无线电导航系统 罗兰-C

无线电导航系统罗兰-C
【概述】
罗兰的全称是远程导航，是一种远程双曲线无线电导航系统，作用距离可达2000公里，工作频率为100千赫。

罗兰-C是低频、脉冲式的双曲线无线电导航与定位系统，它是在40年代由美国麻省理工学院应美国陆军的要求而研制的。

罗兰-C是一种远距离(1850km)、低频(100kHz)的含标准时间频率信息的双曲线无线电导航系统、定位系统，它的作用距离大，覆盖面广，导航、定位精度高，在全球范围内得到广泛应用。

它使用两个同步发射器信号到达的时间差来定位。

较低的频率允许地波沿地球表面曲面传播较远的距离，多脉冲允许接收机把天波与地波区分开来。

根据不同的几何条件、接收机测时精度及传播条件，罗兰-C可以提供100～200m的精度。

【原理】
罗兰C定位原理
到两定点距离差为一常数：
双曲线（具有双值性）
副台延时：ts＝β主副＋Δ
β主副：主台→副台电波传播时间
Δ：副台编码延时
船台测时间差：Δt＝β主副＋Δ＋t副－t主
β主副：消除双值性；Δ：识别各副台
罗兰C系统由设在地面的1个主台与2～3个副台合成的台链和飞机上的接收设备组成。

测定主、副台发射的两个脉冲信号的时间差和两个脉冲信号中载频的相位差，即可获得飞机到主、副台的距离差。

距离差保持不变的航迹是一条双曲线。

再测定飞机对主台和另一副台的距离差，可得另一条双曲线。

根据两条双曲线的交点可以定出飞机的位置。

这一位置由显示装置以数据形式显示出来。

由于从测量时间差而得到距离差的测量方法精度不高，只能起粗测的作用。

副台发射的载频信号的相位和主台的相同，因而飞机上接收到的主、副台载频
信号的相位差和距离差成比例。

测量相位差就可得到距离差。

由于100千赫载频的巷道宽度（见奥米加导航系统）只有1.5公里，测量距离差的精度很高，能起精测的作用。

测量相位差的多值性问题，可以用粗测的时间差来解决(见无线电导航)。

罗兰C导航系统既测量脉冲的时间差又测量载频的相位差，所以又称它为低频脉相双曲线导航系统。

1968年研制成功的罗兰D导航系统提高了地面发射台的机动性，是一种军用战术导航系统。

【应用领域】
罗兰C 系统是一种陆基远程无线电导航系统,用于舰船、飞机及陆地车辆的导航定位。

该系统的主要特点是覆盖范围大, 岸台采用固态大功率发射机, 峰值发射功率可达2MW, 因此其抗干扰能力强,可靠性高。

我国建有3 个罗兰C 导航台链, 是一种为我国完全掌握的无线电导航资源, 可覆盖我国沿海的大部分地区, 在战时具有重要意义。

卫星导航是通过在地球上空布设若干个导航卫星, 发播导航电文, 接收机通过接收到卫星导航电文数据来解算出位置数据。

由于卫星导航覆盖范围广( 可全球覆盖) 、全天候、高精度等优点, 得到了广泛应用。

目前可用的卫星导航系统有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS 以及我国的双星导航卫星, 欧洲的GALILEO 导航卫星系统将在2008 年建成使用, 日本也计划发展区域卫星导航系统。

但卫星导航系统也有其弱点, 卫星导航系统是星基导航, 由于卫星距地面较高, 卫星发射信号功率受到限制等因素, 使得卫星导航信号微弱, 易被干扰。

由于星基无线电导航和陆基无线电导航各有其优缺点, 并且各自独立, 因此, 研究罗兰C 和卫星导航的优势互补以及它们的组合应用具有一定的现实意义。

【背景】
Loran（罗兰）是远程导航的缩写，罗兰C（Loran C）是于五十年代末在第二次世界大战中期成功研制罗兰A的基础上改进并投入使用的远程双曲线导航系统，1974年向民用开放。

罗兰C的地面发射系统是由至少3个发射台组成的台链，彼此精确同步。

用户接收来自2个台的信号时，只要测出它们到达的时间差，便知道自己处于一条以这两个台为焦点的双曲线上；同时又测出另外两个台信号的时间差，便又得知处于另一条双曲线上；显而易见，用户必然处于这两条双曲线的交点上，从而可确定出用户的位置。

