卫星导航广域增强系统结构及特点*

(中国西南电子技术研究所，成都610036)

1 引 言

卫星导航系统的服务关系到大量用户的生命、财产安全，特别是作为民用系统时，更强调服务的质量和安全性，要求系统具备定位、授时等服务高精度；确保系统的完好性、可用性、连续性等服务质量；要求系统具备应有的强壮性，包括系统的冗余性、更好的服务区监管能力。这些特殊需求决定了卫星导航系统的结构、技术发展的独特性，区别于一般的卫星应用系统。

美国的全球卫星导航系统(GPS)首先作为军用系统，继而向民用开放的定位和设计思想，决定了它存在以下不足，即使将来系统升级以后也不能得到全面解决：

(1)GPS导航服务的提供是单方向的，即系统对提供的定位精度、服务质量没有闭环监测和反馈能力。从全球覆盖范围的实际情况来看，不同覆盖区不同位置GPS提供的定位服务精度不同，并且还会随时间变化，而一旦出现系统定位服务精度严重下降、异常情况，仅依靠GPS本身地面保障系统的架构与分布无法做到及时发现、反馈；

(2)GPS没有快速告警手段和通道，发生系统异常或中断情况时不能及时把告警信息通报广大用户，可能导致大量用户仍使用错误的导航信息，引发大规模的风险和损失；

(3)GPS军用L2频点不对民用开放，一般民用用户只能采用L1单频服务，不能采用双频测量方法自主消除电离层延迟这一较大误差项，导致定位精度受限不能满足民用飞行导航需求，特别是飞行起降的精度和服务要求。

为了增强GPS民用服务的质量、安全性以及工作效率，美国联邦航空局(FAA)率先针对单频民用用户建设了完整的GPS增强系统，包括广域增强系统(WAAS)以及局域增强系统(LAAS)等，这两种系统都是差分原理的进一步拓展，需要与GPS联合使用。以GPS/WAAS为主要无线电导航手段，可以完整地保障航空飞行机场到机场间的自动飞行全过程，进一步结合LAAS系统可以实现飞行器在机场的自动起降过程。

以GPS提供的标准服务为基础，如果增加覆盖全球的广域增强系统，使它成为全球通用的主要无线电导航手段，就可以形成完整的星基增强系统(SBAS)。利用这套系统可以实现飞行器的全球自主导航和自由飞行，使跨洋或洲际性国际航线设计彻底摆脱对地面导航台分布的依赖和限制，大大缩短飞行里程，缩短飞行时间，节省燃油，解决不断上升的油料价格问题；对于机场来说，利用这套系统后可以有效控制飞机间的起降间隔，大大提高跑道的起降使用效率，在同一个空域内减小各飞行通道间的间距，增加飞行并行通道的数量，在节约物资、人力、时间资源等方面创造的直接和间接效益不可估量。

2 国内外发展

2003年7月，美国WAAS已正式运行，由2个主控站、25个参考站以及4颗海事卫星(Inmarsat)组成(目前启用2颗海事卫星运行，主要覆盖美国本土)。下一步的升级工作包括：参考站将会增加到38个，提高对美国本土、阿拉斯加，以及墨西哥、加拿大的覆盖，并增加1个主控站和2颗同步卫星，以增加系统资源的冗余度，提高服务的连续性和扩展服务覆盖区域。进一步的研究也会针对GPS增加的民用导航新频点(L5)，以及增加对Galileo系统的增强设计[1]。

在美国开始建设WAAS后，全球其它国家或地区也纷纷建设了各自独立的广域增强系统，包括欧洲的EGNOS系统、日本的MSAS系统和天顶星系统(QZSS)、我国的卫星导航增强系统(SNAS)，以及印度的GAGAN系统[2]，如图1所示。

图1 目前世界各国建立的星基增强系统

需要强调的是，所有这些系统都还限于区域覆盖性质，是不完整的，只有实现全球联网才能真正发挥这套系统的效能。目前，美国的WAAS、加拿大的CWAAS、欧洲的EGNOS、日本的MSAS已开展了第一步的兼容与互操作试验，而我国建设的卫星导航增强系统还未具备与国际上其它同类增强系统的兼容与互操作性。

