用于接收機測試的WAAS模擬技術

王緒寧 孫彩英 張熙

1.中國電子科技集團公司第五十四研究所；2.中國西安衛星測控中心

隨著衛星導航應用的發展，導航終端已在各個領域獲得了廣泛的應用，對其進行全面的測試評估已成為廣泛共識并且需求迫切。在室內受控條件下對WAAS接收機進行測試時，需要構建仿真信號環境，為導航接收機提供信號激勵，同時可對WAAS仿真信息進行精確靈活控制，提供各種典型條件下的WAAS仿真場景，為接收機提供完備、精確的WAAS信號環境，同時為接收機WAAS信號處理功能測試評估提供精確的評判基準。

本文研究了一種WAAS模擬技術，實現了WAAS系統GEO衛星星座、GPS廣域增強信息和WAAS信號的模擬。WAAS系統主要由監測站、廣域主控站、GEO衛星和上行注入站等組成，系統構成及數據處理復雜。相對于WAAS系統的復雜數據處理方法，針對WAAS模擬器的應用特點，簡化了WAAS信號生成過程，使用靈活可控的數據模擬方法。WAAS模擬技術已使用商業接收機進行了驗證，應用于機載接收機導航信號環境模擬中。

1 WAAS系統簡介

廣域增強系統(WAAS)是美國基于衛星的增強系統，于1992年開始，由聯邦航空管理局(FAA)為民航機構研制。其目的是要在覆蓋美國本土的范圍內使GPS民用服務的精度、完好性、連續性和可用性達到民用航空從航路到I類精密進近的要求。系統于2003年底開始運營，目前支持在美國和加拿大的1000多家機場的數千架飛機上運行。WAAS服務區域包括美國大陸、阿拉斯加、加拿大和墨西哥，WAAS系統覆蓋區域和體系架構如圖1所示。

圖1 WAAS系統覆蓋區及體系結構 Fig.1 WAAS system coverage area and architecture

WAAS系統主要由38個廣域監測站（Wide Area Reference Station-WRS）、3個廣域主控站（Wide Area Master Station-WMS）、3顆地球同步衛星（GEO Satellites-GEO）、6個地面上行注入站（Ground Uplink Subsystem）組成。終端用戶接收GEO衛星傳輸的增強信號，對信號進行處理得到增強信息。信號中包含測距信息，差分改正信息和完好性信息，以保證GNSS導航信號的完整性。

（1）GEO測距信號：GEO衛星發射和GPS L1信號類似的測距信號，以增加向用戶提供的導航衛星的數量。

（2）廣域差分信息：對現有的GPS和GEO導航服務的差分修正,以提高導航服務的性能。

（3）GNSS完好性信息：提供導航系統的完好性信息,以告知GPS和GEO安全導航服務的可用性。

2 WAAS模擬系統構成

WAAS模擬系統的服務對象是具備GPS星基增強功能的接收機，提供接收機端的WAAS模擬信號。WAAS模擬系統由WAAS信息處理單元和WAAS信號產生單元構成，兩者通過網絡進行信息傳輸。信息處理單元由通用計算機和數據處理軟件構成，負責生成WAAS仿真場景，建立WAAS系統的仿真模型，確定增強信息參數。實現系統的星座、電離層、對流層、系統完好性和用戶軌跡仿真，并由仿真信息生成衛星測距信息、GPS導航電文、WAAS增強信息，將信息通過網絡送往導航信號產生單元。導航信號產生單元將信息處理單元的仿真信息調制到導航信號上，產生仿真的GPS導航信號及WAAS仿真信號。WAAS模擬導航系統構成如圖2所示，其中GPS模擬器和接收機為外部輔助系統，和WAAS模擬系統一起構成一個完整的模擬導航系統。

圖2 WAAS模擬導航系統構成Fig.2 Composition of WAAS simulation navigation system

3 廣域差分信息仿真

WAAS模擬系統仿真并生成廣域差分改正數，廣域差分改正數的完好性信息是通過對各類改正數的誤差進行評估來確定的。廣域差分改正數包括衛星鐘差改正、衛星星歷改正和電離層格網點垂直改正。鐘差和衛星星歷都是與衛星有關的誤差改正，分別在快速鐘差修正和慢變改正信息中給出；網格點電離層垂直延遲改正以格網形式表示，包括電離層垂直延遲改正和誤差估計；對流層誤差和用戶所處位置環境有關，由用戶自行確定，不在增強信息處理范圍。WAAS模擬系統在發播廣域差分信息時，使用如表1所示種類的WAAS電文，其中類型6完好性信息、類型24快速/長期改正項信息和其他信息內容重復，類型12時間信息為非必須內容，可根據需要選擇是否播發。

