WAAS衛星播發電文一致性分析

王啟舟，李銳,*，張晶燦，張超

1. 北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100191

2. 民航局 空管局技術中心，北京 100015

1 引言

目前GNSS已廣泛運用于民用航空、測繪、國防軍事和農業等重要領域，為了滿足民用航空和國防軍事等對精度、完好性、連續性和可用性更高的要求[1]，國際民航組織提出了星基增強系統(satellite-based augmentation system，SBAS)的概念。目前美國、歐盟、日本和印度的星基增強系統都已建設完成投入使用，中國、俄羅斯和韓國的星基增強系統正在建設中。

以美國的WAAS(wide area augmentation system)為例，介紹SBAS的系統結構，比對WAAS不同GEO衛星播發的不同類型的電文數據的異同，主要針對GEO電文MT2(message type 2)、MT3、MT4、MT5播發的快速改正數，MT25播發的長期改正數，MT18播發的電離層網格點掩碼信息和MT26播發的電離層延遲改正信息進行對比。這幾類電文對星歷星鐘誤差和電離層延遲誤差進行修正，直接影響WAAS的性能，對用戶服務至關重要。重點分析這幾類電文播發的一致性，以及用戶使用不同GEO播發電文對服務性能的影響。

2 WAAS架構與廣域差分系統架構的對比

WAAS能為其承諾服務區域內裝有SBAS接收機的航空器用戶提供更加精確的改正數和完好性參數[2]，滿足用戶不同接近階段的需求，不需要機場建設額外的地面設備，具有巨大的經濟效益和社會效益。美國的WAAS系統是建設最早、運行時間最長的SBAS系統，目前WAAS在美國本土能為航空器提供LPV-200的進近服務，在北美有超過13.1萬架航空器裝備了WAAS接收機。

WAAS于20世紀90年代由美國聯邦航空局(FAA)牽頭建設，最終目的是在整個國家空域內為200英尺(約61 m)以下的飛行器提供精密導航服務，在2003年7月完成基本建設并提供初始服務[3]。最初的WAAS系統有25個參考站(WAAS reference station, WRS)、兩個主控站(WAAS master station, WMS)、4個上注站(ground uplink station, GUS)和兩顆GEO衛星。隨著近年WAAS系統的不斷發展，對WAAS的改進涉及系統的各個方面[4-6]，包括但不限于增加地面站、改進電離層修正算法、更新硬件設備，例如接收機和天線。目前，WAAS共有38個參考站，其中4個建設在加拿大，5個建設在墨西哥，有3個主控站，6個上注站和3顆GEO衛星[7]。

WAAS利用大量分布廣泛且已知確定位置的地面參考站接收GNSS衛星播發的基本導航信號，將獲得的包括偽距、載波相位等數據發送到地面主控站。主控站對觀測數據中的各部分誤差區分并建模，計算處理得到相應的差分改正數、完好性參數和降效參數等增強參數，將其編排成增強電文由上行注入站發送給SBAS衛星。用戶將同時接收SBAS衛星持續播發的增強電文與GNSS衛星播發的基本導航信號完成定位解算[8]，達到提高用戶服務性能的目的。WAAS架構如圖1所示。

WAAS提供初始服務時僅有2個主控站保證系統運行，當其中一個主控站因故障或升級而導致失效時，WAAS僅靠一個主控站支持系統運行且沒有其他信息冗余措施，此時WAAS面臨容易丟失空間信號(Signal in Space, SIS)的風險。為了在一個主控站因故障或升級而失效時WAAS依舊有足夠的信息冗余能力應對此類風險，增加了第3個主控站。WAAS部署一顆GEO衛星可能需要3年之久，增加第3顆GEO衛星同樣也是為了當其中一顆GEO衛星失效時，避免WAAS面臨長時間處于僅有一顆GEO衛星運行的局面。WAAS增加的主站、注入站和GEO衛星增強了WAAS系統的完好性和可用性，提高了信息冗余能力，增強系統的可靠性。

完好性是生命安全類用戶需要考慮的重要性能指標[10-11]，WAAS建立之初，為了保證系統的完好性，其接收機設計的基本思想是：每個WRS設置2臺獨立的接收機，得到2路獨立數據流，分別發送到2個主控站進行并行處理交叉驗證[12]。目前WAAS在工程實現中每個WRS設置了3套獨立的監測接收機，形成3路獨立的數據流，均發給3個主控站進行交叉比對驗證。3個主控站分別對不同的數據流進行計算后生成改正數和完好性參數，然后每個主站將其編排成電文發給所有的6個注入站，每2個注入站對應一顆GEO衛星進行上注。

