衛星導航差分系統和增強系統（十）

+ 劉天雄

3.4.1 美國廣域增強系統WAAS

3.4.1.1 系統組成

廣域增強系統（Wide Area Augmentation System，WAAS）是美國的星基增強系統，是為滿足美國民用航空對GPS更高的精度和完好性要求，1992年，美國聯邦航空管理局（FAA）在WADGPS的基礎上設計的。其利用GEO地球同步靜止軌道衛星廣播GPS差分修正數據和完好性信息電文，實現在北美地區GPS系統的完好性增強。WAAS系統的GEO衛星不僅作為完好性告警通道，播發增強信號的同時還提供測距服務，利用GEO衛星覆蓋范圍大且位置相對穩定的特點，對地面用戶高仰角高，作為一個穩定的測距信號源，可補充GPS星座用戶可見衛星數量。

WAAS系統的發展經歷了四個階段，一是初始運行階段（Initial Operating Capability，IOC），2003年已實現目標，2003年7月10日，FAA宣布WAAS系統為民航提供服務，服務范圍覆蓋美國本土95%的區域以及阿拉斯加部分區域。二是全面實現帶垂直引導的水平進近LPV服務（Full LPV Performance），2008年已實現目標，2007年服務區域擴展到加拿大和墨西哥。三是全面實現帶垂直引導的水平進近LPV-200服務（Full LPV-200 Performance），2014年8月，WAAS系統可為全美提供LPV-200服務。四是開展雙頻多系統（dual-frequency multi-constellation，DFMC）兼容互操作研究，進一步提升WAAS系統的可用性，計劃在2014年～2028年期間實現DFMC服務。

目前，WAAS系統支持民航航路、終端、進近以及帶垂直引導的水平進近（Localizer Performance with Vertical，LPV）服務，為美國和加拿大一千多個機場提供儀表垂直引導進近（vertically guided instrument approach）服務，即帶垂直引導的水平進近LPV-200服務（接近CAT-I進近水平），可以引導飛機從200英尺的高度著陸（height above touchdown，HAT）。WAAS系統由地面段（WAAS Ground Segment）、空間段（WAAS Space Segment）和用戶段（WAAS User Segment）三部分組成，其中地面段由38個廣域參考站（Widearea Reference Stations ，WRSs）、3個位于美國大陸兩端的廣域主控站（Wide-area Master Stations，WMSs）、6個地面上行注入站（Ground Uplink Stations，GUS）、2個系統運行中心（operational centers，OC）以及陸地通信網絡（Terrestrial communication Network，TCN）組成，其中地面上行注入站一般又稱為地球站（Ground Earth Stations，GESs）。WAAS系統空間段利用3顆GEO地球靜止同步軌道衛星組成，也稱為完好性通道，透明轉發由地面廣域主控站WMSs生成的增強信息。WAAS系統用戶段通常配置嵌入WAAS模塊的GPS接收機，能夠接收GPS信號的同時接收GEO衛星播發的增強信息，通信協議需要滿足RTCA MOPS DO 229等SBAS相關標準。

WAAS系統地面段38個廣域參考站的位置是確定的，接收GPS信號并將數據送給廣域主控站，廣域主控站處理所有數據并生成含有GPS信號差分改正數及系統完好性信息的增強電文，地面上行鏈路站將增強電文注入給空間段GEO衛星，最后由GEO衛星將增強信息播發給地面用戶。WAAS系統的體系架構和運行控制環境如圖27所示。

圖27 廣域增強系統的體系架構和運行控制環境

圖28 WAAS系統3顆通信衛星覆蓋范圍

WAAS的系統運行中心（OC）分別被稱為美國國家運行和控制中心（National Operations and Control Center，NOCC）及美國太平洋運行和控制中心（Pacific Operations Control Center，POCC），NOCC和POCC的運行和維護系統可以獨立工作，同時互相監控和記錄各自的工作狀態。陸地通信網絡（TCN）提供WAAS系統各個組成環節的通信聯系并用于傳遞WAAS電文數據， TCN由兩套專用的、冗余的、不同體系的網絡組成，以為整個WAAS系統提供高可靠的通信鏈路。WAAS系統的運行幾乎不需要人為干預，是一個自動化系統。

