐米伽的可用性為99%以上，可靠性為97%，信息更新率為10s,是20世紀70～90年代唯一具有全球覆蓋能力并可作為單一導航手段的系統，是越洋航空和航海的重要導航系統。同時，由于其信號能滲入水下10m左右，也是當時美國潛艇的水下導航系統。

歐米伽導航系統雖然具有用途廣、覆蓋面大和機載設備相對便宜等優(yōu)點，但是定位精度低。隨著全球定位系統(Global Positioning System，GPS)的廣泛應用，加快了導航系統更新換代的進程，1997年美國關閉了歐米伽導航系統。

(2)阿爾法導航系統

阿爾法導航系統是蘇聯開始建設的類似于歐米伽的超遠程導航系統，于1970年投入使用，是目前國際上唯一仍在正常運行的VLF陸基超遠程導航系統(見圖2)。阿爾法導航系統計劃共有5個臺站，發(fā)射臺的輻射功率為50～80kW, 工作頻率為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)。工作區(qū)覆蓋全球70%的面積,幾何盲區(qū)為東處中太平洋夏威夷與關島之間一線和西處非洲大陸南大西洋一線[5]。

阿爾法導航系統可以采用測距差、測距與準測距三種方式進行導航定位,通常定位精度在2～4n mile，為解決電波預測修正問題,俄羅斯在系統工作區(qū)內先后建起了31個阿爾法信號傳播監(jiān)測站。差分阿爾法的精度比普通的歐米伽的定位精度提高了3～5倍，白天的定位精度可達200～1000m。

1.2 新型超遠程無線電導航系統

20世紀末，隨著GPS的建成和廣泛應用，美國政府認為不再需要遠程無線電導航服務，在爭議之中關閉了歐米伽系統。近年來，隨著電磁環(huán)境的日益復雜和對GPS脆弱性的深入認識，美國出于遠程作戰(zhàn)的考慮，重新開展了針對下一代的超遠程VLF無線電導航系統的研究[6]。

2014年，美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)啟動了競爭環(huán)境中的空間、時間和方向信息(STOIC)項目，旨在研發(fā)不依賴GPS但具有與GPS同級別精度的PNT系統，STOIC將在GPS性能退化或無法使用時提供抗干擾的PNT能力[7]。

為了實現上述目標，DARPA征詢了以下4個相關技術領域的創(chuàng)新型建議。

1)技術領域1：健壯的基準信號

2)技術領域2：極穩(wěn)定的戰(zhàn)術時鐘

3)技術領域3：多功能系統PNT

4)技術領域4：輔助技術

每個技術領域的研發(fā)和評估都要求在36個月內分3個階段進行，每個階段12個月，如圖3所示。在完成第三階段后，DARPA將根據第三階段的性能去投標后續(xù)集成系統展示，所有已開發(fā)的STOIC組件和系統將被整合在一起，并在多個環(huán)境和多個平臺中進行測試。

在基準信號技術領域，意在尋求不依賴GPS，且適用場景廣泛、抗干擾性強的PNT系統，形成一個適用于對抗環(huán)境、相對于地固坐標系的PNT系統。當GPS功能衰退或不可用時，為離臺站更遠作戰(zhàn)區(qū)域(10000km)提供可靠、高精度的PNT服務。在競爭環(huán)境及其附近無需部署基礎設施，也無需進行維護，定位精度優(yōu)于10m，時間精度優(yōu)于30ns。該項目在第一階段重點關注了基于建模、仿真、數據收集的系統設計和分析，并提出了甚低頻定位系統(VLF Position System，VPS)架構，目前已完成第一階段研究，進入第二、三階段研究[8]。

VPS架構由三部分組成，分別為信號傳輸部分、控制部分、用戶部分(見圖4)。數據處理中心將監(jiān)測站測量到的環(huán)境信息實時傳輸給STOIC甚低頻臺站，由臺站將攜帶導航信息的基準信號發(fā)送給用戶端，由用戶端完成基于相位測量的定位解算。

2016年2月，STOIC項目提出了借用現有的海軍甚低頻通信系統支撐后續(xù)的第二、三階段研究工作，研究時間預計各12個月，研究重點主要是信號體制、信號傳播、接收處理以及系統在機載和海上平臺的應用[9-10]。