商業應用成熟的廣域差分系統例如Starfire和Omnistar，采用在世界范圍內的數十個雙頻參考站來對差分信息進行收集，使用數顆高頻通信衛星實現對全球范圍的單重覆蓋，實現厘米級的高精度定位。其中Omnistar的布站分布與GEO衛星服務范圍如圖2所示。WAAS架構與廣域差分系統對比如表1所示。

表1 WAAS, Omnistar, Starfire架構

此類廣域差分系統針對石油勘探、精密農業等類靜止用戶提供服務，其系統設計時更關注于提供高精度定位而忽略系統完好性。雖然廣域差分系統參考站與GEO衛星數量不少于WAAS，但其對全球用戶提供服務(南緯75°～北緯75°)，僅能實現通信鏈路的一重覆蓋，而WAAS服務范圍僅為美國本土及周邊，能對通信鏈路實現多重覆蓋。SBAS系統設計理念與廣域差分系統有最本質的區別，SBAS針對民航的高生命安全需求，需要保證系統的可靠性，提供高完好性服務，因此WAAS系統設計時更注重保證系統的高完好性[14-16]。WAAS的高完好性體現在當系統出現故障失效時有足夠的信息冗余能力且能及時準確地告知用戶，即能保證系統在其中一個主控站計算錯誤的情況下仍有一套完好的增強電文播發給用戶。加入第3個主控站和第3顆GEO衛星也是為了當其中一個主控站或者GEO衛星失效時，WAAS依舊能夠擁有足夠的信息冗余能力應對此類風險。WAAS使用不同GEO衛星播發不同數據流解算得到的增強電文，利用SBAS主控站和GEO衛星對服務器的多重覆蓋，從數據源和數據鏈路傳輸上提高系統的可靠性，并對用戶使用SBAS信號做出了規范和約束，從而保證系統的高完好性。

3 WAAS電文對比分析

3.1 長期改正數與快速改正數電文對比

WAAS同時有3顆GEO衛星向用戶播發增強電文，不同GEO分別播發不同主控站發送的增強信息和完好性參數，其中WAAS增加的第3個主控站與第3顆GEO衛星(PRN131)是作為系統的備份以及試驗使用，其播發的電文數據通常不被用戶用于定位解算。選取2020年8月3日—2020年8月9日共一周的GEO133與GEO138播發的WAAS電文進行分析，使用應用于PRN9,10,17,18,20,29,30共7顆衛星的WAAS電文進行比對。

圖3 GEO 133和 GEO 138播發應用于PRN10的時間的對比Fig.3 Comparison of broadcast time between GEO 133 and GEO 138 for PRN 10

圖4 GEO 133和GEO 138應用于PRN10的參考時間t0的對比Fig.4 Comparison of reference time t0 between GEO 133 and GEO 138 for PRN 10

圖5 GEO 133和GEO 138播發的應用于PRN10的δx的對比Fig.5 Comparison of δx between GEO 133 and GEO 138 for PRN 10

其中針對PRN9,20,29,30播發的MT25里各項參數的對比也同樣如此，均在一倍量化間隔以內。

圖6 GEO 133和GEO 138播發的應用于PRN10的的對比 between GEO 133 and GEO 138 for PRN 10

圖7 GEO 133和GEO 138播發的應用于PRN10的δaf0的對比Fig.7 Comparison of δaf0 between GEO 133 and GEO 138 for PRN 10

圖8 GEO 133和GEO 138播發的應用于PRN10的δaf1的對比Fig.8 Comparison of δaf1 between GEO 133 and GEO 138 for PRN 10

圖9 GEO 133和GEO 138播發的針對PRN17的δx對比Fig.9 Comparison of δx between GEO 133 and GEO 138 for PRN 17

圖10 GEO 133和GEO 138播發的針對PRN17的δx對比Fig.10 Comparison of δx between GEO 133 and GEO 138 for PRN 17

