E罗兰/北斗组合终端应用技术

田震华，张 亮，邹 四

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510000）

1 罗兰C导航系统简介

罗兰C导航系统是一种陆基远程双曲线无线电导航系统，它是在第二次世界大战中出现的罗兰A基础上不断发展改进而来的。1945年二战结束后到1974年，罗兰C系统主要由美、苏两个大国所主导，前苏联建设了类似于罗兰C的恰卡（Chayka）陆基无线电导航系统，后由独联体国家维护。加拿大参加了美国的罗兰C系统，罗兰C采用100 kHz的低频信号，该频率传播距离远且稳定性较好，导航台站发射功率可达兆瓦级，作用距离可达1 852 000 m[1]。

1974年，美国运输部发布公告，确定罗兰C导航系统为美国海岸的官方导航手段，规定进入美国海域的船舶必须装备罗兰C接收设备，标志着罗兰C正式向民用开放。国际航空界也于80年代中期正式认可了罗兰C的应用，此后欧洲地区陆续建设了多个罗兰C台链，亚洲地区的中、日、韩以及印也都相继建设了罗兰C台链。

罗兰C应用高峰时期的90年代，全球共建成了28个罗兰C台链，80余座发射台，覆盖了北半球较为繁忙的主要航道，几十万台船舶及航空器都安装了罗兰C设备。

2 E罗兰发展情况

美国政府很早就认识到了GPS系统的脆弱性，于2001年发布了《沃尔普报告》，将罗兰C系统作为解决这个问题的重要途径。为进一步发展罗兰C系统，美国于2006年提出了E罗兰的概念，增加了罗兰C的电文传输能力和授时能力，使其扩展成为定位、导航以及授时一体化的导航系统。

国际罗兰协会于2007年10月公布了《增强罗兰定义文件》，阐述了E罗兰系统是一种标准化的导航、定位以及授时系统，具备在航空、航海、陆上等领域提供广泛的定位、导航以及授时服务。E罗兰是独立于卫星导航的陆基导航系统，可以在卫星导航服务中断或者卫星信号遭受干扰的情况下继续为用户提供较高精度的位置与时间服务。2008年，美国在《联邦无线电导航规划》中明确，继续保持现有罗兰C系统，并逐步进行E罗兰系统技术升级[2]。受经济危机困境的影响，美国政府虽然于2010年封存了境内的20余座罗兰C台站，但是2015年美国再次决定，从2016年开始继续建设E罗兰系统，并将其作为GPS最主要的备份系统之一。

近年来，美国陆续通过了“2018年国家授时弹性和安全法案”和“2019财年国防授权法案”，鼓励开展E罗兰系统相关验证，以支持美国PNT的总体能力。

2020年，美国在其PNT整体架构中，将E罗兰列为GPS系统的重要陆基区域性PNT后备手段，能够在对抗环境下有效获得位置和时间要素的可靠信息源，可见陆基E罗兰系统在美国整体战略中的地位和作用。

近年来，英国新建了E罗兰导航台，升级了西北欧罗兰台站。针对ASF修正建模和实时差分监测站，积极投入相关建设并开展实验工作。2019年，E罗兰系统初步覆盖英国海港，每年将为约2×105艘船舶提供航道进出及靠离泊业务。英国的灯塔管理总局表示，E罗兰系统独立于卫星导航，能够提供较好的导航服务，是多模式PNT重要的信息源之一。俄罗斯在其两个“恰卡”台链的基础上，采用E罗兰技术完成升级改造，命名为“天羯座”导航链，用来作为GLONASS卫星导航系统的备份。就目前技术水平而言，E罗兰系统是功能最接近、技术最成熟以及最经济的卫星导航备份系统[3]。

3 我国罗兰系统应用现状

我国在90年代初投资超过2×108元人民币，建设完成由6个导航台组成的“长河二号”罗兰C导航台链，也是我国第一个自主控制的远距离无线电导航定位系统，解决了我国沿海地区及其周边海域的导航定位问题，成为我国海上定位的主要手段。1991年国家发布了《船用罗兰C接收设备通用技术条件》（GB/T 12752—1991），1993年发布了《罗兰C系统通用技术条件》（GB/T 14379—1993），规定了罗兰C系统，即“长河二号”工程所用的主要术语、技术要求以及主要性能的测试与试验方法，有效地提升了我国罗兰C系统的标准化水平，促进了罗拉C终端设备的快速发展。

2007年，我国着手对长河二号系统的3个台链进行升级改造，改造后具备了播发授时电文的能力，成为我国时间频率播发系统的重要组成部分。2010年，我国的罗兰C接收机也完成了升级换代工作，成为卫星导航最重要的备份系统。

2012年之后，随着GPS全球导航系统的日趋成熟及我国北斗二号卫星导航系统的初始运行，世界范围内罗兰C导航接收机的应用范围逐步收缩，我国的罗兰导航接收机也逐步让位于卫星导航终端。目前，国内仅在特种水面船舶、水下航行器以及特种飞机等还安装有罗兰接收机。此外，国内部分院校、研究所以及罗兰导航台站还有用于教学和监测台站信号发射情况的罗兰终端设备。

2016年底，我国在《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》中明确，将在现有无线电授时系统基础上着手建设高精度陆基授时系统，与北斗卫星导航系统共存，既互为补充又相对独立，以进一步提高我国综合PNT系统的安全性、可靠性以及高精度。

2018年5月，国家发改委批复“高精度地基授时系统”立项，项目将在我国西部地区新增建设3个E罗兰授时台，与现有的6个长河二号罗兰导航台以及BPL授时台形成地基E罗兰授时系统。