3 系统组成与工作原理

作为一种GPS天基增强系统，整个WAAS系统由主控站、地面参考站网络、地面上行注入站(GUS)、完好性通道(同步卫星GEO)，以及用户接收机组成。服务区内大量参考站密集分布在规划的栅格节点上，同时采集GPS卫星/WAAS卫星的双频伪距、星历、对流层延迟等原始观测数据，实时传送到主控站，主控站处理后生成卫星位置、钟差等差分改正数，电离层分布栅格，以及完好性等级/告警数据等增强数据，通过上行注入站(GUS)向GEO发送，通过GEO透明转发器快速转发给用户接收机，用户结合GPS和WAAS两种导航数据可以得到更高精度、更高安全性、可靠性的导航定位服务。

图2 WAAS系统组成框图

局域增强系统(LAAS)则是一种GPS地基增强系统，配置在机场，受美国国家航空管理系统的统一管理，以支持更精确的航空运输交管工作，包括飞机全天候的精确进场着陆过程，机场上空的精确导航和调度管理等。LAAS利用差分载波相位平滑伪距修正算法增强GPS标准服务，修正信息通过VHF频段向视距内的飞机广播，覆盖机场周围小区域(约45 km半径范围)。与WAAS相比较，LAAS具有更高的定位精度、可用性、连续性和完好性，完好性监测着重在机场小区域范围，告警速度也更快，可以提供垂直定位精度达到0.5～1 m，优于自动着陆2.5 m的标准要求，可以直接应用于中小型飞行器的自动起降过程。

FAA提出的WAAS第一次把导航作为一项服务，全面定义了服务质量要求[3]，包括：

(1)高精度。通过广播的修正信息，可以使GPS定位精度从100 m(SA开)提高到水平约2～3 m、高程7 m的精度，可以直接引领一般飞行器跨区域的跑道至跑道的整个飞行过程，甚至可以实现一般大中型飞行器的起降过程；

(2)完好性。完好性是指为确保导航安全，当卫星导航系统出现异常、故障或精度不满足要求时，实时向用户发出告警的能力。完好性指标直接影响着卫星导航系统的系统精度、系统连续性和可用性等其它几项指标，并最终直接关系到大量最终用户的生命财产安全，因此整个系统的完好性监测设计将直接影响大系统的构架和设计，并且会一直伴随整个系统的生命周期过程；越是系统运行的后期，随着星地系统设备的老化衰退，完好性的重要性就越发重要；

(3)连续性。连续性是指用户飞行计划阶段中预计的服务质量(包括精度、完好性监测)，与实际飞行过程中导航系统提供的服务质量相比较，预计与实际过程相符合的概率。需要注意的是，只要系统硬件失效或导致工作中断的告警信息都会导致这一服务质量考核指标下降，而48 h以前就已预测到的卫星失效则不会影响这一指标；

(4)可用性。可用性是指整个系统的导航功能和异常检测功能都正常工作的概率，包括整个GPS/WAAS星地系统、空间导航服务信号，系统提供服务的精度、完好性、连续性都能满足工作要求。

4 系统技术特点

WAAS最重要的特点是提出了系统增强这一全新结构，并且具有星座增强、服务区栅格化监管、完好性监测与处理结构、完好性通道、兼容与互操作设计等技术特点。

4.1 星座增强

WAAS计划采用4颗同步卫星，既作为GPS星座的增强，也作为完好性告警通道，实现准全球覆盖。同步卫星覆盖范围广，位置稳定，对地面用户高仰角工作，没有中轨卫星起落的影响，作为一个稳定的测距信号源，可补充GPS星座有效可见卫星数量，增强系统的星座分布和稳定性，一方面减小定位几何因子(GDOP)，提高了系统定位服务的精度，同时也增强了系统的可用性，增强了系统自主完好性的管理能力。

4.2 服务区栅格化监管[1]

WAAS首次采用了栅格化模式，对服务区进行分割细化监管。通过在服务区内广泛分布大量的参考站形成数据采集栅格，分别采集各自站点对卫星的观测数据、气象数据、电离层延迟数据上报主控站，主控站处理后形成服务区内不同栅格服务能力的等级划分，从而实现对整个服务区内导航服务质量全面的实时监测与评估。

