增强型罗兰信号传播覆盖范围分析

李海波，王 伟，王 明，赖文彬

增强型罗兰信号传播覆盖范围分析

李海波1，王 伟2,3，王 明1，赖文彬4

（1 中国人民解放军91710部队，和龙 133500；2 中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068； 3 陕西省组合与智能导航重点实验室，西安 710068；4 中国科学院国家授时中心，西安 710600）

增强型罗兰信号在空间传播中，受地形起伏及地貌变化的影响，信号场强呈现局部衰落特性，通过仿真分析产生这种衰落的原因，给出我国西部地区新建三个增强型罗兰发播台的信号覆盖范围，为发播台的布局提供依据。

增强型罗兰；信号传播；覆盖范围

0 引言

罗兰C系统是我国完全自主掌握的陆基无线电导航授时资源，具有较高的重复定位精度，较强的抗干扰能力和全天候连续授时定位能力，可弥补北斗卫星导航系统的脆弱性和单一性，是其重要的补充和备份[1-3]。目前，我国罗兰C系统的授时地波信号主要覆盖区域为我国内陆中部地区、中部偏东部地区以及沿海周边地区[4-6]。

增强型罗兰系统通过建设差分站，使用罗兰C数据通道播发差分及其他应急通信信息，为用户提供更高精度的导航及授时服务，全面提升罗兰C系统的功能和性能。

增强型罗兰信号的传播环境由地球及大气层构成，覆盖范围必须在电波传播理论的基础下进行分析，增强型罗兰信号中心频率为100 kHz，属于低频长波信号范围，该频段的电波主要有两种传播模式：地波传播和天波传播。地面波和从电离层反射的天波可以从到达接收点的时间上区分开，沿地面传播的地波，不受电离层随机扰动的影响，其幅度和相位非常稳定，所以被广泛应用于精确的无线电导航定位和授时。研究长波在各种不同地面导电率及其地形情况下的传播相位和衰减规律，对于提高授时精度有非常重要的现实意义[7-9]。

1 应用背景

目前我国罗兰C系统的授时信号覆盖盲区主要集中在西部，该区域东西长约2100 km，南北宽约2300 km，是我国战略纵深，需要有与卫星导航系统互补的增强型罗兰系统提供服务。根据国家规划，我国将在西部地区新建三个增强型罗兰发播台，以实现该区域增强型罗兰授时信号覆盖，届时将与原罗兰C系统形成互补，实现授时信号全国性覆盖。

结合交通、经济、能源电力及社会保障等因素综合考虑，西部地区增设的三个发播台，选址分别位于甘肃敦煌、新疆库尔勒和西藏那曲，与中东部地区发播台相比，西部地区三个发播台的覆盖范围内多有崇山峻岭，存在海拔落差超过3 km的山峰。对于部分传播方向来说，如那曲往东穿过横断山脉到达四川盆地，敦煌、库尔勒往南穿过昆仑山脉到青藏高原，传播路径上的地形起伏高度差已经可以和电磁波波长（增强型罗兰系统中心频点为100 kHz，波长为3 km）相比拟，将对地波传播带来较大的影响[10-12]。

根据《甚低频无线电工程》给出的大气噪声数据，甘肃、新疆和西藏地区100 kHz频段的大气噪声最大值出现在夏季，在20世纪60年代，噪声谱密度约为-120 dBm/Hz[8]。考虑到近年来全球大气噪声的升高，该地区噪声谱密度按-120 dBm/Hz估计。为保证可靠的接收，一般信噪比应大于10 dB，即接收点场强应不低于30 dBμV/m。考虑到上述分析中的噪声电平为连续值，而罗兰C信号为脉冲信号，2000 kW的发射功率平均值约为200～300 kW，因此接收点的场强峰值应不低于45 dBμV/m[13-14]。

2 低频信号场强计算模型

新建罗兰C发播台的工作频率为100 kHz，按照国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）的规定，低频的频率范围为30～300 kHz，低频地波在传播过程中受到传播路径的大地电参数（地面导电率）、地形起伏及大气折射指数等因素的影响。

