罗兰导航系统

罗兰导航系统(6)罗兰远程无线电导航系统最初是出于军事需要，由美国国防部研制的。由于该系统在可靠性、准确度、造价及有效作用范围等方面的许多优势，用户数量迅速增加，并获得迅速发展。它拥有３０多万海洋用户，５０多万航空用户，并拥有数目可观的陆地用户。罗兰－Ｄ系统是研制成功的最新一代，这个系统主要是为海上石油开发所需的高精度导航定位实施服务。分别设在北欧的北海海域、西北欧、英国西南部、马来西亚和中国黄海海区。

　　罗兰－Ａ系统，作用距离约１３００千米，工作区定位准确度约９２６米～１８５２米，夜间利用天波，作用距离可达２５９．２８万米。这个系统在４０年代时发展很快，７０年代达到鼎盛时期，在世界各地拥有８０多个发射台。其天波覆盖了北太平洋、北大西洋的绝大部分水域，因而用户超过１０万。之后，性能更为优越的罗兰－Ｃ系统出现。１９８０年，美国用了５年的时间，完成了用罗兰－Ｃ取代罗兰－Ａ的布台过程。

　　罗兰－Ｃ系统作用距离和精度都优于罗兰－Ａ。

       目前，该系统在世界范围的布台任务早在８０年就已完成，有效地覆盖了整个北半球。美国计划在１９９４年后停止使用海外的罗兰－Ａ系统站，但考虑到一些地区的用户，将继续保留罗兰－Ａ系统。

　　罗兰－Ｄ系统是美国军用战术机动中程导航定位系统。是在罗兰－Ｃ原理基础上研制成功的最新一代，经实地试验，罗兰－Ｄ系统在４６．３万米范围内定位准确度为１８０米，在９２．６万米范围内准确度一般为４６３米，重复性误差为１８米。

       目前，这个系统主要是为海上石油开发所需的高精度导航定位实施服务。分别设在北欧的北海海域、西北欧、英国西南部、马来西亚和中国黄海海区。

        罗兰是由采用圆——圆定位方式，由两个或两个以上的圆相交得到。北斗/罗兰组合导航系统是无源三维导航定位系统，是在对“长河Ⅱ”台站改造的基础上实现的。

        接收机通过对罗兰-C信号解码可以完成对伪距的测量。

　近年来，北斗地基增强系统正在全国各地普遍建设推广，更好地满足北斗系统精密定位用户和导航用户的要求。精密导航定位与定时技术重点实验室将继续发挥作用，为北斗建设贡献一份力量。

　　导航的英文是navigation，原为航行之意。初始形式是罗盘领航和天文导航，此后发展到陆地车辆和航空飞行器的行驶，如今navigation也被译作领航或导航之意。

　　从广义上来讲，通航就是引导车辆、航空飞行器等运动载体沿一定航线经济而安全地到达目的地，我们最常见导航设备的有车载导航。不知道是否有人思考过，为什么我们的车载导航能准确进行定位呢？

　　我们看到导航系统是由卫星、地面接收站和发射站来组成，但其工作机理却比我们想象的要复杂得多。

　　在中国科学院国家授时中心（以下简称国家授时中心）有这样一个研究部门，专门以高精度时间传递和信号传播研究为基础，开展卫星导航授时及其他辅助导航授时与定时技术的研究工作，这就是中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室（以下简称重点实验室）。^[1]

　　天空满是导航星

　　自从人类出现最初的政治、经济和军事活动以来，便有了对导航的要求。

　　1990~1991年，在阿拉伯半岛爆发的海湾战争中，多国部队几乎每一种战术操作都离不开卫星导航系统的引导，反观伊拉克军队仅有少量卫星导航设备，明显处于军事弱势。

　　进入20世纪后，随着人类科技水平的提高，第一无线电导航系统——无线电信标问世。我国在南海也建立了长河二号南海无线电导航系统，自1990年起正式向国内用户开放使用。

　　“我的专业是无线电导航技术与方法，来到国家授时中心读硕士和博士研究生时，选择了时频和卫星导航两个专业。”国家授时中心副研究员邹得才目前在重点实验室工作，他告诉《中国科学报》记者，“罗兰C导航、基于正交频分复用超宽带（OFDM-UWB）技术的室内精密定位导航、卫星导航，这三类都是无线电导航。”

　　邹得才介绍了罗兰C导航主要用于海上，陆地也可以使用。他目前主要开展上述的第二类无线导航系统——OFDM-UWB导航的研究，也是“863”计划项目。

　　卫星导航，是接收导航卫星发送的导航定位信号，并以导航卫星作为动态已知点，实时测定运动载体的在航位置和速度，进而完成导航。在第一颗人造地球卫星于1957年10月入轨运行的次年，美国科学家就开始进行卫星导航系统的研究，人造地球卫星的重要应用，即全球无线电导航。

　　目前，已经投入运行的有美国全球定位系统GPS和俄罗斯的全球导航卫星系统，正在建设的有欧洲的全球卫星导航定位系统，和中国的北斗全球定位系统。

　　其中，北斗全球定位系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。空间段由5颗地球静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成。

