1.背景：①eLORAN系統(tǒng)簡介②eLORAN系統(tǒng)組成③eLORAN系統(tǒng)特點(diǎn)④eLORAN系統(tǒng)工作原理
2.PNT體系下的eLORAN：①戰(zhàn)略背景②特性分析
3.eLORAN面臨的問題和應(yīng)對(duì)措施：①面臨的問題②應(yīng)對(duì)措施
4.未來應(yīng)用分析：①結(jié)合5G無線技術(shù)②結(jié)合具體應(yīng)用優(yōu)化部署③結(jié)合多導(dǎo)航源實(shí)現(xiàn)區(qū)域、局域定位和授時(shí)④開發(fā)手持eLORAN接收機(jī)應(yīng)用局域GNSS服務(wù)⑤提供更具安全性的GNSS備份服務(wù)
5.結(jié)語
01
1.1 eLORAN系統(tǒng)簡介
eLORAN是繼LORAN-C系統(tǒng)之后最新的“長距離輔助導(dǎo)航”系統(tǒng)，由美國在2006年提出。其是一種國際標(biāo)準(zhǔn)化的導(dǎo)航、定位和授時(shí)系統(tǒng)，在航空非精密儀器進(jìn)場，海港進(jìn)出港、陸地移動(dòng)車輛導(dǎo)航、定位和精確授時(shí)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。由于eLORAN系統(tǒng)是完全獨(dú)立于GNSS的陸基導(dǎo)航系統(tǒng)，它可以在衛(wèi)星服務(wù)中斷或者沒有GNSS信號(hào)的地區(qū)為用戶提供定位和高精度授時(shí)。
圖1 eLORAN概念示意圖
1.2 eLORAN系統(tǒng)組成
一個(gè)eLORAN系統(tǒng)由以下的要素組成：
（1）信號(hào)：eLORAN具備獨(dú)特的數(shù)據(jù)通道，發(fā)射臺(tái)可以通過數(shù)據(jù)通道發(fā)射校正、告警和信號(hào)完整性等信息給用戶接收機(jī)。數(shù)據(jù)通道也可以用來播發(fā)授時(shí)、衛(wèi)導(dǎo)差分以及短消息等信息。
（2）發(fā)射臺(tái)：可在不依賴GNSS的情況下同步協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC），其具備較高的時(shí)間頻率控制精度和連續(xù)不間斷工作發(fā)播性能。
（3）控制中心：快速響應(yīng)系統(tǒng)故障，制定嚴(yán)格的維修計(jì)劃以便將影響降到最低，具備更高的安全防護(hù)措施。
（4）監(jiān)測站/差分站：實(shí)時(shí)監(jiān)測信號(hào)，實(shí)時(shí)向控制中心提供正常位置信號(hào)或差分信號(hào)，以保障整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)接收的完好性，提高用戶定位精度。
（5）用戶設(shè)備：接收視野內(nèi)所有eLORAN信號(hào)，進(jìn)行解碼，并對(duì)信息進(jìn)行綜合處理應(yīng)用。
具體組成如下圖所示：
圖2 eLORAN組成圖
1.3 eLORAN系統(tǒng)特點(diǎn)
在傳統(tǒng)LORAN-C系統(tǒng)基礎(chǔ)上，結(jié)合最新的數(shù)據(jù)通信技術(shù)、接收機(jī)技術(shù)、天線技術(shù)和發(fā)射機(jī)系統(tǒng)，使系統(tǒng)能夠具備GNSS的備份和補(bǔ)充功能。
具體而言，eLORAN系統(tǒng)使用固態(tài)發(fā)射塔，數(shù)字信號(hào)和新波形，另外有以下特點(diǎn)：
eLORAN信號(hào)具有一定優(yōu)勢，尤其是可以不受視線限制進(jìn)行傳輸，可以穿透室內(nèi)環(huán)境，通過計(jì)算eLORAN發(fā)射站任意一對(duì)信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行授時(shí)。當(dāng)可以使用不同發(fā)射機(jī)的多個(gè)信號(hào)時(shí)，精度和性能會(huì)得到提高。eLORAN信號(hào)提供的全國覆蓋能力將取決于發(fā)射塔安裝地點(diǎn)的數(shù)量。此外，eLORAN基于差分校正技術(shù)的接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)，時(shí)間傳遞精度會(huì)優(yōu)于100納秒，差分校正的定位精度約為20米。
1.4 eLORAN系統(tǒng)工作原理