不同的大地导电率对应不同的传播衰减因子，引起不同的地波损耗，给地波信号的幅度、相位带来变化。地波场强的垂直分量如式（1）所示：

现在选址的台站地址上，有高原、沙漠边缘地形，高原地层有冻土存在，沙漠边缘可以分为干砂土层、地下湿土和淡水层；低频地波在不同分层地面上传播的地波衰减因子不同，在计算时应该考虑这些因素。

长波波段的传播主要以地波传播方式为主，根据电波传播相关理论，电波分别沿全海水路径和平均陆地路径传播时地面接收点的场强随距离的变化关系如图1所示。

图1 地波场强传播曲线

用于复杂路径的理论预测方法主要有Millington经验公式、波模转换法、Wait积分法、积分方程方法以及近年潘威炎等结合混合傅立叶变换算法求解的抛物线方程等，其中基于分段光滑模的Millington经验公式和基于复杂地形模型的积分方程方法是工程应用较多的方法。

Millington经验公式把地形变化用电导率等效，在地形起伏区域存在一定误差；积分方程方法则考虑了实际地形的起伏，更适合复杂路径的传播预测。

3 覆盖范围分析

第2节给出了罗兰C信号地波传播场强计算模型，本文以现有的增强型罗兰发播台技术参数为依据，即发射机的峰值功率为2000 kW，发射天线的辐射效率为70 %，分别选取敦煌、库尔勒及那曲发播台信号传播路径起伏较大的方向为典型传播方向进行信号覆盖范围分析。

3.1 敦煌发播台信号覆盖范围分析

敦煌发播台选取信号传播的正南方向为典型传播方向，如图2所示，信号传播方向需要经过青藏高原，海拔落差超过3 km；如图3所示，信号在1200 km处的场强约为50 dBμV/m，满足接收条件。

图2 敦煌发播台正南方向地形剖面图

图3 敦煌发播台信号场强传播衰减曲线

3.2 库尔勒发播台信号覆盖范围分析

库尔勒发播台选取信号传播的正西方向为典型传播方向，如图4所示，信号传播方向需经过天山山脉，海拔落差超过3 km；如图5所示，信号在1200 km处的场强约为60 dBμV/m，满足接收条件。

图4 库尔勒发播台正西方向地形剖面图

图5 库尔勒发播台信号场强传播衰减曲线

3.3 那曲发播台信号覆盖范围分析

那曲发播台选取信号传播的正东方向为典型传播方向，如图6所示，信号传播方向需要经过青藏高原到达四川盆地，海拔落差超4 km；如图7所示，信号在1200 km处的场强约为50 dBμV/m，满足接收条件。

图6 那曲发播台正东方向地形剖面图

图7 那曲发播台信号场强传播衰减曲线

4 结论

从信号场强传播衰减曲线可以看到传播路径上的地形起伏对信号强度有一定的影响，使得信号场强呈现局部衰落特性，这种衰落特征与地形剖面图能够较好地对应。当地形起伏并不十分剧烈时，其场强的衰落特征并不显著，仅仅发生在少数山峰处，约有2～3 dB的衰落。而在部分传播路径上，例如那曲发射台往东正好穿过横断山脉，敦煌发射台往南穿过昆仑山脉等地形起伏变化较大时，使得场强衰落特征更剧烈一些，与平坦地面相比，最大衰落可达到5～10 dB。从分析结果看，敦煌、库尔勒和那曲三个发射台的信号场强能够满足1200 km的授时覆盖距离要求，可以完成利用三座发播台覆盖我国西部地区的布局计划，在后续工作中还须结合地形地理数据进行更细致深入的分析。

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Analysis of Propagation Coverage of Enhanced Loran Signal

LI Haibo, WANG Wei, WANG Ming, LAI Wenbin

In the space propagation of enhanced Loran signal, the signal field strength presents local fading characteristic due to the influence of topographic relief and geomorphic change, through the simulation analysis of the cause of this fading, the signal coverage range of three newly built enhanced Loran broadcasting stations in western china is given, which provides the basis for the layout of broadcasting stations.

Enhanced Loran; Signal Propagation; Coverage

TN967

A

1674-7976-(2021)-04-268-04

2017-06-21。李海波（1980.02-），黑龙江海伦人，工程师，主要研究方向为罗兰C导航授时技术。