表1 仿真的WAAS電文類型Tab.1 Simulated WAAS message types

4 GEO測距信息仿真

播放WAAS增強信號的GEO衛星具備向終端用戶提供測距信號的能力，可以增加用戶端可用測距信號的數量，改善系統的幾何分布因子，提高系統的可用度。在仿真GEO衛星偽距時，需要考慮對應GEO衛星的快速差分修正信息，衛星的慢變改正參數不適用于GEO衛星的修正，GEO偽距計算公式如式(1)所示：

其中：

t

：偽距計算時刻；

5 完好性信息仿真

完好性信息仿真為快變改正、長期改正、電離層延遲改正精度評估信息及降效系數。快變精度評估信息及降效系數在電文類型2-5、類型6和類型7中播發，長期改正降效系數在電文消息類型10、類型25和類型28中播發，電離層改正降效參數在電文類型10和類型26中播發。完好性參數種類繁多，WAAS系統一般在進行改正數據綜合處理，信號監測后和改正信息一起給出，系統實現復雜，不適用于導航信號仿真實現。在本系統WAAS信號仿真時，設置典型的完好性信息作為模板，用戶可根據需要對完好性信息進行調整，滿足靈活仿真控制的需求,主要參數參考設置如下：

用戶差分距離誤差：UDREI=0；快變改正數降效因子：UDREI降效因子=0；電文類型10降效參數：

I

=6，

I

=6，

I

=60，

I

=240，其余值可設置為0；電離層：GIVEI=0。

6 電文生成

電文生成將仿真的WAAS差分改正信息、GEO衛星信息和完好性信息，按照信息播發要求分配到不同類型的導航電文幀中，轉換成比特流數據，添加幀頭、幀類型和CRC校驗，然后對數據幀進行編碼。WAAS電文數據的播發速率為250bps，由8bit幀頭，6bit幀類型，212bit數據和24位CRC校驗構成。數據組幀后，采用前向糾錯（FEC）碼進行編碼，實現方式為二分之一卷積編碼，輸出數據的速率為500sps。為保證增強信息的實時性和有效性，WAAS各類信息需要滿足最大更新時間，否則將導致超時，對于精密進近等關鍵應用，超時后導致相關衛星信號不可用。在典型的仿真32顆衛星增強信息的條件下，使用表2頻度生成并播發WAAS增強信息，滿足增強信息的完整性和實時性要求。

表2 WAAS電文更新間隔Tab.2 WAAS message update interval

各類信息的播發頻度依據仿真的目的進行調整，以實現是否觸發增強信息超時或無效的仿真效果。

7 WAAS信號產生

WAAS信號產生單元完成由信號描述信息、信號搭載信息的信號實現，生成搭載有WAAS增強信息的WAAS測距信號。WAAS系統采用與GPS L1相同的信號頻率和偽碼,并與GPS系統時間同步。信號結構分3個層次：用于長距離傳輸和多普勒測速的調制載波；用于距離測量的擴頻碼；用于傳送信息的基帶數據。導航信號的數學表示如式(3)所示:

式中，

A

為信號幅度；

PN

(

t

))為偽隨機碼；

D

(

t

)為數據；

cos

(2

πft

)為調制載波。

信號產生單元主要包含主控單元、基帶信號產生單元和射頻調制單元。主控單元負責信息處理、邏輯控制和外部通信工作；基帶信號產生單元完成偽碼生成、偽距控制、基帶信號產生功能；射頻調制單元完成信號的正交調制、上變頻、功率控制和信號合路等功能。生成的WAAS仿真信號和GPS仿真信號合路后通過射頻鏈路送往WAAS接收機，構成完整的WAAS仿真信號環境。

8 結論

隨著衛星導航技術的發展，導航信號模擬仿真技術也在不斷改進。目前,導航信號模擬仿真技術已從單純的導航系統信號模擬發展到針對不同行業、不同應用的模擬，包括星基增強系統、地基增強系統、組合導航系統模擬等。本系統的WAAS模擬技術，可以構成可控WAAS信號環境，為深入對相關接收機進行測試，實現在各種復雜、臨界條件下的接收機測試，提供了有效的手段。