重點研究內容主要包括：信號體制、信號傳播以及接收處理方面。

在信號體制方面，DARPA重點關注基于VLF發(fā)射機和接收機的方案。這是因為VLF 信號在地表-電離層波導中的傳播損失非常低，用戶能夠接收到來自遠程發(fā)射機的高信噪比信號，為系統提供必要的精度?，F有的VLF發(fā)射臺都是以大電場天線為基礎，而DARPA希望發(fā)展新型的發(fā)射技術，將VLF信號進行遠距離傳播并具有較高帶寬，可以將電波修正信息發(fā)送至用戶端,與此同時，也對可快速部署的移動發(fā)射機感興趣。

信號傳播方面，DARPA將重點關注VLF傳播特性的研究，擬采用數值計算方法建立更逼近真實特性的電波傳播模型，并通過建立全球電離層監(jiān)測網，實時獲取環(huán)境參數，并結合修正模型預測以得到更精確的電波修正信息。

接收處理方面，DARPA重點關注提高接收機相位測量精度、抗干擾能力以及減小接收機體積等方面的解決途徑，擬采用全向磁天線設計改善以上問題。

同時，對信號帶寬、積分時間、信噪比(Signal-Noise Ratio，SNR)等信號體制內容進行設計、分析和驗證，并采取創(chuàng)新的手段對偏差進行補償以達到目標精度。

2 國內研究情況

我國在地基無線導航方面經歷了長期的發(fā)展過程，一直以來，地基導航系統在我國PNT服務方面發(fā)揮著重要的作用。早在20世紀60年代初，我國就十分重視研究并建設我國自主的無線電導航系統，在國際上提出新的地基導航系統時，我國也同步開展了技術研究。我國先后發(fā)展了中程無線電導航系統、遠程無線電導航系統，并開展了超遠程無線電導航系統研究[1，11]。

我國中程無線電導航系統技術體制與美國的羅蘭-A相同。系統由海軍和交通部共同投資建設，1965年開始實施。一期工程3個導航臺(山東榮成、江蘇射陽、浙江嵊泗)于1966年建成并投入使用；二期工程7個導航臺于1970～1974年建成并投入使用。10個導航臺分別位于遼寧莊河、天津上古林、山東榮成、江蘇射陽、浙江嵊泗、浙江溫嶺、福建平潭、廣東惠來、廣東珠海與海南萬寧，構成9條基線，全系統海上覆蓋范圍白天700n mile，夜間500n mile。系統開始由海軍實施管理，1983年移交交通部管理，于1997 年關閉。

我國長波遠程無線電導航系統由6個導航臺、3個監(jiān)測站和1個監(jiān)控管理中心構成，形成南海、東海和北海3個臺鏈。1994年國務院批復交通部、海軍，同意該系統對國外用戶開放。長波遠程無線電導航系統的技術體制與羅蘭-C相同。發(fā)射臺輻射功率1.2MW，海上地波作用距離900～1300n mile，典型定位精度460m[11]。

我國在20世紀70年代初，開展了超長波無線電導航系統的分析和論證，超遠程無線電導航系統的技術體制與歐米伽、阿爾法系統相同，可實現長波水下導航，后因轉向以經濟建設為中心以及全球覆蓋布站條件不足等因素而停止了發(fā)展[12]。

近年來，國內開展了衛(wèi)星導航拒止環(huán)境下的導航技術研究，開展了基于VLF的導航技術研究。VLF信號具有傳播衰減小、穿透能力強的特點，能夠在地面和電離層之間波導傳播。因此，采用VLF信號可以進行超遠程導航，在全球只需部署少量發(fā)射臺，即可實現全球覆蓋。新型VLF導航技術研究的關鍵在于提升PNT的精度以及可靠性，以便達到衛(wèi)星導航備份的要求。