MT2-5播發快速改正數，數據齡期為6 s，根據最低運行性能標準RTCA DO-229E規定，對于一個標識為健康的GEO衛星，當MT2-5播發的用戶差分測距誤差(user differential range error indicator, UDREI)小于12才能被用戶用于定位解算[17]。選取同一歷元播發且UDREI<12的快速改正數對比不同GEO衛星播發的快速改正數，如圖11所示。由于快速改正數是對星鐘快變誤差的修正，直接作用在偽距上，快變誤差的隨機誤差要比慢變誤差大，所以相同參考站的不同接收機發送的數據流帶來的增強電文的差異比慢變誤差明顯要大，其中超過一倍量化間隔的歷元在統計數據中的占比為6.89%，顯著高于長期改正數的差異。

圖11 GEO 133和GEO 138 播發的應用于PRN10的快改值的對比Fig.11 Comparison of PRC between GEO 133 and GEO 138 for PRN10

在ECEF坐標系下，將地球中心當作定位點，該點與衛星的徑向方向可作為偽距方向，將長期改正數修正的星歷誤差投影到偽距域上，并與長期改正數計算得到的星鐘改正數和快速改正數相結合，結合值在偽距域上的差值對比如圖12、圖13所示。可以看出，不同GEO衛星播發的電文計算出的星歷星鐘改正數投影到偽距域上的差異最大值為0.56 m，其中超過快改一倍量化間隔0.125 m的組合值占比為17.46%。

圖12 GEO 133和GEO 138播發的應用于PRN10的快改與慢改結合后投影到偽距域上的對比Fig.12 Comparison of combination of fast correction and long term correction in pseudo-range domain between GEO 133 and GEO 138 for PRN10

圖13 GEO 133和GEO 138播發的應用于PRN10的快改加慢改結合后投影到偽距域上的對比的直方圖Fig.13 Hist of comparison of combination of fast correction and long term correction in pseudo-range domain between GEO 133 and GEO 138 for PRN10

本文選取位于美國Stafford地區的MRC100USA測站2020年8月3日—2020年8月9日共一周的數據分別于GEO133與GEO138播發的WAAS電文進行增強定位。結果顯示95%的水平定位精度分別為0.932 1 m和0.927 4 m，95%垂直定位精度分別為0.990 7 m和0.996 2 m，相互差異為毫米級。計算的水平保護級(horizontal protect level，HPL)和垂直保護級(vertical protect level，VPL)如圖14、圖15所示，計算得到的保護級均有較高一致性，差異為分米級。

圖14 GEO 133和GEO 138 播發電文計算的水平保護級差異Fig.14 Difference of HPL between GEO 133 and GEO 138

圖15 GEO 133和GEO 138 播發電文計算的垂直保護級差異Fig.15 Difference of VPL between GEO 133 and GEO 138

其中一個歷元出現保護級差異變大的情況，如圖14、圖15中小圖所示，原因為GEO 138播發的增強參數在當前測站的當前歷元僅使用5顆增強衛星，可增強星數突然變少導致保護級突然變大，而GEO133播發的增強參數可增強衛星數量仍為9顆，水平和垂直保護級沒有跳變。使用不同GEO衛星播發的WAAS電文數據進行增強定位，在用戶端存在幾乎不影響定位精度和保護級的微小差異。對于WAAS而言，其多重覆蓋的播發架構提供的冗余性使得用戶在當前SBAS衛星播發的增強電文出現異常時可以選擇使用另一顆SBAS衛星播發的增強電文進行定位，提高了系統的可靠性。

3.2 電離層網格點掩碼信息與電離層延遲改正信息電文對比

電離層網格點掩碼信息由MT18電文播發，其中播發的參數有邊帶總數、邊帶號、電離層掩碼數據齡期(issue of data-ionosphere, IODI)和 IGP(ionospheric grid points)掩碼。本文統計共7天的數據中，GEO 133和GEO 138播發0、1、2、3、9共5個邊帶的信息。對GEO 133和GEO 138各個邊帶所發送的IGP掩碼進行對比，播發數據中邊帶0存有41個網格點的信息，邊帶1存有61個網格點的信息，邊帶2存有72個網格點的信息，邊帶3存有35個網格點的信息，邊帶9存有97個網格點的信息。在統計數據內，兩顆衛星在任意播發時刻對同一邊帶發送的IGP掩碼完全相同，這5個邊帶的IGP掩碼覆蓋了WAAS承諾服務的美國本土及其周邊地區。