　　评估空间信号质量

　　导航系统的地面段由主控站、注入站和若干监测站组成。

　　其中，主控站主要任务是收集各个监测站的观测数据，进行数据处理，生成卫星导航电文和差分完好性信息，完成任务规划与调度，实现系统运行管理与控制等。

　　注入站主要任务是在主控站的统一调度下，完成卫星导航电文、差分完好性信息注入和有效载荷的控制管理。监测站接收导航卫星信号，发送给主控站，实现对卫星的跟踪、监测，为卫星轨道确定和时间同步提供观测资料。

　　国家授时中心副研究员王雪说：“由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号等影响，使得民用GPS的定位精度只有100米。”

　　在国际上，国际全球连续监测评估系统（iGMAS）正在建立一个全球分布的全球卫星导航系统（GNSS）信号跟踪网络，通过多GNSS高精度接收机和高增益全向天线，监测GNSS 的服务性能和信号质量，为全球广大用户提供服务。iGMAS国内跟踪站建设由中国科学院国家授时中心牵头。

　　2009年，国家授时中心作为第三方机构，由重点实验室派出成员参与北斗全球定位系统空间信号评估，王雪便是其中一员。

　　同年，国家授时中心在西安临潼建成了中国首个北斗空间信号质量监测与评估系统，包含7.3m孔径的天线。新的40m孔径天线正处于研发中，预计将于2014年在西安市安装。

　　“1月进行评估的建设论证，我们从2月开始实施，到4月建成北斗空间信号质量监测与评估系统。”王雪表示，“不到两个月的时间里，我们几乎处于日夜赶工状态，最终顺利完成了这项任务。”

　　为精度出一份力

　　在重点实验室里，有来自物理电子学、无线电技术与信息系统、计算机软件、应用数学、通信与信号系统等多学科领域的研究人员。“这些专业在我们这里都用得上。”国家授时中心副研究员成芳说。

　　成芳本科专业是应用数学，硕士专业是卫星导航，博士至今从事的是通信研究，主要开展卫星导航的数据处理和算法分析，并且逐步参与一些项目。“我跨越了3个学科，但最终都是希望能提高我们的卫星导航系统的精度。”

　　在卫星导航系统中，最重要的指标是精度。因为GNSS与其他导航手段相比较，其最大的优势是高精度、全天候和全球化。这些年来，卫星导航系统精度在不断提高。

　　去年的统计数据表明，美国为提高GPS控制精度，适应GPS现代化的需要，地面控制站已经增加到12个，并最终将达到19个，分布在世界各地，以期保证在全球范围内对每颗在轨卫星至少有两个站对其实施连续的实时跟踪观测。

　　我国为进一步提高定位精度，北斗系统计划在中国建设北斗地基增强网。北斗地基增强系统将开拓北斗精密定位应用，提高北斗系统服务能力和竞争力。

　　成芳在今年5月曾参与了一次北斗地基增强系统的建设，也是一项时间紧、任务重的工作，但成芳和来自重点实验室的成员们仍然在几天的时间内，完成了4个城市的调试工作。

　　近年来，北斗地基增强系统正在全国各地普遍建设推广，将更好地满足北斗系统精密定位用户和导航用户的要求。重点实验室也将继续发挥自己的作用，为北斗建设贡献自己的一份力。

据美国InsideGNSS网站2013年4月24日报道，韩国称，由于从2010年起，朝鲜对其进行GPS干扰的频率和持续时间不断提高，这迫使韩国政府不得不开始发展并部署增强型“罗兰”（eLoran）系统，计划在2016年覆盖全国。据称，去年在朝鲜对韩国实施的16天的GPS干扰过程中，共有1016架飞机和254艘船只受到影响。而2010年，朝鲜实施干扰的天数为4天。

今年2月，韩国政府已经完成了eLoran系统设计、开发和建造相关文档的准备工作，随后将展开国际公开招标。

建造eLoran系统将为整个韩国地区提供精度优于20米的定位和导航能力。该系统有望在2016年具备初始运行能力，2018年全面运行。韩国政府希望与俄罗斯和中国紧密合作，将eLoran系统的覆盖范围扩大到整个东北亚地区。韩国希望eLoran系统能够确保导航定位能力的精确性、可用性、连续性和完整性，满足海上船只的海港入口与航道（HEA）需求，以及飞机的非精确进场（NPA）需求。

相比于之前的“罗兰”系统，eLoran对设备、信号和操作规程进行了升级。通过这些改进，eLoran可以比“罗兰-C”系统提供更好的性能和更多的服务。

目前，韩国在浦项和广州光州有2座“罗兰-C”发射站，2014年这两座发射站将成为eLoran的发射站。另外，韩国还将在郁陵岛、江华郡和济州岛新建3座eLoran发射站，这5座发射站将为韩国全境提供无线电导航服务。为了提供eLoran差分服务，韩国还将在境内部署43座eLoran差分站，其中一部分将使用现有的GPS差分站。为了在2018年实现全面运行能力，韩国将在2016～2017年对系统进行测试。

尽管一支独立评审小组建议美国将原有的“罗兰-C”系统升级为eLoran，作为GPS好和其他国家级定位、导航和授时技术的备份，但美国依然在2010年宣布将停止使用“罗兰-C”系统。而韩国的做法与美国形成了鲜明的对比。英国目前也在推动eLoran系统，今年早些时候英国在英吉利海峡启动了eLoran的初始服务。^[2]