4 E罗兰/北斗组合应用技术改进

虽然E罗兰系统在覆盖范围、定位及授时精度等方面相对于卫星导航有一定差距，但是其可凭借导航信号频率低和功率大的特点与频率高、功率小以及易被干扰的北斗导航系统形成有效互补。罗兰信号波长可达300 m，具有较强的绕射传播能力和入水穿透能力，具有较好的信号抗干扰能力，成为卫星导航系统的有益补充和最优备份系统[4]。在新的发展时期，E罗兰终端可通过技术改进与北斗三号卫星导航终端进行组合使用，具体有以下几个方面的应用模式。

4.1 快速定时为北斗提供初始时间

一般而言，罗兰接收机需经过信号捕获、跟踪、天地波分离以及三周点判决等信号处理流程才能完成二维定位解算，通常耗时几分钟。传统的E罗兰终端为完成微秒级别的授时，必须首先经过几分钟的定位处理时间，这其中最耗时的是天地波信号分离和三周点判决，约占整个处理时间的80%以上。然而在很多情况下，授时服务应用的要求达到毫秒级即可，一般信号条件下，E罗兰只需十几秒钟即可快速达到毫秒级的授时精度[5]。为此可针对具体使用需求，适当改进信号处理算法，从而改善用户的使用体验。特别是北斗的授权应用终端，若其没有准确的时间信息，甚至不能提供高可靠的定位服务。可利用E罗兰改进算法，支持快速授时功能，在十几秒钟内为北斗终端提供毫秒级的年月日时分秒信息，大大加快北斗终端的开机定位速度。即使是数月不开机或刚从仓库中取出的北斗授权终端，也能迅速完成时间锁定、信号锁定以及位置锁定，成为更加贴近实用的PNT终端。

4.2 地波定位改进方法

E罗兰主要使用地波导航信号定位，由于地波信号在经过陆地或海面岛屿的远距离传播后，波形会发生一定畸变，严重时会导致三周点判决出现错误，造成数公里的定位误差。此外，当穿越罗兰导航台链基线延长线时，即便导航信号跟踪正常，设备也无法自动从定位解算的多值解中选取正确的位置点，从而造成用户的困惑。为此，可应用北斗终端，在经过上一章节的步骤后快速完成定位，进而辅助E罗兰完成三周点判决，自动从定位多值解中选取恰当的定位结果。这不但可以使E罗兰的定位更加迅速，还能减少E罗兰的错周，消除多值解问题。

在实时ASF修正计算方面，由于可以实时获得卫星导航精确的定位位置，因此也可实时计算当前台链的ASF修正值[6]。除可以积累ASF修正数据库外，当遇到持续雷暴和太阳黑子等极端气象条件时，使用即时计算的ASF修正量可以使E罗兰在数十千米内保持几十米的定位精度。

4.3 天波定位应用模式

E罗兰终端一般使用地波才能达到较为准确的定位精度，但也有学者研究过天波应用的可行性[7]。当E罗兰与北斗组合使用时，可同时接收罗兰天波信号，利用类似上一章节北斗辅助罗兰计算ASF修正值的方法，甚至可实时计算天波接收修正值，进而在北斗的辅助下利用天波信号进行辅助定位。当北斗受到短时干扰时，仍然能够利用E罗兰的天波信号提供精度可控的定位服务，扩大E罗兰的应用范围。

5 E罗兰/北斗组合终端发展潜力

由于罗兰C导航终端数量的逐步减少，其终端硬件平台形式基本固化，没有显著进步，然而在此时期与罗兰C接近频段的电波表技术却快速发展。卡西欧公司不断改进自身的电波表技术及工艺，2006年研制出了可同时接收美国、欧洲以及日本等5种电波的全球化电波表，至2007年在全球累计销售电波表突破千万。我国中科院国家授时中心商丘低频时码发播台也于2008年正式播发信号，逐步开展电波表的推广工作。近年来，我国北斗芯片研制也迅速发展，有较好的人才和技术储备。因此，罗兰终端小型化是有产业基础的，研制芯片化、小型化以及智能化的E罗兰/北斗组合终端在技术上是可行的，组合终端也一定能获得更广阔的应用空间。

今后，E罗兰/北斗组合导航系统的发展可参考E罗兰/GPS组合的思路，在系统端可进一步将E罗兰与北斗导航系统的时间完全同步，将罗兰信号作为北斗系统的伪卫星使用，进而提升我国PNT体系的可靠性和可用性[8]。在设备端可将卫星导航接收机与罗兰导航接收机集成设计，有效克服各自系统的缺点，提升设备室内、室外、水面以及水下的定位适应性，对深入挖掘我国长河二号系统应用潜力和建设国家综合PNT体系具有重要意义[9]。

6 结 论

E罗兰导航技术经过升级改进可与北斗组合应用，为北斗授权用户快速提供初始时间，而且在北斗协助下可提升E罗兰定位与授时精度，扩大使用范围，增加应用模式，组合终端可有效改善北斗卫星导航在复杂电磁环境中的脆弱性。当前我国E罗兰高精度地基授时系统正在建设，以北斗为核心的综合PNT系统也在逐步完善中，研制高效的组合终端产品一定会促进系统应用的总体发展。未来，E罗兰/北斗组合终端必然会在涉及国计民生的重点部门和国家PNT体系的重要节点得到广泛应用，继续发展E罗兰/北斗组合技术和装备将为我国综合PNT系统的建设提供有力支撑[10]。