一個(gè)eLORAN系統(tǒng)的工作原理圖如下所示：
圖3 eLORAN系統(tǒng)工作原理
02
2.1 戰(zhàn)略背景
美國政府在2008年至2015年間進(jìn)行了大量研究后決定并建立eLORAN系統(tǒng)。此外，美國政府贊助的國家天基PNT咨詢委員會(huì)在2010年和2018年指定了eLORAN作為確保國家關(guān)鍵PNT能力的一部分。美國國防部于2019年發(fā)布《定位導(dǎo)航與授時(shí)體系戰(zhàn)略》，其提出了全球、區(qū)域和局域三層級(jí)綜合PNT體系應(yīng)用構(gòu)想，旨在確保美國軍用PNT優(yōu)勢。eLORAN被定位為美軍未來綜合PNT體系架構(gòu)的區(qū)域PNT層，作為衛(wèi)星導(dǎo)航精確定位的補(bǔ)充手段。
2.2 特性分析
2.2.1 作為GNSS備份的特點(diǎn)
特性與GNSS不同的eLORAN可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域/國家范圍的覆蓋， 在GNSS中斷或拒止情況下，eLORAN是GNSS的天然備份，因?yàn)檫@兩個(gè)系統(tǒng)不共享任何故障模式 ，具體如下：
圖4 eLORAN作為GNSS的備份示意圖
GNSS與eLORAN的相關(guān)比較如下：
2.2.2 韌性授時(shí)基準(zhǔn)應(yīng)用
作為GNSS備份的主要方面，eLORAN在作為韌性授時(shí)基準(zhǔn)方面具備先天優(yōu)勢。高精度時(shí)間在基礎(chǔ)設(shè)施、行業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用更為廣泛，對(duì)于維持系統(tǒng)正常運(yùn)行極為關(guān)鍵。2018年的《國家授時(shí)韌性和安全法案》要求美國運(yùn)輸部（DOT）“提供陸基，韌性和可靠的替代授時(shí)系統(tǒng)的構(gòu)建、保持和操作”，以作為GPS的備份授時(shí)基準(zhǔn)，這表明美國越來越重視授時(shí)系統(tǒng)的韌性與安全，對(duì)陸基授時(shí)系統(tǒng)由GPS的“補(bǔ)充”演變?yōu)椤皞浞荨?，甚至是“可替代系統(tǒng)”，對(duì)eLORAN的重視程度逐步提升。
2020年10月26日，美國韌性導(dǎo)航授時(shí)基金會(huì)發(fā)布《國家韌性授時(shí)體系架構(gòu)》報(bào)告，對(duì)國家韌性授時(shí)架構(gòu)的建設(shè)要求和實(shí)施措施進(jìn)行了描述，提出以GNSS、陸基eLORAN系統(tǒng)和光纖三種途徑，分三階段建立國家授時(shí)體系架構(gòu)。具體是以光纖建立國家級(jí)授時(shí)網(wǎng)，并通過建設(shè)25個(gè)eLORAN站和75個(gè)差分eLORAN站，以實(shí)現(xiàn)全球?qū)印^(qū)域?qū)雍途钟驅(qū)拥臅r(shí)間韌性和備份、可信授時(shí)接入、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施支持、以及科研應(yīng)用等戰(zhàn)略目標(biāo)。
2021年11月，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）發(fā)布了《美國關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)協(xié)調(diào)世界時(shí)的實(shí)現(xiàn)和分配的韌性架構(gòu)》的技術(shù)報(bào)告，其中明確使用eLORAN進(jìn)行間接的時(shí)間同步，與世界協(xié)調(diào)時(shí)直接同步，并對(duì)未來eLORAN系統(tǒng)的可能架構(gòu)，以及時(shí)間同步方法進(jìn)行了描述。相關(guān)設(shè)想的全美分布的eLORAN站的情況如下：
圖5 全美分布的eLORAN站的覆蓋范圍
03
3.1 面臨的問題
3.1.1 外在威脅
基于當(dāng)前作為GNSS的備份系統(tǒng)以及韌性授時(shí)基準(zhǔn)，eLORAN與GNSS沒有任何共同的故障模式，但其和GNSS共同面臨以下三大威脅：