3 陸基遠程無線電系統架構及關鍵技術

陸基遠程導航系統通過建立地面發(fā)射臺，播發(fā)大功率VLF信號，為各類用戶提供廣域覆蓋的定位、導航、時頻傳遞播發(fā)服務，可以作為衛(wèi)星導航系統的備份和補充系統。在衛(wèi)星導航不可用時(系統失效、系統被賽博攻擊、用戶區(qū)域信號被干擾或阻塞)，陸基超遠程導航替代衛(wèi)星導航工作，保障PNT連續(xù)服務。 在衛(wèi)星導航信號不可達區(qū)域(如茂密森林、水下、地下)，陸基遠程導航作為衛(wèi)星導航的補充，提供PNT信息服務。

陸基超遠程導航系統，在大體上可以分為發(fā)播臺、監(jiān)控站、系統控制網絡以及用戶端。根據高精度定位和授時需要，還可以建立全球甚低頻/極低頻電波傳播實時監(jiān)測及修正播發(fā)網絡，為用戶提供實時的電波傳播修正數據。陸基超遠程導航系統體系架構如圖5所示。

(1)導航信號發(fā)射臺

發(fā)射臺涉及時空基準、電文生成、信號播發(fā)、同步監(jiān)測等要素，由天線、大功率發(fā)射機、同步監(jiān)測和測量、信號發(fā)播同步控制、差分數據播發(fā)、網絡通信節(jié)點等功能單元組成。通過通信網接收來自控制中心的差分數據和同步控制參數，實現臺站信號發(fā)播同步控制和大功率導航信號及差分數據播發(fā)。

(2)監(jiān)控站

監(jiān)測站涉及傳播誤差監(jiān)測、完好性監(jiān)測、服務性能監(jiān)測等要素，由多通道多功能監(jiān)測和網絡通信節(jié)點等功能單元組成，完成高精度相位/偽距/時差測量和信號監(jiān)測，并通過通信網將測量數據發(fā)給控制中心。

(3)增強服務系統

增強服務系統涉及差分修正以及多個傳播誤差修正監(jiān)測站構成的網絡化誤差修正等要素，由多個差分站、多個監(jiān)測站以及網絡化誤差修正處理中心等功能單元組成。完成局域/廣域的不依賴于發(fā)射臺站的特定用戶實時或近實時差分修正增強服務。

(4)系統運行控制中心及通信網絡

控制中心涉及時空基準溯源、系統控制、信息網絡管理、數據存儲和管理等要素。由數據處理、數據中心和網絡通信等功能單元組成。通過通信網接收來自發(fā)播臺和監(jiān)測站的數據，分析主要誤差源和變化，完成覆蓋區(qū)差分數據估計。同時，接收發(fā)播臺的絕對時間同步數據，通過分析數據的變化確定發(fā)播臺同步控制參數，并通過通信網將差分數據和同步控制數據發(fā)給發(fā)播臺。

(5)用戶終端

用戶終端涉及高性能接收天線、接收機通道信號測量、數據解調以及導航定位解算等要素，接收發(fā)射臺導航信號以及增強差分信息，完成用戶定位和授時。

陸基超遠程導航系統的關鍵技術：

(1)信號體制設計技術

在信號體制設計時，要考慮在帶寬受限、傳播特性、遠近效應等約束條件下，開展臺站同步、多臺站組網、高精度導航測距信號設計、導航與數據通道波形融合等技術途徑和方法。

(2)傳播誤差修正技術

針對VLF導航信號波導傳播受電離層、氣象條件等因素影響大的特點，開展導航信號傳播時延模型及精化技術、信號監(jiān)測網絡設計、實時和非實時差分技術、網格化傳播修正服務等技術途徑和方法[12]。

(3)高性能用戶接收技術

在陸基超遠程導航系統信號天波、大氣、工業(yè)等干擾環(huán)境和作用距離遠、精度高、抗干擾能力強等服務要求下，開展現代信號處理、全視野接收處理、實時誤差修正和建模、高動態(tài)應用等技術途徑和方法。

4 發(fā)展建議

PNT信息是現代社會正常運行不可或缺的基礎信息，采用星基、陸基和自主相組合的多導航系統構成的PNT體系，可以保障PNT服務的可靠性和安全性。因此，在進一步發(fā)展衛(wèi)星導航系統的同時，應大力開展陸基超遠程導航技術研究，促進形成完備的國家PNT體系，服務于國家軍民用戶[3]。