電離層延遲改正信息由MT26播發，其中播發的主要參數為電離層垂直延遲(grid ionospheric vertical delay, GIVD)和電離層垂直延遲誤差標識(grid ionospheric vertical error indicator, GIVEI)。兩顆GEO衛星播發的MT26都循環播發邊帶0、1、2、3、9的GIVE和GIVD。由于兩顆衛星播發時間不相同，選取相同邊帶播發時刻相近歷元的與MT18匹配的網格點值進行比對。根據MT18播發的IGP掩碼，解出306個網格點的經緯度坐標用最大差值、平均差值和差值小于一倍量化間隔比例3個指標對GIVD和GIVEI播發值進行比對分析。為了方便觀測，差值取絕對值。其中對兩顆GEO衛星播發的GIVD分析如圖16～18所示。

圖16 GEO 133和GEO 138 播發的GIVD差值的最大值Fig.16 Maximum difference of GIVD between GEO 133 and GEO 138

圖17 GEO 133和GEO 138 播發的GIVD差值的平均值Fig.17 Mean difference of GIVD between GEO 133 and GEO 138

圖18 GEO 133和GEO 138 播發的GIVD差值小于一倍量化間隔的比例Fig.18 Proportion of GIVD difference broadcasted by GEO 133 and GEO 138 which is less than one quantization interval

可以看出，中間網格位置的差異較少，GIVD差值的最大值基本為0，GIVD差值的平均值也基本為0，小于一倍量化間隔的比例接近100%，有高度一致性；邊緣點GIVD差值的最大值為1 m左右，GIVD差值的平均值為0.03 m，且小于一倍量化間隔的比例顯著變低，大約為95%。

對比兩顆GEO衛星的GIVEI播發值，如圖19～21所示。

圖19 GEO 133和GEO 138 播發的GIVEI差值的最大值Fig.19 Maximum difference of GIVEI between GEO 133 and GEO 138

圖20 GEO 133和GEO 138 播發的GIVEI差值的平均值Fig.20 Mean difference of GIVEI between GEO 133 and GEO 138

圖21 GEO 133和GEO 138 播發的GIVEI差值小于一倍量化間隔的比例Fig.21 Proportion of GIVEI difference broadcasted by GEO 133 and GEO 138 which is less than one quantization interval

可以看出靠近網格中心的值差異較小，一致性較高，靠近邊緣的差異性顯著增大，與對比GIVD播發值的結論一致。WAAS的參考站大量分布在美國本土及周邊國家，在網格中心位置的衛星能被更多參考站觀測到，區域內電離層網格穿刺點垂直延遲計算更為精確，主控站計算播發的電離層延遲改正數與其對應的完好性參數也更為有效，與分析結論一致。

3.3 用戶選擇不同SBAS信號的規范和約束

4 結論

本文對比了WAAS不同GEO播發的電文數據，當SBAS衛星均為健康可用時，兩顆GEO衛星播發的電文存在微小差異。其中長期改正數中的各項參數的差異通常情況下不超過一倍量化間隔，極少數播發值的差異超過一倍量化間隔。而不同GEO衛星播發的快速改正數的差異顯著大于長期改正數，因為快速改正數是對星鐘快變誤差的修正，直接作用在偽距上，不同接收機帶來偽距的隨機誤差較大。對于用戶而言，將長期改正數與快速改正數同時作用在偽距域上，有分米級的差異，在定位域上，95%定位精度有毫米級的差異，保護級有分米級的差異，不同GEO播發電文所引入的差異對定位解的影響可以忽略不計。對于電離層改正數及其完好性參數，在網格中心位置不同GEO衛星播發值差異較小，具有高度一致性，在網格邊緣處一致性顯著降低。

本文同樣對比了備份衛星GEO 131播發的增強電文與其他兩顆GEO衛星播發的電文，統計結果均與上述結論一致。

不同于Starfire和Omnistar等廣域差分系統，WAAS在系統的設計上更注重保證其高完好性。WAAS每個參考站都配備了3套獨立的監測接收機，分別發送觀測數據到3個主控站進行交叉比對，主控站將計算得到的改正數和完好性參數發給6個注入站，實現地面監測網絡的多重覆蓋。每2個注入站對應1顆GEO衛星，實現衛星通信鏈路的多重覆蓋，3顆GEO衛星分別向用戶播發不同的SBAS電文數據，實現下行通信鏈路的多重覆蓋。WAAS系統架構層面上實現完好性實時監測的基礎是必須建立一個足夠可靠的地面監測網絡和衛星通信鏈路。