Метод слияния BDS и eLoran для устойчивого определения положения и времени при сниженной доступности спутников

Почему резервная навигация важна

Современная жизнь незаметно зависит от спутниковой навигации. Суда, самолёты, финансовые сети и электросети — все опираются на сигналы из космоса, чтобы точно знать где и когда они находятся. Но эти сигналы слабы и их можно заблокировать, заглушить или подменить. В этой статье рассматривается практический способ добавить надёжный резерв на Земле, чтобы навигация и синхронизация времени продолжали работать даже при сбоях спутников, особенно для судов в море.

Два принципиально разных способа ориентироваться

Основной инструмент навигации сегодня — семейство спутниковых систем, известное как GNSS, в которое входят GPS и китайская BeiDou (BDS). Приёмники вычисляют своё положение, измеряя время приёма сигналов от как минимум четырёх спутников. Если видимых спутников становится меньше из‑за помех, отказов оборудования или географии, привычный метод перестаёт работать. В отличие от этого, eLoran — современная версия старой наземной радионавигационной сети с мощными передатчиками низкой частоты. Его сигналы распространяются по поверхности Земли и крайне трудны для заглушения, что делает eLoran сильным кандидатом на роль дополнительной системы, а не замены спутников.

Превращение старой радиосети в умного партнёра

Сам по себе eLoran недостаточно точен для многих современных задач. Его сигналы замедляются и искажаются атмосферой, грунтом и прибрежным рельефом, что может приводить к ошибкам положения в сотни метров. Авторы сначала показывают, как измерения BeiDou можно использовать для оценки и устранения этих искажений на фиксированной испытательной площадке. Сравнивая истинное расстояние от приёмника до каждой станции eLoran (полученное с помощью BeiDou) с временем прихода eLoran‑сигнала, они оценивают дополнительную задержку, вызванную средой. Эти поправки задержки затем фильтруются фильтром Калмана, превращая шумный длинноволновой сигнал в значительно более надёжный источник дальномерных измерений.

Слияние космических и наземных сигналов в единую схему

Сердце работы — унифицированный метод позиционирования, который рассматривает спутниковые и eLoran‑измерения совместно, а не использует eLoran лишь как грубый резерв. Алгоритм слияния спроектирован так, чтобы продолжать работу при уменьшении числа видимых спутников от четырёх и более до одного. Это достигается записью объединённых уравнений, связывающих неизвестные положение приёмника и его часов с обеими наборами сигналов. Ключевое новшество — динамическая схема взвешивания: каждому измерению придаётся большая или меньшая значимость в зависимости от текущей геометрии спутников и того, насколько стабильны поправки задержки eLoran. Когда геометрия спутников плоха или пути eLoran выглядят нестабильными, их веса автоматически уменьшаются, позволяя системе адаптироваться на ходу.

Испытания на реальных судах в оживлённых морях

Исследователи протестировали подход в восточных морях у побережья Китая, где несколько станций eLoran образуют региональную сеть, перекрывающую зону покрытия BeiDou. После коррекции eLoran в одиночку дал горизонтальные ошибки порядка 19 метров, что представляет собой огромное улучшение по сравнению с некорректированными параметрами. Команда затем рассмотрела смешанные конфигурации: один спутник плюс три станции eLoran, два спутника плюс eLoran и так далее, вплоть до четырёх спутников. По мере увеличения числа спутников точность последовательно росла. Тем не менее даже при наличии одного спутника, трёх станций eLoran и простого ограничения, что приёмник находится на уровне моря, система достигла примерно 12‑метровой горизонтальной точности — тогда как стандартное решение только на спутниках полностью бы провалилось из‑за недостатка спутников для решения уравнений.

Плавная деградация вместо резкого отказа

Чтобы смоделировать реальные нарушения, авторы целенаправленно отключали и включали спутники в ходе испытаний как на стационарной площадке, так и на движущихся судах. Они наблюдали, что при потере спутников ошибки росли, но оставались в пределах десятков метров, а не расходились катастрофически. Как только спутниковые сигналы возвращались, система слияния быстро восстанавливала работу, восстанавливая точность до уровня метров примерно за две секунды. Короче говоря, рассматривая снижение видимости спутников как управляемое изменение «насколько много наблюдаемо», а не как немедленную ошибку, исследование демонстрирует, что разумное сочетание космических и наземных радиосигналов может поддерживать услуги навигации и синхронизации времени через проблемы, которые вывели бы из строя обычные приёмники только GNSS.

Цитирование: Li, J., Wu, H. A BDS–eLoran fusion positioning method for resilient PNT under reduced satellite availability. Sci Rep 16, 13349 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43921-x

Ключевые слова: устойчивая навигация, BeiDou, eLoran, резерв GNSS, морское позиционирование