基于NAVDAT授时定位的可行性研究

梅建群，高万明，高迎，许璟华

（13交通运输部东海航海保障中心，上海，200086；2.中科睿格（北京）技术有限公司，北京，100094）

0 引言

自大航海时代开启以来，海上导航及通信一直是海上安全航行的重要保障。伴随着无线通信技术的飞速发展，水上导航及通信技术也有了长足的进步。二战初期，美国国防部成功研制了海用中远程无线电导航系统Loran-A。20世纪40年代至70年代，Loran-A进行了全面布署，但其定位精度、可靠性、应用范围都存在较大限制，不能满足美军作战要求，因而自二战末期，美国开展了更高性能的Loran-C系统的研制，于1957年获得成功。1974年5月16日，美国将Loran-C对民用开放，此后，Loran-C系统在多个国家和地区得以建设[1]。上世纪70年代初，美国开始了GPS（Global Positioning System）的研制，该系统于1994年建成并提供服务[2]，至今已经形成包括俄罗斯的GLONASS（Global Navigation Satellite System）、欧洲 Galileo、中国的北斗四大全球卫星导航系统[3]。随着Loran系统发展及对卫星导航系统脆弱性认识的深入，当前开始寻求能提供PNT（Positioning, Navigation and Timing）服务的eLoran系统作为卫星导航系统的备份[4]。

1999年，全球海上遇险与安全系统（Global Maritime Distress and Safety System, GMDSS）实施[5]。以 NAVTEX（Navigational Telex）为代表的上一代航行警告系统已明显滞后于数字移动通信的发展，无法满足当前高速、可靠、多样的应用需求。因而，无线电搜救分委会提出了水上数字广播系统 NAVDAT（Navigational Data）[6]。

无线电导航与通信系统技术上存在很大相似性，电子产业的飞速发展也为两个系统合并提供了可能。当前NAVDAT正处于标准研究与制定阶段，如能将NAVDAT数字广播系统拓展为集广播、授时、定位于一体的系统，将大幅度增强NAVDAT系统服务能力，降低水上无线电导航与广播系统建设成本，提高船用设备集成度及性价比。

1 系统总体设计

NAVDAT是一种新型的岸基海上数字广播系统，采用最新数字传输技术，在500kHz上播发海上安全和保安相关信息和其他服务信息[7]。由于采用了500kHz中频，其传输特性稳定，尤其是传播速度变化小，有利于无线电测距。

图1为NAVDAT广播授时定位系统框架，整个系统由主控系统、岸基网络、台链群及接收系统组成。主控系统作为整个NAVDAT系统的核心，包含台链监测和台链管控两大核心功能，主控系统通过岸基网络与台链群相连。台链群包含分布于不同地方的多个台链，每个台链包含发射机群与监测机群，台链的布局对系统性能有重要影响。发射机通过中频无线电信道播发信息，接收系统接收解调解码相关信息。接收系统包含若干独立工作的接收机，是NAVDAT广播授时定位的用户终端。

图1 NAVDAT广播授时定位系统框架

图2为NAVDAT广播授时定位系统台链分系统框架，台链分系统由分控系统、岸基网络、发射系统和监测系统组成。分控系统通过岸基网络与主控系统相连，也通过岸基网络连接发射系统与监测系统，分控系统是广播、授时、定位及监测信息的处理中心，负责本台链内部的信息收集、处理、控制及分发。岸基网络作为各系统连接的神经，负责信息的传递与交互。发射系统由一台主发射机、多台从发射机组成，负责广播授时定位信息的播发。监测系统由多台监测接收机组成，负责监测台链内发射机运行状况，测量各定位脉冲到达时间，供分控系统处理差分信息及状态监测使用。