WA A S系統最早利用兩顆海事衛星（Inmarsat-3 F3和Inmarsat-3 F4）廣播GPS增強信息，增強信號只能實現單重覆蓋。目前WAAS系統空間段利用3顆商業地球靜止同步軌道衛星播發增強信息，三顆地球同步軌道衛星分別是Intelsat公司的Galaxy 15衛星（CRW）、Telesat公司的Anik F1R衛星（CRE）、Inmarsat公司的Inmarsat-4 F3衛星（AMR），在美國本土能夠達到三重覆蓋，如圖28所示。

每顆GEO衛星分別從地面上行注入站（GUS）的射頻上行鏈路發射裝置RFU接收C1up和C5up兩路上行C波段注入信號，然后作為彎管轉發器將WAAS信號廣播給用戶。與GPS衛星播發Ll頻點(1575.42MHZ)的C/A碼信號類似，WAAS系統GEO衛星也利用Ll頻點向用戶廣播WAAS增強數據，調制有GPS系統C/A測距碼信號，因此，WAAS系統GEO衛星也可以作為GPS系統的導航衛星使用。WAAS系統GEO衛星軌位及NMEA/PRN編號如表13所示。

表13 WAAS系統GEO衛星軌位及NMEA/PRN編號

WAAS系統規定從系統發現GPS異常到最終用戶收到告警信息，整個過程時延要小于6.2s，并且告警信息的發播通道與鏈路要獨立于GPS自身的信息鏈路，WAAS系統選擇采用地球同步靜止軌道GEO衛星配置C／L透明轉發器作為完好性通道。WAAS設計的成功之處是采用GPS系統Ll頻率(1575.42MHZ)和BPSK調制方式向用戶廣播WAAS增強信號，播發增強信息的同時也提供測距服務，WAAS信號和GPS信號可共用接收天線和射頻信號處理電路，數字基帶處理電路也一致。這樣的系統設計，使WAAS增強型接收機的成本、功耗、體積與普通GPS接收機基本一致，擴大了WAAS的應用領域。

WAAS系統用戶段配置的增強接收機能夠接收GPS導航信號和WAAS系統GEO衛星播發的增強信號，可以共享RF模塊，內置算法略有不同。目前，WAAS-GPS接收機有芯片組（chipset）、混合器件（hybrid component）、輔助板卡（auxiliary card）三種形式，解算結果的數據格式和通信協議符合NMEA、RTCM、NTRIP以及RINEX標準。因此，用戶段不受WAAS增強服務提供商、FAA的控制，完全由衛星導航應用市場來驅動。雖然WAAS系統的初衷是為民用航空用戶服務，但目前很多GPS接收機都配置了WAAS模塊，因此，其他行業的用戶也能利用WAAS系統來提高定位精度同時獲取完好性信息。取得適航資質的WAAS-GPS接收機是行業最高等級的接收機，目前GARMIN、Honeywell、Rockwell Collins、Universal Avionics、CMC Electronics、Avidyne等公司研發的機載WAAS接收機都已取得適航認證，符合RTCA MOPS DO 229等SBAS相關標準要求。用戶利用WAAS系統可以在美國和加拿大2000多個機場實現LPV/LP進近服務。對于沒有生命安全要求的一般導航應用，用戶接收機的利用WAAS信號時，則不需要一定遵守RTCA MOPS DO 229等SBAS相關標準要求。