从1945年到1974年，罗兰仅由美、苏两个大国掌握，苏联建立了类似于罗兰C的恰卡（Chayka）导航系统，后加拿大加入美国的罗兰C应用体系，八十年代中期国际航空界正式启用罗兰C，随后欧盟建立了多个罗兰C台链，日本、韩国、我国、印度也都相继建了台链。

到目前为止，全世界共建成了30多个罗兰C台链。

在陆基无线电导航系统中，罗兰C的用户是最多的，大多数是用于航海，也用作航空和陆上导航。

虽然GPS的问世对罗兰C的应用有较大影响，但罗兰C具有它的独到之处，不可能完全被GPS所取代；若把罗兰C与GPS组合使用，则将在覆盖范围、实用性、完善性等方面得到改善。

由此可知，罗兰C的优点：罗兰C采用100 kHz单一的低频，该频率传播距离远、稳定性好，使罗兰C具有作用距离远的优点。

但罗兰C无法覆盖全球。

在六十年代中期，美国海军提出了“Timation”计划，美国空军提出了621B计划，并付之实施。

但在发射了数颗实验卫星和进行了大量实验后发现各自都还存在一些大的缺陷。

所以在此背景下，1973年美国国防部决定发展各军种都能使用的全球定位系统(GPS Global Positioning System),并指定由空军牵头研制.在项目的实施中,参加的单位有美国空军、陆军、海军、海军陆战队、海岸警卫队、运输队、国防地图测绘局、国防预研计划局,以及一些北大西洋公约组织和澳大利亚。

历时20多年，耗资数百亿美元，于1994年3月10日，24颗工作卫星全部进入预定轨道，GPS系统全面投入正常运行，技术性能达到了预期目的，其中粗码（C/A码）的定位精度到达20m，远远超过设计指标。

GPS是现代科学的结晶，它的推广应用有力地促进了人类社会进步。

【美国、北欧Loran-C链的技术改造】
美国Loran-C 系统正在建设的项目有两大类: 一类是系统设备的结构性调整和更新改造, 由美国海岸警卫队( U SCG) 实施和执行；另一类是由美国联邦航空管理委员会FAA- (Federal Aviat ion Administration) 牵头实施的Loran-C 系统性能评估的项目, 有许多单位参加, 分解为一些具体的研究课题和测试项目。

北美Loran-C系统设备的结构性调整和更新改造
1996 年, 在FRP 宣布关闭Loran-C 的同时, 美国国会指示交通部与商业部合作, 制订和提交一份计划, 以确定Loran-C 系统未来使用、运行、维护和改造的投资。

交通部与Booz- Allen & Hamilton ( BAH) 签订合同, 由他们独立评估Loran-C 系统。

BAH 所作的研究表明, 用户强烈支持在2000 年12 月31 日之后持续运行Loran-C。

这对美国的Loran-C 政策带来了巨大影响。

所以在1999 年度的FRP 中, Loran-C 系统被允许短期运行, 同时美国政府也将评估它的长期需求。

从1997 年财政年度开始, 国会通过FAA 向USCG 提供资金以现代化和升级北美Loran 系统。

1997 年至1999 年财政年度, 投资1020 万美元, 执行了21个项目;2000 年财政年度, 投资1220 万美元, 执行北美Loran-C 系统结构调整项目LRP( Loran Recapitalization Project ) 。

升级改造北美Loran-C 系统主要基于以下的几个原因:
( 1) 通过提高Loran-C 系统的自动化程度, 减少或完全取消发射站的值守人员, 同时大大减少维修量。

( 2) 目前仍然在运行的11 个电子管发射机( 站) 已经成为高风险因素, 影响全系统的运行质量和人员安全。

电子管发射机的信号质量如何, 影响到美国大陆上80% 的
Loran 覆盖区和Alaska 的全部Loran 覆盖区。

一些发射机存在很多问题, 要花许多额外时间维护。

( 3) 许多有丰富经验的Loran 职员接近退休年龄, 或离开了Loran 领域。

1999 财政年度完成的改造项目有:
( 1) 在北美Loran-C 系统安装LCCS 系统( Loran Consolidated Control System ) 。

2000 财政年度完成的改造项目有:
( 1) 更换所有主链监控装备PCMS ( Primary Chain Monitor Set )
( 2) 安装自动闪烁报警系统ABS( Automatic Blink System)
( 3) 安装无线的命令与控制备用通信系统。

正在实施的项目有:
( 1) 更换14 个台站的电子管型发射机
( 2) 建筑新的或粉刷已有机房, 为安装新的发射机作准备
( 3) 在某些台站更新或现代化发射塔
( 4) 更换所有的Loran 时间与频率设备TFE( Loran Timing and Frequency
Equipment ) ，包括新的铯钟、集成的自动报警系统ABS、以及UTC 同步装置。