服务区栅格化的另一个重要作用是对导航服务区上空的电离层分布进行实时精确测量与监视。电离层受太阳日照光化学的影响，以及对流过程的影响，曲面分布不规则且变化复杂，只有利用栅格化监管方式，把复杂的电离层曲面细化分割，才能实现对导航服务区上空电离层分布曲面的整体描绘。电离层栅格分布向单频用户广播后，用户可以利用内插方式修正各卫星导航信号传播路径上的电离层延迟，减小这一重要误差项。

4.3 完好性监测与处理结构

WAAS的完好性监测与处理更强调安全性、可靠性与快速性，因此首次采用了独立数据采集、数据并行处理、平行一致性检验，以及交叉验证结构[5]。

(1)每个参考站采用独立的3台接收机同时观测采集GPS导航卫星、WAAS同步卫星的数据，通过合理性检验与一致性检验，从中选择符合一致性的2台接收机的数据上报；

(2)上报的两套数据分别在主、备两个主控站同时并行处理；

(3)每个主控站收集齐所有参考站上报的两组数据，同时在两个独立的数据处理流程中并行处理，两个流程的结果必须通过平行一致性检验后才输出给上行注入站(GUS)；

(4)主、备两个主控站的处理结果分别送往对应注入站时，同时也交叉互送，实现对两个主控站处理结果的交叉正确性验证；

(5)最终处理结果只有通过了所有平行一致性检验和交叉正确性验证后，再通过WAAS完好性通道向外广播。

4.4 完好性通道

WAAS标准规定从系统发现GPS异常到最终用户收到告警信息，整个过程时延要小于6 s，并且告警信息的发播通道与链路要独立于GPS自身的信息链路，因此WAAS选择采用同步卫星携带的透明转发器(弯管转发器)作为完好性通道。WAAS最终选用覆盖全球的4颗海事同步卫星(Inmarsat)的C/L转发器作为完好性通道，具有以下特点：

(1)同步卫星覆盖范围广，工作在透明转发模式，告警信号传输延迟小、可靠性高，没有存储再转发方式带来的多环节延迟、误码比对与纠错的问题；紧急情况下快速发布告警信息的能力大大提高，便于实现6 s内快速告警的目标；

(2)整个完好性通道的星地系统架构简单，数据的形成在地面完成，星载设备简单，可靠性高，造价和长期维护费用低；

(3)完好性告警通道一方面广播导航系统异常告警信息、完好性等级，同时也广播广域差分数据，包括卫星轨道修正、钟差的快慢变化、电离层延迟栅格分布等；

(4)注入站上行C频段信号经过透明转发器转下行时，同时变频为L1频段和C频段信号转发，用于测量同步卫星位置形成精密星历，以及测量同步卫星上下行信号传播路径上的电离层延迟。

4.5 系统兼容与互操作设计

兼容与互操作特性既是实现WAAS内部协调一致工作的关键，也是实现全球同类GPS增强系统联网工作的关键。根据目前全球卫星导航系统国际委员会(ICG)的定义，卫星导航系统兼容与互操作的定义是：

(1)兼容性定义：全球或区域卫星导航及其增强系统的工作能力，不管是独立使用或综合使用，对任意一个独立系统本来的服务和能力都不会导致不可接受的干扰或其它损害；

(2)互操作定义：用户综合使用多个系统得到的服务水平(定位、导航、授时)等效或超过其中任意一个系统单独提供的服务水准。

WAAS导航信号必须与GPS导航信号联合使用才有意义，因此 WAAS导航信号体制的设计最大限度地保持了与GPS的兼容与互操作性，既保证对GPS服务能力的增强，又不会对GPS原有服务造成干扰或不良影响，主要特点包括：

(1)WAAS采用与GPS同样的大地坐标基准，保持与GPS时间基准的同步；

(2)WAAS的导航信号频率、体制、调制方式，扩频码的类型、速率，到达地面的信号通量密度等主要参数保持与GPS的L1民用信号完全一致。这种系统设计缩小了WAAS用户接收机与一般GPS接收机的差异，极大地减少了研发、生产成本，缩短了WAAS用户接收机的开发周期，也有利于这套新系统在市场上的推广应用；

(3)为了保持WAAS导航信号与GPS导航信号在空间传输上的一致性，WAAS不惜采用了复杂的控制方式，创造性地采用了天-地系统闭环实时测量与控制的方式，解决了两个关键技术问题：

