羅蘭C系統作為無人機海上導航備份的探討*

劉文超　王光輝　劉海洋

(1.海軍航空工程學院　煙臺　264001)(2.92026部隊　威海　264300)

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羅蘭C系統作為無人機海上導航備份的探討*

劉文超1,2王光輝劉海洋

(1.海軍航空工程學院煙臺264001)(2.92026部隊威海264300)

導航系統是無人機完成給定任務的必要條件之一。未來無人機對導航的可靠性和穩定性等性能提出更高的要求。通過分析介紹無人機導航方式多樣性和羅蘭C系統特點及作用范圍，得出羅蘭C作為無人機海上導航備份的必要性和可行性。說明增加導航因子，不再依賴于某一項或者某幾項導航技術,擁有多技術結合和完全自主能力的導航是未來發展方向。

無人機; 羅蘭C; 導航備份; 海上環境

Class NumberV249.328

1　引言

隨著現代新設備、新技術的發展，特別是無人機具有體積小、重量輕、機動靈活、成本低、適應性強、沒有人員傷亡等優點，無人機研究又重新提上日程，無人機的使用和發展也開始受到越來越多國家的重視。其中，美國、俄羅斯、以色列等國家走在無人機發展研究的前列，我國也在加緊這方面的研究[1]。

導航系統是無人機的“眼睛”，相當于有人機系統中的領航員。無人機導航系統的主要任務是確定無人機實時速度、位置、飛行姿態等相關信息，引導無人機按照規劃航線飛行并完成任務，隨著無人機系統技術的不斷發展和應用的不斷深入，對導航系統的要求將會越來越高[2]。高精度、高可靠性和

高抗干擾能力將是主要方向[3]。本文通過介紹分析無人機導航方式，在我國擁有完全自主能力下，提出羅蘭C系統作為我國無人機海上導航備份的必要性和可行性。

2　無人機導航方式

2.1衛星導航

衛星導航系統由空中衛星、地面站臺以及用戶接受設備組成。能夠全天候、全時間為全球用戶提供時間、速度、位置等信息，且定位精度不會隨時間的變化而變化。但是環境適應性較差，信號容易被干擾。現在應用最廣泛的衛星導航系統就是美國的全球定位系統(GPS)，戰時很可能對美國以外的其他國家進行關閉。“北斗”系統是我國自主開發研制的衛星導航系統，主要用于定位、簡短通信和精密授時三大功能，工作頻段在L波段，其差分定位精度為20m，水平定位精度為100m，定位響應時間最短可小于1s，一次定位成功率達到95%，能夠在GPS系統之外為軍民導航提供另一個選擇。

2.2慣性導航

慣性導航系統屬于一種推算導航方式，即從已知點的位置根據連續測得的運載體航向角和速度推算出其下一點的位置。它是一種不向外輻射能量，也不依賴于外部信息的自主式導航系統，具有隱蔽性好，不受外界干擾，全天候工作等獨特優點。能夠實時給出速度、航向、位置等信息，但是不能提供時間信息，并且由于元器件本身的誤差問題，定位精度會隨著使用時間增長而增大，每次使用之前都需要長時間的初始對準。

2.3多普勒導航

多普勒導航是利用多普勒效應實現無線電導航，由導航計算機、機械儀表、多普勒雷達三部分組成。設置好初始數據后由計算機推算定位。系統的優點是反應快，抗干擾性強，無需地面設備，適用于各種地形和氣象條件，缺點是工作時必須發射電波，隱蔽性不好；性能與飛機姿態和反射面的形狀有關；系統會隨著飛行距離的增加而有誤差積累。

2.4無線電導航

無線電導航是把定位信號調制在發射機產生的無線電波上，通過天線輻射到空中，由飛行器上的接收機接收并解算出時間、位置等信息。對于中短程飛行器而言，無線電導航是一種非常成熟的技術，尤其是應用于山區戰場偵察、地面攻擊，或者是短程的海防、海岸偵察，可靠性高、不受時間限制。缺點是對外有輻射源，需要大功率的發射設備。

2.5地磁導航

地磁導航是通過地磁傳感器測得的實時地磁數據與存儲在計算機中的地磁基準圖進行匹配來定位。具有無輻射、隱蔽性強、能耗低、不受干擾、全天候、全地域使用的特征，并且不存在積累誤差；缺點是需要存儲大量的地磁數據，強大的數據處理能力，導航精度容易受機載其他電磁設備的干擾。另外，受地形影響原因，適合起伏變化大的地形，且該導航方式要求提前規劃航路嚴格按制定路線飛行，大大降低了飛行器的機動性。在國內外是一種新興的技術，目前沒有在無人機上應用。

