衛星導航差分系統和增強系統（十一）

+ 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）是美國聯邦航空管理局(Frderal avaiation administration，FAA)主導的星基增強系統（Satellite Based Augmentation Svstem，SBAS），為滿足美國民用航空對GPS更高的定位精度要求，特別是完好性要求，1992年，FAA在美國GPS廣域差分系統（Wide Area Differential GPS，WADGPS）的基礎上，設計了利用位于地球同步靜止軌道的通信衛星（GEO衛星）廣播GPS差分修正數據和完好性信息，實現在北美地區GPS的SBAS服務。WAAS的GEO衛星不僅播發增強信號，作為完好性告警通道，同時還播發測距信號，利用GEO衛星覆蓋范圍大且位置相對穩定的特點，提高GPS星座用戶可見衛星數量。

WA A S 由地面段（WA A S G r o u n d 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個位于美國本土大陸兩端的廣域主控站（Wide-area Master Stations，WMSs）、6個地面上行鏈路站（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，其中地面上行鏈路站一般又稱為地球站（Ground Earth Stations，GESs）。WAAS空間段利用3顆GEO衛星組成，GEO衛星也稱為完好性通道，透明轉發由地面WMSs生成的增強信息。WAAS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。

3.4.1.2 工作原理

WAAS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衛星，GEO衛星作為透明轉發器快速將WAAS增強電文播發給用戶。用戶同時接收GPS和WAAS電文數據后，可以獲取更高精度、更高完好性以及安全性的PNT服務。WAAS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。

3.4.1.3 性能指標

民航飛機利用GPS和WASS增強信息聯合實施導航的過程包括航路、終端區、水平導航（Lateral Navigation，LNAV）、水平導航LNAV/垂直導航VNAV、帶垂直引導的水平進近LPV、LPV-200、一類精密進近（CAT-I）、二類精密進近（CAT-II）和三類精密進近（CAT-III），不同階段依靠不同的系統信息，決斷高度如圖32所示，圖中DA代表決斷高度（Decide altitude），MDA代表最小決斷高度（Minimum Decide altitude）。WAAS為民航提供的導航服務區分為水平導航（Lateral Navigation，LNAV）、水平導航/垂直導航（Lateral Navigation/Vertical Navigation，LNAV/VNAV）、水平進近（Localizer Performance，LP）、帶垂直引導的水平進近（Localizer Performance with Vertical，LPV）四種類型。

FAA的技術中心負責測量和分析WAAS的系統性指標，WAAS根據民航飛機對帶垂直引導的水平進近（LPV-200）的導航要求發布當前服務水平（能力），LPV-200服務水平在WAAS服務區域都是可用的，在服務能力不可用的局部區域，WAAS利用GEO衛星給出服務可用性降級程度的指示信息，例如只提高LPV或者LNAV/VNAV服務，服務可用性區域可以實時顯示在WAAS接收機屏幕上。WAAS的航路、終端區、水平導航（Lateral Navigation，LNAV）、水平導航LNAV/垂直導航VNAV、帶垂直引導的水平進近LPV、LPV-200的的導航性能要求如表15所示。

圖32 民航飛機進近過程中的決斷高度要求

一般利用GPS監測接收機來評估WAAS性能指標，WA A S 設置的一類精密進近（Category-I）的水平告警門限HAL為30m，如果定位誤差大于水平告警門限HAL，在水平保護門限HPL范圍內時，那么將提升系統告警狀態，將導致整個系統喪失可用性，即系統不可用（system unavailable），也可能導致系統連續性出現風險。在任何情況下，真值和測量值之間的誤差應當小于水平保護門限HPL，否則判定為衛星導航系統水平保護門限HPL失效。廣域增強系統WAAS的長期可用性指標是99.9%，在系統正常運行（Normal Operation）時，水平定位的可用性指標為99.999%，垂直告警門限VAL為12m，儀表垂直引導精密進近（Instrument Precision with Vertical guidance，IPV）垂直告警門限VAL為20m。在定位精度、系統完好性和連續性同時滿足指標要求時，系統的可用性指標為99.671%。FAA的技術中心網站www.nstb.tc.faa.gov給出當前實時的和歷史的系統可用性云圖。根據WAAS設計、分析和實測數據，WAAS增強信號的性能指標如表16所示。

W A A S 的最低運行控制性能標準（Minimum Operational Performance Standards，MOPS）定義為差分修正的導航解在垂直保護門限（Vertical Protection Level，VPL）以及水平保護門限（Horizontal Protection Level，HPL）范圍內概率的必須滿足99.99999%。因此，誤差的真值（true error）在107秒內超過保護限的次數不能多于一次。如果計算的保護限超過了相應的告警門限，那么系統將告警，測量的數據不能用于導航服務。如果系統在運行過程中發出了告警信息，必須針對告警信息給出處理措施，否則系統在整個周期內將被宣布不可用。

