增强罗兰系统差分技术研究.pdf
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1、 264 现代导航 2023 年 增强罗兰系统差分技术研究 牛会丰1,李君一2,3,王 伟2,3,米正衡2,3(1 中国人民解放军 92678 部队;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)摘 要:增强罗兰系统中,电波传播误差是影响定位/授时精度的主要因素。在分析罗兰 C定位误差基础上,阐述了采用差分罗兰提高局部区域性能的基本原理及其系统组成,详细论述了差分修正量生成、基于罗兰数据通道(LDC)的差分电文发播、差分电文设计以及用户差分处理的技术实现途径,并通过试验验证了差分罗兰技术体制和性能提升效果,为增强罗兰系统工程应
2、用奠定技术基础。关键词:增强罗兰系统;差分罗兰;附加二次因子;罗兰数据通道 中图分类号:TN96 文献标志码:A 文章编号:1674-7976-(2023)-04-264-06 Research on Differential Technology of Enhanced Loran System NIU Huifeng,LI Junyi,WANG Wei,MI Zhengheng Abstract:Radio wave propagation error is the main factor affecting positioning and timing accuracy of the e
3、nhanced loran system.Based on the analysis of Loran-C positioning error,the basic principle and system composition of using differential loran is proposed to improve the local domain performance,the realization approach of differential correction generation,differential message transmission based on
4、 Loran Data Channel(LDC),differential message design and user differential processing are discussed in detail,and the differential loran technique system and performance improvement effect through experiments are validated.It lays a technical foundation for the engineering application of enhanced lo
5、ran system.Key words:Enhanced Loran System;Differential Loran;Additional Secondary Factor;Loran Data Channel 0 引言 罗兰C导航系统是一种陆基部署的大功率远程导航系统,具有可靠性高、不易被干扰的特点,在技术体制上与卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)完全不同,可作为后者的备份与补充,但同时也存在系统覆盖区域有限、定位/授时精度不高的问题。近十几年来,增强罗兰技 收稿日期:2023-06-01。牛会丰(1979.11),河北昌黎人
6、,硕士,高级工程师,主要研究方向为长波无线电导航系统建设管理。术的开发应用,使其精度得到了极大的提高;差分技术是增强罗兰的核心技术之一,采用类似 GNSS的差分技术手段,以提高罗兰C系统在局部区域(差分区域)用户定位授时精度6;国外研究和试验表明,罗兰差分定位精度可以达到优于 20 m5,满足舰船进出港口要求。我国的长波导航系统属于罗兰 C 技术体制,在系统覆盖的重点区域(如主要港口、航道、重要城市、机场和岛礁)可以通过建立差分系统,提高在重点区域的定位/授时精度,更好地发挥作为北斗备份与补充的作用。第 4 期 牛会丰等:增强罗兰系统差分技术研究 265 1 罗兰 C 定位误差分析 罗兰C系统
