在卫星可用性降低时用于弹性PNT的北斗–eLoran融合定位方法

为什么备份导航很重要

现代生活在不知不觉中依赖卫星导航。船舶、飞机、金融网络和电网都依靠来自太空的信号来精确知道“在哪里——以及何时”。但这些信号很微弱，可能被阻断、干扰或欺骗。本文探讨了一种在地面增加强健备份的实用方法，以便在卫星出现故障时仍能维持导航和时钟服务，尤其是对海上船舶而言。

两种截然不同的寻位方式

当今的导航主力是统称为 GNSS 的卫星系统家族，其中包括 GPS 和中国的北斗（BDS）。接收机通过对至少四颗卫星的信号计时来计算位置。如果由于干扰、设备故障或地形遮挡导致可见卫星减少，常规方法就会失效。相比之下，eLoran 是一种现代化的低频陆基无线电导航网络，使用高功率发射台。其信号沿地表传播，极难被干扰，因此作为补充系统比作为卫星的替代方案更具吸引力。

把旧无线电网络变成智能伙伴

单独使用时，eLoran 对许多现代应用来说精度不足。其信号会被大气、地面和沿海地形减速和扭曲，可能导致数百米的定位误差。作者首先展示了如何利用北斗在固定测试点上校准这些扭曲。通过将接收机到每个 eLoran 台的真实距离（由北斗导出）与 eLoran 信号到达所需的时间比较，他们估计出环境造成的额外延迟。随后用卡尔曼滤波对这些延迟校正进行平滑处理，将本来嘈杂的长波信号转变为更可靠的测距来源。

在一个框架内融合天基与地基信号

工作的核心是一种统一的定位方法，它将卫星和 eLoran 测量一起处理，而不是仅把 eLoran 作为粗糙的备份。融合算法旨在使系统在可见卫星数从四颗或更多降到一颗时仍能工作。其做法是建立联立方程，将接收机的未知位置和钟差同时与两类信号联系起来。一个关键创新是动态加权方案：根据当前的卫星几何分布以及 eLoran 延迟校正的稳定性，为每个测量赋予不同的影响力。当卫星几何不佳或 eLoran 路径不稳定时，相应权重会自动降低，使系统能实时自适应。

在繁忙海域的真实船舶试验

研究团队在中国东部海域进行了测试，该区域有若干 eLoran 台构成区域网络，与北斗覆盖重叠。校正后，单独使用 eLoran 的水平误差约为 19 米，较未校正时有巨大改善。团队随后考察了混合配置：一颗卫星加三座 eLoran 台、两颗卫星加 eLoran 等，一直到四颗卫星。随着可用卫星增多，精度稳步提高。然而即便只有一颗卫星、三座 eLoran 台并加上接收机位于海平面的简单约束，系统仍能达到约 12 米的水平精度——而标准的仅卫星解法在卫星数量不足以解算方程时会完全失效。

缓和降级，而非突然失效

为模拟真实干扰，作者在固定点和船舶移动试验中有意切换卫星信号的可用性。他们观察到，当卫星信号丢失时，误差虽增大但仍维持在数十米范围内，而不是灾难性地发散。一旦卫星信号恢复，融合系统很快重新收敛，在大约两秒内恢复到米级精度。简言之，通过将卫星可见性降低重新表述为“可观测量多少的变化”，而不是立即判定为失败，这项研究展示了天基与地基无线电的智能组合能在会使传统仅 GNSS 接收机失灵的问题发生时，仍然平稳地维持导航与时钟服务。

引用: 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

关键词: 弹性导航, 北斗, eLoran, GNSS 备份, 海事定位