一是網(wǎng)絡(luò)攻擊，美國GPS系統(tǒng)的運(yùn)行控制系統(tǒng)（OCX）被譽(yù)為最安全的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在防止網(wǎng)絡(luò)攻擊方面可避免常見的網(wǎng)絡(luò)漏洞，而eLORAN由于體制和技術(shù)較為落后，其控制系統(tǒng)并未能考慮到現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)攻擊。
二是物理攻擊，美國GPS衛(wèi)星星座在避免物理攻擊方面做了特殊設(shè)計(jì)，其在距離地球20000公里的地方以數(shù)公里/秒的速度移動(dòng)。而物理攻擊eLORAN發(fā)射機(jī)，在理論上將更容易，其是固定的且位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的陸地，一般有數(shù)百英尺高、且需要配備大量電源。
三是空間氣候，GPS容易受到惡劣空間氣候的影響，其可能損壞衛(wèi)星或暫時(shí)阻礙信號(hào)從太空傳播到地球。然而，惡劣的空間氣候也可能破壞eLORAN發(fā)射機(jī)所依賴的兆瓦電網(wǎng)。目前尚無特殊手段保護(hù)eLORAN服務(wù)免受惡劣太空天氣（如卡靈頓事件）的影響。
3.1.2 內(nèi)在問題
結(jié)合eLORAN面臨的外在威脅，其面臨的內(nèi)在問題有：
一是設(shè)備性能問題：LORAN的定位精度在任意環(huán)境中的穩(wěn)定性和使用方法；eLORAN尚未有任何基于用戶設(shè)備的定位精度、完好性和連續(xù)性的具體措施；eLORAN尚難以確定基于實(shí)現(xiàn)區(qū)域?qū)Ш剿獢U(kuò)展的覆蓋范圍。
二是用戶服務(wù)問題：eLORAN的功能是否能適應(yīng)用戶設(shè)備和高精度定位功能的要求；eLORAN是否能適應(yīng)未來自動(dòng)地面和空中駕駛平臺(tái)、太空導(dǎo)航和汽車道路精確導(dǎo)航等新興民用導(dǎo)航的需求。
三是體系架構(gòu)問題：eLORAN目前尚未有適合的參考站和接收機(jī)配合其實(shí)現(xiàn)全國性授時(shí)的體系架構(gòu)和備份方案；基于上述體系架構(gòu)所需的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本較高；相關(guān)設(shè)施的替換和新建將產(chǎn)生不可預(yù)知的影響；eLORAN接收機(jī)的花費(fèi)和效益目前無法估計(jì)。
四是未來地位問題，對(duì)于美國PNT體系的未來，是否應(yīng)該投資eLORAN目前尚需時(shí)間驗(yàn)證。
3.2 應(yīng)對(duì)措施
3.2.1 外在威脅
一是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊，可通過增強(qiáng)控制系統(tǒng)的安全性，防止信號(hào)被干擾和數(shù)據(jù)被操控。由于eLORAN具備更強(qiáng)的信號(hào)，其抗干擾的能力將更強(qiáng)，但也需要從源頭考慮控制系統(tǒng)安全性的問題。
二是針對(duì)物理攻擊：仔細(xì)選擇發(fā)射臺(tái)位置以及為合適站點(diǎn)設(shè)置安全選項(xiàng)將有助于阻止攻擊并在可能的情況下減輕影響；選擇更多樣化的PNT源以減輕相應(yīng)影響。
三是針對(duì)空間氣候，可通過采用衛(wèi)星和地面信號(hào)結(jié)合的方式減輕影響。
3.2.2 內(nèi)在問題
一是針對(duì)設(shè)備性能問題：可達(dá)到的精度將取決于用戶相對(duì)電臺(tái)的位置以及如何對(duì)誤差源進(jìn)行建模；目前基于eLORAN的使用需要結(jié)合目標(biāo)用例同步設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；基于太空信號(hào)無法獲得和GNSS信號(hào)安全性考慮，替代方案必須廣泛且易于獲取，因此覆蓋范圍應(yīng)盡可能大。
二是針對(duì)用戶服務(wù)問題：當(dāng)前用戶需要考慮需求、其應(yīng)用所需的能力，以及技術(shù)發(fā)展趨勢；基于混合所有PNT源的整體概念，可支持某些PNT的備份應(yīng)用。
三是針對(duì)體系架構(gòu)問題：政府仍然保有LORAN-C臺(tái)站的所有權(quán)，相關(guān)的架構(gòu)研究依然在持續(xù)；引入自動(dòng)化技術(shù)將大大降低基礎(chǔ)設(shè)施成本；eLORAN的研制和建造將更少；可根據(jù)計(jì)劃的應(yīng)用和所需的國家/國際標(biāo)準(zhǔn)化水平確定接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。