2.6天文導航

天文導航是通過對天體位置測量來得出飛行器航向和位置的導航技術。根據天體的坐標位置和運動規律計算出用戶的實際航向和位置。天文導航也不需要其他地面設備，是自主式導航系統。不受電磁波的影響，不向外輻射能量，隱蔽性好，定向、定位的精度比較高，定位誤差與時間無關，適合高空長航時飛行導航。缺點是低空飛行時容易被能見度限制，受氣象條件影響大，并且設備體積較大不適合小型無人機。

2.7地形匹配導航

地形匹配導航是事先通過攝影、大地測量和已有地形圖等方法將地形數據制成數字化地圖存儲在計算機中，當無人機飛越相關區域時，機上的探測設備對該區域進行測量并與計算機中的數字化地形數據進行比較，從而實現對無人機的導航。特點是技術困難，對測量器材和計算機處理性能需求較高，要求地形有鮮明的特征，必須和其他導航方式組合使用[4～5]。

以上導航方式各有優缺點，尤其在復雜的海上環境和特殊政治條件下，我無人機可以選擇的導航方式更是屈指可數，而未來無人機對導航的穩定性和可靠性等性能提出更高的要求，要增加導航方式的多樣性，技術的自主性，不再依賴于某一項或者某幾項導航技術。因此，擁有完全的自主能力和多種導航技術方式相結合是未來發展方向。

3　羅蘭C系統簡介

3.1羅蘭C由來

羅蘭C系統(long range navigation,Loran)是一種中遠程精密無線電導航系統，它屬于陸基、低頻、脈沖相位導航體制。羅蘭C系統是由美國在二戰期間最先開發建設的，1957年由美國海岸警衛隊建成了世界上第一個羅蘭C臺鏈。我國在20世紀60年代開始研究羅蘭C技術，并于70年代決定建立我國的羅蘭C系統，即長河二號系統。目前長河二號系統已經成為我國完全自主的無線電導航系統[6]。

3.2系統原理

導航中，把具有固定導航參數的點的軌跡線稱為位置線。羅蘭C系統的導航參數是用戶相對于兩導航臺的距離差。位置線是以該兩個地面導航臺為焦點的雙曲線族。一個距離差參數對應一條雙曲線位置線。雙曲線位置線的取得是在接收點測量來自兩個地面臺信號到達的時間差，根據電波傳播速度的恒值性，把時間差轉換為距離差。一個距離差對應于一條雙曲線位置線，多條位置線的交點即為定位點[7](圖1中P即為定位點)。

圖1　雙曲線導航定位原理圖

3.3系統組成及覆蓋范圍

我國羅蘭C(長河二號)系統共有六個地面發射臺，三個系統監測站和三個臺鏈控制中心。六個地面發射臺相互鏈接，構成三個臺鏈。該系統的臺鏈配置和系統參數見表1[8]。

表1　XX臺鏈配置

羅蘭C系統海上最大作用距離可以達到2000km，陸地上最大作用距離可達800km～1200km。我國目前所擁有的羅蘭C信號發射臺可以覆蓋我國南海海區，南沙群島，印支半島，菲律賓中北部地區，朝鮮半島、小笠原群島、日本列島及日本海海區(羅蘭C系統覆蓋區為指定精度優于460m的區域)。基本可滿足我國海軍和其他有關部門對海上導航的要求。可以實現對我國領海和中、遠海海區的導航控制，具有顯著的軍事和經濟效益[9]。

我國長河二號系統臺每一個臺鏈包含一個主臺、兩個副臺、一個監測站和一個控制中心[8]。為了便于管理，將臺鏈控制中心與主臺設在一起構成一個完整的系統發射無線導航信號，用于導航定位。臺、站和控制中心之間用無線或有線方式進行通信。

4　羅蘭C系統作為無人機海上導航

備份的探討

4.1無人機導航擁有備份系統的必要性

目前無人機在飛行過程中主要依靠GPS和慣性導航作為基本導航方式。GPS的主要缺點是該技術由美國控制，它不允許未經批準的用戶將其用于軍事目的；而且美國一再強調，它將保留在任何時候不加警告的對GPS進行加密的權利，因而GPS可以利用但不能對其依賴，GPS只能算是一種半自主導航定位技術[10]。且GPS和我國北斗衛星導航，其最大的缺點就是信號容易受到干擾，尤其是在復雜電磁環境的海上條件下。

