[科普中国]-罗兰-C定位系统

简介

罗兰系统Loran（long range navigation），是美国在二战期间研发的远程陆基无线电导航定位系统，在其后的时间里进行了多次修改，出现了多种版本，比如在20 世纪50 年代，美海军和岸警卫队联合研制的罗兰C（Loran- C）系统，Motorola 公司设计的Loran- D 和Loran- E 等。

前苏联建设的恰卡（Chayka）是与其类似的定位系统，我国也在20 世纪90 年代建成了长河二号导航系统。目前在世界上共有三大罗兰C 系统管理组织，分别是远东罗兰（FERNS）、北美罗兰（NAL）和西北欧罗兰（NELS）。

截止2007 年全球共有25 个罗兰C 台链在工作。罗兰C 系统覆盖区是指定精度（2 倍DRMS）优于460 m 的区域1。

工作原理和基本组成为了能在全球绝大部分的海面上实现导航，罗兰C 导航系统的一个发射台链至少包括了三个导航台，一般是四个到五个，其中一个称为主台（M），其余称为副台（W，X，Y，Z）。每个导航台都通过装配的铯原子钟保持严格的时间信息同步。每一链内各导航台的信号不是同时发射的，而是主台在先，各副台相对主台发射的滞后时间称为发射延迟，不同的副台具有不同的发射延迟，这些时延值必须相应大于从主台至各个副台的基线传输时延，和收发设备电路对主台信号时延之和。

系统组成包括发射设备和用户接收设备。固态发射机是导航台的核心设备，它由四部分组成：控制单元（CU）、功率产生器（HCG，又称半周产生器）、耦合输出和开关转换网络、主供电单元（PPU）2。

对罗兰C 作为GPS 备份的分析1 美国关闭罗兰发射台的政策及解析

美国海岸警卫队2010 年2 月7 日发布一份联邦纪事公告：从2月8 日至10 月1 日将陆续关闭24 个发射台中的19个，留下5 个与加拿大、俄罗斯有协议的发射台。同时，国土安全部已证实罗兰C 系统的基础建设已经跟不上需求，已经不需要作为GPS 的多模式备份系统。而GPS 可以满足联邦导航的需求，它将开始全面接替罗兰C 系统进行大型交通工具的导航工作。

根据管理部门的评估，GPS 生命安全导航应用或者其他关键应用的备份，可以采用其他无线电导航系统或运作程序，或者是这些系统和程序的组合。GPS 授时应用的备份可采用一个高精度晶体振荡器或原子钟或一个连接授时源（可追溯至通用协调时（UTC））的通信链路。

尽管电信公司以及某些政府机关仍在使用罗兰C 系统，但在经济危机的大背景下，这也是不得已而为之。据称，停止罗兰C 系统将为美国国库在2010 年节省3600 万美元的开支，未来五年内将为美国节省1.9 亿美元。

不过，可以确信：一旦有安全需要或者经济状况好转的情况下，罗兰C 系统可能会重启。

2 GPS 拥有备份系统的必要性

GPS 在空间区段、运行与控制区段、用户区段都可能遭受敌方干扰，其中在用户区段抗电磁干扰能力弱几乎成了致命伤，该弱点是GPS 和其它卫星导航系统所共有和固有的。由于GPS 卫星只有几十瓦的发射功率，并且需要经过20220 km 的距离到达地球表面的接收机，而干扰信号距接收机可能近得多，功率也可能大很多。

而实验也证明：民用L1 C/A 码信号的最低功率电平只有-6 dBW，即使其通过信号扩频的技术途径提高抗干扰能力，也只需要3.1623×10- 12 W的干扰信号强度便可以将民用GPS 信号干扰掉。而根据GPS 规范，GPS L1 P（Y）的信号强度比C/A 的低3 dB，L2 P（Y）又降低3 dB，所以军用GPS 接收机抗压制干扰能力也不是很强。

用户区段的干扰，从来源上可分为故意干扰和无意干扰，从技术上可以分为欺骗式干扰和压制式干扰。无意干扰一般属于压制干扰，故意干扰则可能是欺骗式干扰，也可能是压制式干扰。

可以想象，在复杂电磁环境下的战场空间，会使得卫星导航变得极为脆弱。因此，绝对不能将GPS 等卫导系统作为唯一的导航、定位、授时手段，一定要拥有能够实现主要功能替代的、可靠的其它模式备份系统。

3 罗兰C 作为BD/GPS 备份的可行性

首先，BD/GPS 和罗兰C 的特性明显不同，可归纳为“三高”对“三低”：天基对陆基、高频对低频、低信号电平对高信号电平。因此，两种系统因为同样的原因同时失效的可能性很小，二者的互补有客观的物理基础。

第二，罗兰C 信号可采用的编码格式降低了其受干扰的可能性。此外，要想对罗兰C 信号进行压制，敌方必须也建立发射台，采用高功率、长天线实现干扰，战时完成这些任务难度相当高，不易实现。

第三，罗兰C 既是一个独立的无线电导航系统，又能发播DPGS 和BD/GPS 完善性信息来增强BD/GPS，这是其它的广域增强系统所没有的。并且，如果罗兰C 发射台能象BD/GPS 那样与UTC保持同步，并在一个组合的BD/GPS/ 罗兰组合系统中，就可以看作是一颗BD/GPS 卫星或伪卫星。

第四，在电信、电力和计算机等网络系统中，罗兰C 定时接收机作为BD/GPS 备份已不可或缺。一般地，当BD/GPS 不可用时，本地石英晶振或铷频标只能提供短期保持的能力，而罗兰C 则提供长期的替代支持。例如，可查找用户位置的移动手机和第三代无线移动通信系统，它们对时间和频率参考的要求也将变得更加严格，石英晶振将不能满足要求，铷频标也只能提供短暂的保持能力（1- 10天），而罗兰C 可无限期的提供符合要求的服务。

第五，在城市环境中，罗兰C 信号的绕射能力可以弥补BD/GPS的不足。

总结GPS 用户区段在复杂电磁环境中的脆弱性很难从根本上克服，我国正在建设的北斗系统必将遇到同样情况。尽管美国政策调整使得国际罗兰C 发展事业受到较大冲击，但是由于罗兰C 其自身特性，使其完全可以成为卫星导航的最佳备份。在北斗建成和完善前，在我国尚无应对卫星导航受干扰的有效应对手段前，应当从我国的实际国情出发，继续保持和发展罗兰C 技术和装备将是必然选择3。