WAAS的完好性風險定義為系統估算的載體的位置值超過水平告警門限（HAL）或者垂直告警門限（VAL）時，衛星導航系統在規定的告警時間（time-to-alarm）內沒有告警的概率。連續性風險定義為在系統正常工作過程中，系統沒有生成告警信息的概率。WAAS系統給出危險錯誤引導信息（Hazardously Misleading Information，HMI）的概率是每次進近（150 s）小于1×10-7，水平或者垂直定位精度（95%）小于1.6 m。當垂直保護門限VPL小于50m時，最大觀測誤差小于12m（6σ），水平和垂直定位精度（95%）小于4 m。

美國斯坦福大學（Stanford University）在位于美國加利福尼亞州的國家衛星測試床（National Satellite Test Bed，NSTB），對靜態用戶開展了廣域增強系統WAAS的二維平面定位性能評估測試，水平定位性能評估測測試結果如圖33所示，垂直定位性能評估測試結果如圖34所示，直方圖中橫坐標為廣域增強系統WAAS給出的位置已被標定的天線的位置測量值和實際位置之間的誤差，縱坐標為不同導航解下計算得到的保護門限。圖33和34中HMI表示“危險的錯誤引導信息（Hazardously Misleading Information）”，M I 表示“錯誤引導信息（M i s l e a d i n g Information）”。有關WADGPS以及WAAS的實時信息可以訪問美國國家衛星測試實驗臺NSTB網站。

圖33 廣域增強系統WAAS的二維平面定位性能

圖34 廣域增強系統WAAS的垂直定位性能

WA A S 在北美地區的定位精度已由10m(95%)提高到水平3m(95%)垂直3．5m(95%)，完好性滿足航空導航規定的要求，可以實現民航飛機的LPV（垂直指引功能定位信標）和LPV-200能力，可以使飛機在不具備儀表著陸系統（Instrument Landing System，ILS）的機場仍可實現類似于儀表著陸系統的高安全性著陸，儀表著陸系統是目前應用最為廣泛的飛機精密進近和著陸引導系統，ILS由地面兩束無線電信號實現航向道和下滑道指引，建立一條由跑道指向空中的虛擬路徑，飛機通過機載接收設備，確定自身與該路徑的相對位置，使飛機能夠沿著正確方向飛向跑道并且平穩下降高度，最終實現安全著陸。2014年8月，WAAS可為全美提供LPV-200服務，LPV-200服務覆蓋區域云圖如圖35所示，

圖35中深紅色部分代表WAAS服務最好的區域，覆蓋區性能隨時間、空間衛星幾何分布以及空間電離層的變化而變化。WAAS技術規范明確定位精度優于7.6m（95%），但實測水平定位精度優于1.0m，垂直定位精度優于1.5m，因此WAAS能支持用戶CAT-I類精密進近（水平定位精度16m，垂直定位精度4m）。

圖35 WAAS系統LPV-200服務的覆蓋區域云圖（08/14/14 WEEK 1805 DAY 4）

圖36 全美實現WAAS-LPV進近服務的機場分布

美國地基增強系統－LAAS（Local Area Augmentation System）的覆蓋范圍為半徑為30英里左右的區域，可以支持CAT-II/III（II/III類精密進近）。WAAS與LAAS協同工作具備為用戶提供航空飛行各個階段的無線電導航服務。WAAS在2014年在全美實現了LPV-200服務，目前已經公布了3656個LPV飛行程序，在89000架通航飛機上安裝了WAAS設備，全美實現WAAS-LPV進近服務的機場如圖36所示，

目前WAAS只能為美國本土提供GPS的完好性增強服務，WAAS的目標是改善GPS的PNT服務的完好性和定位精度，最終目的是提供直至精密進場著陸的所有飛行階段參數的導航系統。目前FAA正在開展雙頻（L1，L5）多系統（dual-frequency multiconstellation，DFMC）的建設，持續開展GEO衛星升級、現有地面設備的更新換代、技術更新。

WAAS可以向大范圍內的用戶提供精確的定位服務和相應的完好性保障，這就使得服務范圍內的所有機場可以實現精密進近，而且允許設計不同的進近方式并降低開發和使用的費用。WAAS系統不但可以為飛行提供很多便利，同時還大幅度降低了運行和維護成本。在機場安裝一套儀表著陸系統（Instrument Landing System，ILS）設備需要1,000,000至1,500,000美元，而一套WAAS設備僅需50,000美元。在全美范圍內，有600個機場安裝了ILS設備，其每年的維護費用是8,200萬美元，而WAAS可以為5400個機場提供服務，每年的維護費用僅5,000美元。