圖29 WAAS系統工作原理

3.4.1.2 工作原理

WAAS系統參考站分布在規劃的柵格節點上，全天候接收并處理GPS信號和WAAS系統增強信號以及信號傳輸環境(如電離層和對流層)的變化，獲取雙頻偽距、衛星星歷、電離層和對流層延遲等原始觀測數據以及信號健康狀態，將觀測數據實時傳送到主控站，主控站計算處理原始觀測數據后得到衛星軌道和鐘差改正數、電離層分布柵格及電離層延遲修正數、完好性等級及告警信息，然后通過上行注入站（GUS）將增強信息注入給GEO通信衛星，GEO衛星作為透明轉發器快速將WAAS電文轉發給用戶。用戶同時接收GPS和WAAS數據可以得到更高精度、更高安全性的PNT服務，WAAS系統工作原理如圖29所示。WAAS系統提供導航服務的精度和完好性指標與儀表著陸系統ILS相當，可用滿足民航飛機在航路、終端區和部分精密進近階段的導航性能要求。

WA A S增強系統的每個廣域參考站（WRSs）均配置了三套廣域參考設備（Wide-area Reference Equipment，WRE），定義為WRE-A，WRE-B和WRE-C，能夠獨立接收WAAS系統衛星的數據，每套廣域參考設備WRE包括一臺L1和L2雙頻WAAS系統接收機，一臺銫原子鐘，一臺數據采集處理器（Data Collection Processor，DCP）。3個廣域主控站（WMSs）中的任何一個均能獨立開展WAAS系統差分和完好性數據處理任務，每個WMSs均配置一個差分和驗證系統（corrections & verification，C&V），C&V系統由兩臺差分處理器（Corrections Processors，CP）和一臺安全計算機（Safety Computer，SC）組成，其中安全計算機又由兩臺安全處理器（Safety Processors，SPs）和一臺比較器組成。C&V系統接收廣域參考設備（WRE）數據，其中差分處理器（CP）計算衛星時鐘和星歷差分改正數，安全計算機（SC）計算電離層延遲改正數，同時給出具有較高置信度的衛星時鐘、星歷以及電離層延遲誤差邊界（error bounds），以確保CP的計算結果的有效性。然后通過陸地通信網絡（TCN）將時鐘、星歷以及電離層延遲差分改正數據傳遞給地面上行注入站（GUS），GUS通過C頻段上行鏈路將上述數據以WAAS系統電文的方式注入給WAAS系統的GEO衛星。為了保持上行鏈路的可靠性，WAAS系統選擇位于不同地理位置的兩個GUS給每顆GEO衛星注入WAAS電文。每個GUS配置信號生成系統（Signal Generation Subsystem，SGS）和一個射頻上行鏈路發射裝置（RF Uplink，RFU），SGS系統由地面上行注入站GUS處理器（GUS Processor，GP）和WAAS電文處理器（WAAS Message Processor，WMP）組成，GP與WMP之間通過標準的RS-232同步串口建立通信鏈路。WMP按規范生成WAAS電文，射頻上行鏈路發射裝置（RFU）將WAAS電文注入給GEO衛星。

WAAS系統數據處理流程如圖30所示，參考站接收GPS衛星信號并處理GPS衛星數據以確定每顆GPS衛星的差分修正數據和完好性信息，每顆GPS衛星的差分修正數據和完好性信息被打包成為WAAS系統電文，地面上行注入站將WAAS系統電文上傳給GEO衛星（每5秒上注一次），GEO衛星利用GPS系統的L1頻點將WAAS增強信號透明轉發給用戶，WAAS系統L1信號同GPS系統L1 C/A信號生成方式一致，每顆WAAS系統衛星具有唯一的偽隨機測距碼（pseudo-random noise，PRN），與GPS系統的測距碼為一個碼族，WAAS系統電文被偽隨機測距碼擴頻，WAAS系統接收機接收WAAS增強信號后可以解調出每顆GPS衛星的差分修正數據和完好性信息，同時解算出當前的位置和保護門限（protection level），由于每顆GEO衛星也播發測距信號，因此，也可以近似作為GPS星座中的導航衛星使用，可以進一步改善GPS星座的GDOP值，使系統的連接性和可用性都獲得增強。