7、用户定位精度主要取决于系统同步误差、电波传播误差、用户接收机测量误差、定位几何因子等因素。目前系统同步误差和接收机测量误差可达到百纳秒以内,但是电波传播误差一般为几百纳秒至几微秒,这是制约用户定位精度的主要因素。罗兰电波传播误差是指罗兰脉冲信号从发射天线到接收天线传播过程中产生的误差。其与传播路径陆地导电率、地形和气象气候等因素有关。通常用附加二次因子(Additional Secondary Factor,ASF)对电波传播误差进行修正6。假设罗兰信号从发射台到接收点的传播时延为 t,则 PFSFASFtttt (1)式中:ASFASFtt值标称;tPF为罗兰信号在均匀大 气中的传播时延,即
8、基本时延;tSF为罗兰信号在全海水路径上传播时相对于在均匀大气中传播的时间延迟,即二次时延;tASF为罗兰信号实际传播路径相对于全海水传播路径传播的时间延迟,即附加二次时延;tASF标称值为 ASF 的固定部分;为 ASF的变化部分。ASF 包括固定部分和随时间变化部分。固定部分是一个与空间位置相关的量,与传播路径上大地电导率、大气折射率和地形等因素有关,在 ASF 中占主要部分,最大可达到几微秒。通常将接收区域划分为网格,事先通过模型计算和实际测量相结合的方式得到每一网格的 ASF 标称值,并将 ASF 格网数据(ASF 地图数据库)保存在用户接收机中。变化部分是一个与时间相关的量,与传播路
9、径上气候和气象有关,随季节变更、昼夜交替、温度湿度变化而不同,在 ASF 中占次要部分,最大可达到几百纳秒。变化部分可以通过建立差分系统,实时生成、发播给用户。2 差分罗兰工作原理及系统组成 罗兰信号在传播过程中,传播时延变化量在局部区域内具有一定的相关性,通过建立差分基准站,实时监测罗兰信号传播时延的变化,并将变化量(差分修正量)播发给差分区域内的罗兰用户,用户利用差分修正量对到达时间(Time of Arrival,TOA)或时差(Time Difference,TD)测量值进行修正,减小系统同步、电波传播等因素对授时和定位结果的影响。根据差分信息的内容,差分罗兰可以分为 TD 差分和 T
10、OA 差分两种模式,在增强罗兰系统中,TOA 差分模式已成为技术发展趋势,以下主要描述基于 TOA 模式的差分系统设计。罗兰差分系统主要由罗兰差分(基准)站、通信链路、罗兰发射台和罗兰用户设备等部分组成,如图 1 所示。图 1 罗兰差分系统基本组成 罗兰差分站实时接收、处理罗兰信号,生成罗兰差分信息,并利用通信链路将差分信息传输到罗兰发射台。差分站主要设备包括罗兰 C 授时监测接收机、时间基准设备(GNSS 接收机)、原子钟(铷钟)、计数器、差分生成设备和通信链路终端等。罗兰发射台实时获取来自差分站的差分信息,由编码形成设备对实时差分修正量进行处理和编码,生成差分电文,将电文调制到罗兰信号上广
11、播给用户。罗兰发射台新增设备主要包括通信链路终端、处理差分信息的编码形成设备等。罗兰用户设备在差分工作区实时接收罗兰信号,解调解码差分信息,利用差分信息对测量数据进行实时修正,解算出时间、位置信息。与传统罗兰用户设备相比,罗兰差分用户设备增加了罗兰信号的差分信息解调解码和差分修正处理功能。3 差分修正量生成 罗兰 C 授时监测接收机接收罗兰信号,输出罗兰钟面时间和秒信号(1 Pulse Per Second,1PPS);差分信息 差分信息发射台差分信息差分站通信网 266 现代导航 2023 年 时 间 基 准 设 备 提 供 协 调 世 界 时(Coordinate Universal Ti
12、me,UTC)时间和 1 PPS,并通过驯服铷钟提供基准 1PPS;计数器测量罗兰 1PPS 与基准1PPS 的偏差,该偏差为信号从发射台到差分站电波传播修正的 ASF 测量值;差分生成设备根据 ASF实时测量值和事先确定的 ASF 标称值,采用合适的算法模型预测差分修正量,差分修正量综合反映了罗兰发射、电波传播的变化。差分修正量生成原理如图 2 所示。图 2 差分修正量生成原理图差分修正量测量值Xi=ASF测量值i-ASF标称值,对测量数据进行异常数据剔除处理后,可以采用以下几种方法之一预测差分修正量:1)滑动平均法 以最新k个采样值的平均值作为第k+1 个数据点的预测值,如式(2)所示 1
13、1 1nnii n knk,NYXk,(2)式中:Xi为采样值;Yn为预测值;k为滑动窗口宽度。2)一阶低通滤波法3 对本次采样值与上次滤波输出值进行加权,得到本次滤波输出值,如式(3)所示()()(1)(1)Y nX nY n (3)式中:为滤波系数;X(n)为本次采样值;Y(n-1)为上次滤波输出值;Y(n)为本次滤波输出值。3)多元线性回归2 设随机变量Y与可控变量12mx,x,x具有线性关系,则 01 1222(0)mmYxxx N,(4)式中,012m,都是未知参数,求出合理的权值0m,使预期误差的平方最小。4 差分电文发播 差分电文广播给用户主要有无线通信电台广播、公共信息网发布和
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