GPS在空間、控制、用戶區段都可能遭受敵方干擾，尤其在用戶區段抗干擾能力弱幾乎成了致命傷，該弱點是GPS和其它衛星導航系統所共有的。GPS衛星只有幾十瓦的發射功率，從太空到達地面的用戶接收端要20220km的傳播距離，根據電磁波傳播理論知道，除了有能量擴散衰減外，還有傳輸介質吸收損耗，真正到達用戶接收機的信號微乎其微，實驗也證明:民用L1 C/A碼信號的最低功率電平只有-160dBW，即使通過信號擴頻的技術途徑提高抗干擾能力，也只需要-125dBW的干擾強度就可以將GPS信號干擾掉。而干擾信號距接收機可能近得多，功率也大很多。

可以想象，在復雜海上電磁環境下，衛星導航會顯得極為脆弱，并且一但GPS受到干擾，重新搜索衛星還將需一定的時間，不利于要求實時定位的無人機飛行。因此，絕對不能將GPS等衛星導航系統作為唯一的導航、定位、授時手段，一定要擁有能夠實現主要功能替代的、可靠的其它模式的導航備份系統[11]。

慣性導航的缺點一是在長時間長航程使用中會有較大的誤差積累，每次使用之前還需要長時間的初始對準;二其最主要的缺點是不能提供精準的時間信息。

4.2羅蘭C作為無人機導航備份可行性

1) 從物理因素方面看，衛星/羅蘭C組合導航系統，有三高三低優勢互補的長處。這就是衛星導航定位信號與羅蘭C信號有高頻與低頻優勢互補、低信號電平與高信號電平優勢互補、天基與地基優勢互補。因此，兩種系統由于相同的原因并且同時失效的可能性不大[12]。

2) 羅蘭C系統是24小時不間斷全向發射信號，每個羅蘭C發射臺的設備可確保單臺信號可利用率在0.999之上。實際信號年時間可利用率在0.99左右。羅蘭C信號發射具有很強的連續性，相比較衛星導航系統，不用搜星，在信號覆蓋區域開機即可很快搜到信號，符合無人機實時快速定位的要求。

3) 羅蘭C系統臺站覆蓋范圍大，系統所采用的無線電信號主要是頻段在90kHz～110kHz的地波信號，特點是穩定，不受太陽輻射和氣候、時間等因素的影響。采用的固態大功率發射機，峰值發射功率可以達到2MW[8]，可靠性高，抗干擾能力強，且羅蘭C信號采用的編碼格式和信號波段降低了其受干擾的可能性。此外，要想對羅蘭C信號進行壓制式干擾，對立方必須也建立相應的發射臺，采用高功率、長天線實施干擾，戰時完成這些任務難度相當高，不易實現。

4) 中國的羅蘭C系統定位重復精度高，重復定位精度與相對定位精度可以達到18m～90m。其分布廣泛的導航臺站是我國寶貴的導航系統和信號資源。而且，發揮和挖掘羅蘭C系統的應用潛力也是提高裝備效費比的必然要求。

5) 羅蘭C作為一個獨立的陸基無線電導航系統，不依賴于其它系統，且新增加了授時功能。在我國PNT(導航、定位、授時)體系建設中具有不可替代的作用，可與星基授時系統共同構成較為完整的時空保障體系[13]。

5　結語

無人機對導航系統在高精度、高可靠性和高抗干擾能力方面的要求越來越高，迄今為止還沒有一種單一的導航方式可以滿足這種要求，因此，增加導航方式的多樣性和自主性，將是我們現在和今后無人機研究的主要方向。本文通過分析介紹各種導航方式的優缺點，討論得出羅蘭C系統有條件成為我國無人機海上導航的備份和增強系統。這對無人機性能的提高乃至部隊整體戰斗力的提高都有著非常重要的意義。

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[13] 汪捷,李川章,梁爾冰,等.增強羅蘭技術分析及評估[J].艦船電子工程,2009,29(8):37-40.

Discussion on UAV Seaborne Navigation Backups of Loran-C System

LIU Wenchao1,2WANG GuanghuiLIU Haiyang

(1. Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai264001)(2. No. 92026 Troops of PLA, Weihai264300)

Navigation System is necessary for UAVs. In the future, a growing number demands for stability of UAVs will appear. After analyzing the diversity of UAV navigation method and the impact range of Loran-C System, it comes to conclusion that it is necessary and available to use UAV seaborne navigation backups with Loran-C System. Which needs navigation factors instead of some or more navigation techniques. Full autonomy ability and navigation which combines multiple techniques has become the trend.

UAV, Loran-C, navigation, backup, seaborne

2016年4月1日,

2016年5月26日

劉文超,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向：無線電導航。

V249.328

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.011