WAAS系統首次采用了柵格化模式，對服務區進行分割細化監管。通過在服務區內廣泛分布大量的參考站形成數據采集柵格，分別采集各自站點對衛星的觀測數據、氣象數據、電離層延遲數據并上報主控站，主控站處理后形成服務區內不同柵格服務能力的等級劃分，從而實現對整個服務區內導航服務質量全面的實時監測與評估。服務區柵格化的另一個重要作用是對導航服務區上空的電離層分布進行實時精確測量與監視。電離層受太陽日照光化學的影響，以及對流過程的影響，曲面分布不規則且變化復雜，只有利用柵格化監管方式，把復雜的電離層曲面細化分割，才能實現對導航服務區上空電離層分布曲面的整體描繪。電離層柵格分布向單頻用戶廣播后，用戶利用內插方式修正各衛星導航信號傳播路徑上的電離層延遲，減小這一重要誤差項。

圖30 WAAS系統數據處理流程

WA AS系統以計算誤差邊界（er r or bounds）的方式給出系統完好性信息，在考慮所有誤差源之后，誤差邊界用于計算系統保護門限（protection levels）。完好性信息包括用戶差分測距誤差UDRE和格網電離層垂直誤差GIVE兩部分數據，其中用戶差分測距誤差UDRE表征為快速差分（Fast Corrections，FCs）和長期差分（Long Term Corrections，LTCs）項的殘余誤差（residual error），用戶差分測距誤差UDRE用快速差分FC電文播發；格網電離層垂直誤差GIVE表征為電離層格網點（I onospheric Grid Points，IGP）導航信號延遲的改正數（IGP Corrections，ICs）的殘余誤差，格網電離層垂直誤差GIVE和電離層格網點延遲改正數ICs每5分鐘播發一次。

WAAS系統接收機通過接收GPS系統標準定位服務信號和WAAS系統播發的增強信號，可以以較高置信度的誤差邊界獲得高精度的位置解算結果，其中差分改正數據用于修正GPS系統標準定位服務的偽距觀測量，完好性數據用于計算完好性邊界（integrity bounds），也稱為保護門限（protection levels，PL）。根據具體的飛行任務，WAAS用戶接收機可以選擇計算水平保護門限（Horizontal protection levels，HPL）或者同時計算水平保護門限HPL和垂直保護門限（Vertical protection levels，VPL），通過比較保護門限和告警門限（alert limit thresholds，ALT），WAAS用戶接收機可以給領航員報告警告信息，WAAS系統設計可以保證的完好性告警時間（Time to Alert，TTA）不超過6.2 s，否則WAAS接收機自主完好性/可用性評估相關函數（RAIM/FDE）會在8 s內給出告警信息。

如果民航用WAAS系統垂直引導飛機起降，用戶接收機利用完好性數據計算“保護圓柱（protection cylinder，PC）”，保護圓柱PC是由航空無線電技術委員會（Radio Technical Commission for Aeronautics，RTCA）定義的最小操控性能標準（Minimum Operational Performance Standard，MOPS），即RTCA/DO-229定義的相關內容，WAAS系統完好性保護圓柱簡圖如圖31所示。

用戶接收機首先應用WAAS系統偽距和星歷差分改正數據計算當前的位置，然后利用用戶差分測距誤差UDRE數據、格網電離層垂直誤差GIVE數據計算水平保護門限HPL和垂直保護門限VPL，這些保護門限PL數據可以建立可視化的系統完好性保護圓柱，如圖31中內部深色的圓柱所示。WAAS系統完好性保護圓柱的中心線位于接收機計算的飛機位置坐標，計算結果具有不確定性，接收機的計算結果分別和保護門限PL及告警門限ALT比較，對于每次飛行任務而言，可以告警門限ALT是一個確定的告警圓柱，如圖31中外部的圓柱所示。告警門限圓柱的中心線與保護圓柱一致，也是接收機計算的飛機位置坐標，正常情況下，飛機的真實位置在圖31所示的內部深色的完好性保護圓柱范圍之內。