( 5) 安装新的远动集成Loran 命令与控制设备。

( 6) 为运行控制室装置和发射机系统分别安装新的不间断电源UPS.
( 7) 更换所有的Loran 监控接收机.
( 8) 增强Loran 系统的能力, 提高其可用性、准确度、完善性和连续性
Loran-C 系统性能测试与评估项目
美国对Loran-C 系统的长期需求评估是通过FAA 来进行的。

FAA 向国会提出了2000万美元的2001 年度的财政预算要求, 参众两院实际拨款2500 万美元。

这种需求评估应该是基于两点: 一是Loran-C 能否在技术性能和系统功能上成为GPS 的真正备用系统, 二是在GPS 由于人为干扰不能满足民用用户的某些需求的情况下, 能否提供技术支持。

根据1999 年FRP 所提供的信息, 至1999 年北美Loran-C 系统的海上用户为50 多万,
陆上用户3 万多, 航空用户为10 万多[ 4] 。

从技术可用性方面而言, Loran-C 系统在授时方面能提供至少1 微秒的定时精度和较高的校频精度, 可以满足需要高精度时间和频率信息的用户要求; 在导航方面, 它能满足海上用户的导航要求, 而陆上用户可采用的导航参考系较多, 所以Loran-C 能否在航空领域被更多用户接受和认可, 就成为长期需求评估的主要方面。

在2001 年, FAA 将同USCG 测定在满足可用性、准确度、完善性和连续性的技术要求的情况下, 经过改造后的Loran-C 提供飞行着陆服务的能力。

这个测试和相关的研究工作是以工程项目的形式来组织的。

共有10 个单位参与了该项目。

他们分别来自政府部门( FAA Navigation and Landing Product Team, AND- 740; FAA Technical Center; FAA
AVN/AIR( Aviat ion System Standards/ Cert if icat ion) ; DOT Volpe T SC; US CoastGuard) 、工业界( Illgen Simulation T echnolog ies, Inc. ; Locus, Inc. ) 和大学( USCG Academy; Ohio University;Stanford U niversity) 。

到目前为止, 各相关部门已经开展了大量的研究和试验, 现在还很难为最终的试验结果下结论。

表1 是FAA 在该项目中需要进行的工作和潜在的解决方法。

NELS 目前的状态与项目建设
北欧Loran-C 系统的项目建设带有更强烈的研究性质。

他们工作的重心在于如何将陆基和星基系统有效地结合起来。

Eurofix 依然处于测试和概念推介阶段。

NELS 在Norw ay、Denmark、Germany 和France 等四国共有8 个Loran-C 发射台在运行。

NELS 时间发射控制中心( T he NELS T ime of Emission Cont rol Cent re) 位于法国的Brest。

现在所有的NELS 站台均与UT C( Brest ) 同步。

发射时间关于U TC 的标准偏差控
制在小于100ns。

Eurof ix 方面, 目前有四个站发播Eurofix 数据。

其实测结果如表2。

( 1) LOREG 计划: 欧洲已经开始将Loran-C 系统与卫星系统综合在一起的工作。

基于目前四个站在发播Eurofix 数据, 从今年秋天开始, 执行LOREG 计划( Loran/ Eurof ix /
EG NOS Test& Validat ion Programme) , 以测试和证实Loran-C/ Eurof ix 概念。

( 2) GLORIA 计划: GLORIA( GNSS& Loran-C in Road and Rail Application) 计划是研究Loran-C 与全球卫星导航系统在公路和铁路中的应用, 欧盟资助了部分资金。

由荷兰、德国、奥地利和瑞士等四国的公司参与研究, 2000 年10 月开始, 为期两年。

( 3) GALA( Galileo Overall Architecture Def inition) 项目: 评估Loran/ Eurofix 作为未来欧洲Galileo 卫星导航系统一个组合部分的可能性。

( 4) 欧盟已经委托Helios 公司( UK) 与Booze Allen& Hamliton 合作, 提交一份关于Loran-C 的独立评估报告。

【发展方向】
美国的情况
美国交通部无线电导航与定位办公室( Off ice of Radionavig at ion and Posit ioning ) 的Heywood Shirer 在第29 届Loran 协会年会上, 作了一篇题为! 1999 年度联邦无线电导
航计划及2001 年版本的制订进展∀的报告[ 7] 。