1)导航信号的时间、空间基准统一的问题：GPS导航载荷的时间、频率基准都在星上，发射出来的信号都以卫星空间坐标为起点，而WAAS的时间频率基准、发射信号的位置基准都在地面，通过转发器转发的整个传输过程中增加了很多环节的附加时延，导致WAAS的时间、空间基准与GPS存在明显差异。为此，WAAS地面控制系统根据卫星位置的实时变化，动态调整扩频码的相位(包括在导航电文中修正时间起始点)，补偿上行路径延迟与各种传输时延， 使WAAS导航信号的发射时间起始点始终虚拟保持在同步卫星上；

2)扩频码与载波相位的相干性问题：GPS导航信号的载波频率、扩频码速率、信息数据率之间保持整数倍关系，都是以1.023 MHz为基准产生，具有强相关特性。这种特点使GPS扩频码测距的变化与载波相位测距的变化规律完全一致，一般静态或低动态用户常见的一种用法就是采用载波相位平滑伪距的算法，降低扩频测距的随机误差以得到更高的测量精度。而WAAS导航信号在传输过程中经过了同步卫星透明转发器，由于转发器变频器本振的频率基准与地面频率基准完全不相关，破坏了WAAS导航信号扩频码与载波的相关特性。为此，WAAS地面控制系统采用特殊数据处理方法动态调整地面钟，维持扩频码与载波的高度相关特性，使接收WAAS卫星信号的用户也可以沿用载波相位平滑伪距的算法。

WAAS导航信号与GPS导航信号的主要差异是：

(1)导航电文的信息数据速率、格式略有不同，GPS信息速率是50 bit/s，而WAAS为了快速发播的需求，采用了更高的500 bit/s信息速率；

(2)WAAS导航电文内容、格式存在较大差异，以GPS差分数据、电离层栅格等数据为主，同步卫星星历直接以空间三维坐标、速度、加速度方式表示，区别于GPS星历格式；由于WAAS导航信号功率未增大，而导航电文信息速率却增加了，因此为了保证用户在低仰角对星工作时，较低信号电平情况下保持导航电文的解调能力(误码率)，WAAS导航电文采用了卷积码，区别于GPS采用一般的CRC校验码。

5 总 结

WAAS最大的贡献是对传统卫星导航系统架构的完善，其率先采用的星座增强结构、服务区栅格化监管、完好性概念、完好性监测与处理结构、完好性通道、兼容与互操作设计等很多理念、结构和关键技术给整个卫星导航专业领域的发展提供了新的可借鉴的思路和经验，对后来卫星导航系统的设计产生了深远影响，其它国家或地区建设的GPS增强系统、欧洲建设的Galileo卫星导航系统、我国的“北斗”卫星导航系统等都在不同程度上把这些概念提升到系统设计的重要层次。

目前，全球各国、各地区建设的GPS广域增强系统从区域覆盖向全球覆盖并实现全球联网是大势所趋。在平等互利的原则与基础上，我国的卫星导航增强系统需要加快考虑加入到这一国际合作机制中，通过协商与协调建立起统一的接口定义与服务标准，最终实现这套系统的全球联网与无缝覆盖，使系统效能发挥到最大化。

参考文献：

[1] Walter Todd,Enge Per,Reddan Pat.Modernizing WAAS[C]// Proceedings of the Institute of Navigation′s GNSS Meeting(ION GNSS 2004).Long Beach CA:[s.n.],2004.

[2] Richard A Fuller, Donghai Dai, Todd Walter, et al.Interoperation and Integration of Satellite Based Augmentation Systems[C]//Proceedings of 1998 ION GPS ′98.Nashville, Tennessee:[s.n.],1998：1-17.

[3] FAA-E-2892B,Wide Area Augmentation System(WAAS)[S].

[4] FAA-E-2937,Local Area Augmentation System Ground Facility[S].

[5] Mueller T,John Jubin. Wide Area DGPS Integrity Architecture[C]//1995 National Technical Meeting Proceedings.Anaheim:CA:ION，1995:193-202.

[6] Elliott D Kaplan，Christopher J Hegarty.GPS原理与应用[M].2版.北京：电子工业出版社，2007.

Elliott D Kaplan，Christopher J Hegarty.Understanding GPS Principles and Applications[M].2nd ed. Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2007.(in Chinese)