圖31 WAAS系統完好性保護圓柱示意圖

如果在某次飛行任務中，WAAS系統給出的完好性數據導致保護門限PL范圍太大以至于超出了完好性告警門限ALT范圍，WAAS接收機將給領航員系統不可用的指示信息。例如，如果LPV告警限超出了設計指標，那么WAAS接收機將給領航員系統當前不可用的指示信息，在這個場景下，很可能由于水平導航（Lateral Navigation，LNAV）的告警限范圍相對比較大，因此，WAAS接收機給領航員系統當前LNAV仍然可用的指示信息。如果用戶的位置誤差（position error）超出了系統保護門限（protection levels）的時間差超出了完好性告警時間（Time to Alert，TTA），那么WAAS系統將給出危險錯誤引導信息（Hazardously Misleading Information，HMI）。

如果在某次飛行任務中，WAAS系統給出的完好性數據導致保護門限PL范圍太小以至沒有覆蓋飛機的真實位置，這種情況被稱為“underbound condition”，如果underbound condition的時間差超出了完好性告警時間TTA，那么WAAS系統也給出危險錯誤引導信息HMI。WAAS接收機無法檢測underbound condition情況，WAAS系統完好性算法將確保在任何情況下用戶差分測距誤差UDRE和格網電離層垂直誤差GIVE兩部分完好性數據不會造成underbound condition情況發生。

WAAS的完好性監測與處理更強調安全性、可靠性與快速性，因此采用獨立數據采集、數據并行處理、平行一致性檢驗，以及交叉驗證結構。(1)每個參考站采用獨立的3臺接收機同時觀測采集GPS導航衛星、WAAS同步衛星的數據，通過合理性檢驗與一致性檢驗，從中選擇符合一致性的2臺接收機的數據上報主控站數據處理中心；(2)上報的兩套數據分別在主、備兩個主控站同時并行處理；(3)每個主控站收集齊所有參考站上報的兩組數據，同時在兩個獨立的數據處理流程中并行處理，兩個流程的結果必須通過平行一致性檢驗后才輸出給上行注入站(GUS)；(4)主、備兩個主控站的處理結果分別送往對應注入站時，同時也交叉互送，實現對兩個主控站處理結果的交叉正確性驗證；(5)最終處理結果只有通過了所有平行一致性檢驗和交叉正確性驗證后，再通過WAAS完好性通道向外廣播。

WAAS系統增強信號必須與GPS導航信號聯合使用才能保證對用戶的增強服務。因此，WAAS增強信號體制的設計最大限度地保持了與GPS的兼容與互操作性，既保證對GPS服務能力的增強，又不會對GPS原有服務造成干擾或不良影響，主要特點包括：(1)WAAS采用與GPS同樣的大地坐標基準，保持與GPS時間基準的同步；(2)WAAS的導航信號頻率、體制、調制方式，擴頻碼的類型、速率，到達地面的信號通量密度等主要參數保持與GPS的L1民用信號完全一致。這種系統設計縮小了WAAS用戶接收機與一般GPS接收機的差異，極大地減少了研發、生產成本，縮短了WAAS用戶接收機的開發周期，也有利于這套新系統在市場上的推廣應用；(3)為了保持WAAS導航信號與GPS導航信號在空間傳輸上的一致性，WAAS不惜采用了復雜的控制方式，創造性地采用了天地系統閉環實時測量與控制的方式，解決了導航信號的時間、空間基準統一和擴頻碼與載波相位的相干性兩個關鍵技術問題。

首先是導航信號的時間、空間基準統一問題。GPS導航載荷的時間、頻率基準都在星上，發射出來的信號都以衛星空間坐標為起點，而WAAS的時間頻率基準、發射信號的位置基準都在地面，通過轉發器轉發的整個傳輸過程中增加了很多環節的附加時延，導致WAAS的時間、空間基準與GPS存在明顯差異。WAAS地面控制系統需要根據衛星位置的實時變化，動態調整擴頻碼的相位(包括在導航電文中修正時間的起始點)，補償上行路徑延遲與各種傳輸時延，使WAAS信號的發射時間起始點始終虛擬保持在同步衛星上。