报告指出, 2001 年版的FRP 将依然表明政府继续运行和现代化Loran-C 系统, 同时FAA 也会基于如下四点继续评估Loran-C 系统的
长期需求: GPS 及其增强系统的能力; Loran-C 用户设备的可用性、成本和接受程度; 国际义务;FAA 关于新的Loran-C 技术的调查报告等。

美国到现在还不制定北美Loran-C 系统的明确政策, 是与美国已经拥有和控制了GPS密切相关的。

至少对于美国的军方用户来说, GPS 是安全和可靠的, 在技术上虽然不是完美无缺但已满足军事需求。

军方对Loran-C 系统的持续运转似乎没有投入多少热情。

现在美国对北美Loran-C 系统的建设项目投资是通过FAA 来实施和执行的。

国际Loran 协会主席Linn Roth 博士的一段话, 也许可以从另一个侧面反映美国的Loran-C 政策:“我要指出美国国家政策非常明确, 不是GPS 作为唯一手段( Solemeans) 的政策, 而是以GPS 和陆基系统构成混合支撑系统的政策。

我这样声明是基于这样一个主要原因: 国会并不希望美国只有唯一的系统, 而国会控制了美国的资金和拨款。

也就是说, 不管无线电导航计划中是如何宣称的以及一些政府官员的公开表态如何, 如果国会通过一个法
律给非GPS 系统拨款, 说明国会实质上已经制定了一个国家的非唯一手段政策。

国会已经把Loran 看成是事关国家的安全事务, 而不是一个政治、政党争斗的或部门内的问题。

这种观点在一个新的国会中也不会改变。

”他还从逻辑推理的角度表明自己的态度:“······我感到令人惊骇的是, 美国也许期望所有其他国家接受由美国控制的GPS系统。

······我简单地把自己放在一个观察者的位置来评判, 例如, 美国能够接受一个由法国或日本建成
的唯一系统, 然后把美国的国家基础设施依附于它们吗? 难道美国是如此的沙文主义, 期
望其他国家接受一个连我们自己都不愿的接受的条件?”
从本文前面介绍的U SCG 项目建设情况来看, 美国虽然在1996 年一度宣称关闭
Loran-C 系统, 目前对Loran-C 的需求评估还没有结束, 但我们要注意到, 恰恰是从1996 年开始,美国不但没有放慢或停止改造Loran-C 系统的步伐, 反而投入资金改造、调整北Loran-C系统, 且资金逐年增加; 从1960 年到1996 年, 美国都没有处理它的电子管
( Tube- Ty pe) 发射机, 却从1997 年开始要将所有的电子管发射机固态化。

北欧的情况
NELS 团体认为卫星导航定位授时系统已经是并将是主要的技术手段, 但它们并不能
满足所有用户的需要。

NELS 指导委员会( T he NELS Steering Commit tee) 已经得出这样
的一个结论, NELS 未来的角色是成为组合的全球导航卫星系统的一部分[ 5] 。

这是欧洲人对欧洲Loran-C 系统的理解和定位, 他们的实际工作, 如上文所列的研究项目, 也的确是朝这个方向发展。

在NELS 系统的参与国的扩展上, 他们遇到的问题比较多。

因为各国对NELS 的态度不尽一致, 只能逐个解决。

NELS 正在以多种方式与下列国家接触, 如UnitedKing dom,Aust ria, Poland, Czech, Hungary, Slovakia, Italian, Russia 等, 企望这些国家能尽快加入到NELS 的大家庭之中。

【结论】
无线电导航系统罗兰-C，成功地解决了周期识别问题并采用了比相、多脉冲编码和相关检测等技术，成为陆、海、空通用的一种导航定位系统。

伪随机码扩频技术的应用是提高目前广泛使用的Loran-C无线电导航系统性能的有效技术途径之一，几种导航技术组合，能取长补短，如应用伪卫星技术加罗兰-C再加惯性导航或塔康导航将会大大提高导航精度。

【参考文献】
[1] 吴海涛,边玉敬.Loran_C系统的技术改造与发展方向.中国科学院陕西天文台,2001.
[2] 马立新,陈永兵.罗兰C和北斗组合导航系统定位精度研究.海洋测绘,2009.
[3] 袁书明,葛远声.LORAN_C无线电导航系统的发展方向.北京:全球定位系统,2002.
[4] 杨利英,柯熙政.基于罗兰一导航系统的数据链方案设计.战术导弹控制技术,2006.
[5] 黄辉,吉春生.RDSS／LORAN—C组合导航的实现方法研究.天津海航,2005.
[6] 胡安平.罗兰C 和卫星导航的组合应用.中国航海,2005.。