四是針對(duì)未來地位問題，可通盤考慮全球、區(qū)域和局域解決方案，權(quán)衡每種解決方案的成本與可用覆蓋范圍。
04
結(jié)合GNSS備份的可行性，eLORAN未來可能的應(yīng)用分析如下：
4.1 結(jié)合5G無線技術(shù)
通過LORAN技術(shù)來支持5G技術(shù)發(fā)展，需要從傳統(tǒng)的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)向更連續(xù)的波形并降低功率傳輸。優(yōu)化OFDM信號(hào)結(jié)構(gòu)中的內(nèi)置正交性。這意味著接收器將能夠檢測到來自遠(yuǎn)地塔的非常微弱的信號(hào)，同時(shí)接收來自非常強(qiáng)的近地塔的信號(hào)。這種對(duì)近遠(yuǎn)效應(yīng)的魯棒性對(duì)于陸基導(dǎo)航的使用至關(guān)重要。數(shù)據(jù)通道的容量顯著增加到2.6kbps以上。這可能會(huì)為其他服務(wù)選項(xiàng)和/或減少現(xiàn)有服務(wù)選項(xiàng)的延遲提供機(jī)會(huì)。
4.2 結(jié)合具體應(yīng)用優(yōu)化部署
eLORAN可達(dá)到的精度將取決于用戶相對(duì)電臺(tái)的位置以及如何對(duì)誤差源進(jìn)行建模。在此方面，英國燈塔管理局的eLORAN服務(wù)于2015年投入使用，為英國東海岸的七個(gè)港口提供了8-10m(均方根95%概率)的定位精度，其基于本地參考站可有效管理時(shí)間誤差，說明結(jié)合具體應(yīng)用進(jìn)行eLORAN部署完全滿足相關(guān)應(yīng)用的定位精度要求。
4.3 結(jié)合多導(dǎo)航源實(shí)現(xiàn)區(qū)域、局域定位和授時(shí)
基于遠(yuǎn)距骨干網(wǎng)和局域高精度關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的需求，降低對(duì)易受干擾的天基信號(hào)的依賴，2021年12月，美國UrsaNav公司通過將eLORAN技術(shù)與Locata公司的高精度局域技術(shù)相結(jié)合，聯(lián)合設(shè)計(jì)了一種可靠的韌性PNT解決方案。eLORAN提供納秒級(jí)授時(shí)、米級(jí)定位和短消息服務(wù)；Locata提供厘米級(jí)定位和皮秒級(jí)授時(shí)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域、局域結(jié)合的定位和授時(shí)能力。
4.4 開發(fā)手持eLORAN接收機(jī)應(yīng)用局域GNSS服務(wù)
歐空局導(dǎo)航創(chuàng)新與支持計(jì)劃（NAVISP）2022年創(chuàng)新項(xiàng)目中明確提出開發(fā)新型手持eLORAN接收機(jī)，并基于手持設(shè)備的體積開發(fā)eLORAN手持設(shè)備天線，實(shí)現(xiàn)通過足夠的功率，保證在室內(nèi)和室外都能接收和處理eLORAN信號(hào)的能力，以實(shí)現(xiàn)GNSS無法使用或性能下降時(shí)的局域定位授時(shí)服務(wù)，這將是未來該設(shè)備向局域GNSS服務(wù)邁進(jìn)的一個(gè)方向。
4.5 提供更具安全性的GNSS備份服務(wù)
現(xiàn)代密鑰、加密、身份驗(yàn)證和其他技術(shù)的進(jìn)步和集成將有助于使eLORAN技術(shù)和系統(tǒng)更安全、更有韌性。
05
eLORAN憑借其與GPS信號(hào)的不同，且成熟可靠，啟用成本不高，幾乎滿足了所有用戶的需求。作為GPS的可靠備份，其可在未來區(qū)域?qū)Ш筋I(lǐng)域發(fā)揮重大作用，支撐建設(shè)韌性、可控、靈活的國家級(jí)陸基定位和授時(shí)系統(tǒng)，以滿足遠(yuǎn)距骨干網(wǎng)和局域高精度關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的需求。
（全文完）
參考鏈接：
[1] https://www.gpsworld.com/10-answers-about-eLORAN/ 10 answers about eLORAN
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