图2 NAVDAT广播授时定位系统台链分系统框架

NAVDAT广播采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术，可选4QAM（Quadrature Amplitude Modulation）、16QAM或64QAM调制[8]。由于各子载波可选用不同的数字调制方式，为使系统适合授时定位，考虑在子载波上发送PPM（Pulse Position Modulation）授时定位脉冲，从而使整个系统具备授时定位能力。

2 系统定位原理

无线电定位通常采用三角定位原理实现：即通过测量与已知点之间的距离求取当前点位置。具体到NAVDAT陆基无线电定位系统，采用双曲线定位的方式实现。测量目标点与两个已知点间的无线电信号到达时间差，确定接收机位于由两点为焦点的双曲线上。再增加一个已知点并测得目标点与该点、与前两点中任意一点的无线电信号到达时间差，即可由两条双曲线的交点结合先验信息计算得到目标点位置，如图3所示。主从台A、B、C位置均已知，主从台周期性播发含有UTC时间标记的脉冲，接收机测量各发射台脉冲到达时间差，可得到多组时间差，结合光速信息，可转换成与主从台之间的距离差，进而通过解非线性方程组确定接收机位置。

图3 NAVDAT双曲线定位原理

基于定位结果及发射台时间同步到UTC的事实，容易实现授时应用。假设信号发射时刻为Tt，通常发射台通过高精度原子钟或 GNSS（Global Navigation Satellite System）授时实现纳秒级的同步。由用户位置(xu,yu)及发射台位置(xt,yt)可以计算出空间距离ΔD，进而确定发射信号到达用户的时间延迟ΔT，即：

式中，c为光速，。因此，接收机接收时刻为

这样就实现了基于NAVDAT的授时功能[9]。

3 原型测试

3.1 原型测试系统

为了验证利用NAVDAT进行授时定位的可行性，在上海海岸台的崇明发射台和盐城之间进行了授时测距实验测试。

测试系统如图4所示。在NAVDAT发射台附近架设一具备北斗授时同步功能的中频接收机1用于采集原始NAVDAT授时定位脉冲，在距离约260公里的盐城架设另一台同样配置的接收机2。NAVDAT发射台周期性的发送授时定位脉冲，使用两台接收机采集同一时间段信号并同步记录接收时刻。由两台接收机同一时刻接收的发射信号的时间差可以确定两台接收机之间的距离，由接收信号强度结合链路预算可以初步确定信号覆盖范围，从而初步评估通过NAVDAT系统进行授时定位的可行性。

图4 NAVDAT授时定位可行性验证系统

3.2 数据分析

使用MATLAB解调两台接收机采集的同一接收时刻原始射频数据，并计算原始信号的发射时间差，使用SPIKER软件回放接收信号并分析其信噪比，对两地采集的信号进行可用性分析及授时测距的计算，具体结果及计算见表1。

表1 NAVDAT授时定位数据结果及分析

由表1可知，接收的授时定位信号平均信噪比为27.2dBc，远大于NAVDAT系统所规划的信噪比，由此证明：NAVDAT发送授时定位信息是可行的，所搭建的接收系统是可用的，采集的数据是可信的。

由表1可知，接收信号间的平均时间差为854.034us，已知无线电波在空气中的传播速度为299792458m/s，经过换算得到两台接收机间的直线距离约为256.033km，与地图误差约为41m。

以上试验证明：通过NAVDAT播发授时定位信息进行测距是可行的，从而初步证实了利用NAVDAT进行授时定位的可行性。

4 结束语

本文基于NAVDAT广播系统，提出利用NAVDAT实现授时定位的问题。为解决此问题，本文从系统构成、授时定位原理及系统实现三个角度论证其可行性，并进行了初步的试验验证。理论分析及试验结果表明，利用NAVDAT实现授时定位完全可行。统一的航保广播授时定位系统极大地扩展了NAVDAT系统功能，降低了航保广播授时定位系统成本，增强了GNSS授时定位系统的抗风险能力，极大简化了船用接收设备的复杂度，具有明显的经济及社会效益。