其次是擴頻碼與載波相位的相干性問題。GPS導航信號的載波頻率、擴頻碼速率、信息數據率之間保持整數倍關系，都是以1.023MHz為基準產生，具有強相關特性。這種特點使GPS擴頻碼測距的變化與載波相位測距的變化規律完全一致，一般靜態或低動態用戶常見的一種用法就是采用載波相位平滑偽距的算法，降低擴頻測距的隨機誤差以得到更高的測量精度。而WAAS導航信號在傳輸過程中經過了同步衛星透明轉發器，由于轉發器變頻器本振的頻率基準與地面頻率基準完全不相關，破壞了WAAS導航信號擴頻碼與載波的相關特性。為此，WAAS地面控制系統采用特殊數據處理方法動態調整地面鐘，維持擴頻碼與載波的高度相關特性，使接收WAAS衛星信號的用戶也可以沿用載波相位平滑偽距的算法。

WAAS增強信息包括測距信號、差分改正數以及系統完好性信息三個分量，其中測距碼信號與GPS系統L1 C/A信號類似，可以改善民用航空用戶的導航可用性；差分改正數包括衛星的軌道、時鐘以及電離層延遲等誤差的改正數；系統完好性信息主要為涉及生命安全應用的用戶提供系統可用性信息；此外還包括時間、用戶差分測距誤差UDRE、格網電離層垂直誤差GIVE、對流層延遲模型以及服務水平降級等一些輔助信息。WAAS增強信號接口特征載波頻率、電文結構、通信協議以及WAAS增強信息數據等內容，WAAS系統L1頻點增強信號的主要接口特征如表14所示，

此外，為民航用戶服務時，WAAS信號還需滿足航空機載設備相關要求，主要包括多普勒頻移（Doppler Shift）、載波頻率穩定性（Carrier Frequency Stability）、極化方式（Polarization）、偽碼/載波頻率相干性（Code/Carrier Frequency Coherence）以及相關損失（Correlation Loss）等內容，

· 多普勒頻移： 在最壞情況下，穩態用戶的多普勒頻移小于40m/s， 在L1頻點的多普勒頻移近似為210Hz ；

· 載波頻率穩定性： 排除電離層延遲和多普勒頻移后，在用戶接收機天線的輸入端處的載波頻率短期穩定性（Allan方差的平方根值）優于5x10-11/1s～10s；

· 極化方式： 右旋圓極化，軸比小于2 dB；

· 偽碼/載波頻率相干性：偽碼相位率（code phase rate）和載波頻率之間的頻率差（fractional frequency difference）短期內（＜10sec）小于5x10-11 (1 sigma)；偽碼相位變化（轉化為載波周期）與載波相位變化之間的差異長期內（＜ 100sec）應當在一個載波周期之內(1 sigma)；

· 相關損失： 由于信號調制過程中的不理想或者轉發器濾波損失引起的相關損失小于1 dB。

綜上所述，WAAS增強信號與GPS導航信號的主要差異有兩方面，一是導航電文的信息數據速率、格式略有不同，GPS信息速率是50bps，而WAAS為了快速發播的需求，采用了更高的500bps信息速率；二是WAAS導航電文內容、格式存在較大差異，以GPS差分數據、電離層柵格等數據為主，同步衛星星歷直接以空間三維坐標、速度、加速度方式表示，區別于GPS星歷格式；由于WAAS導航信號功率未增大，而導航電文信息速率卻增加了，因此，為了保證用戶在低仰角時，信號電平較低情況下保持導航電文的解調能力(誤碼率)，WAAS導航電文采用了卷積碼，區別于GPS采用一般的CRC校驗碼。

表14 WAAS系統L1頻點增強信號的主要接口特征