卫星导航差分系统和增强系统（十）

+ 刘天雄

3.4.1 美国广域增强系统WAAS

3.4.1.1 系统组成

广域增强系统（Wide Area Augmentation System，WAAS）是美国的星基增强系统，是为满足美国民用航空对GPS更高的精度和完好性要求，1992年，美国联邦航空管理局（FAA）在WADGPS的基础上设计的。其利用GEO地球同步静止轨道卫星广播GPS差分修正数据和完好性信息电文，实现在北美地区GPS系统的完好性增强。WAAS系统的GEO卫星不仅作为完好性告警通道，播发增强信号的同时还提供测距服务，利用GEO卫星覆盖范围大且位置相对稳定的特点，对地面用户高仰角高，作为一个稳定的测距信号源，可补充GPS星座用户可见卫星数量。

WAAS系统的发展经历了四个阶段，一是初始运行阶段（Initial Operating Capability，IOC），2003年已实现目标，2003年7月10日，FAA宣布WAAS系统为民航提供服务，服务范围覆盖美国本土95%的区域以及阿拉斯加部分区域。二是全面实现带垂直引导的水平进近LPV服务（Full LPV Performance），2008年已实现目标，2007年服务区域扩展到加拿大和墨西哥。三是全面实现带垂直引导的水平进近LPV-200服务（Full LPV-200 Performance），2014年8月，WAAS系统可为全美提供LPV-200服务。四是开展双频多系统（dual-frequency multi-constellation，DFMC）兼容互操作研究，进一步提升WAAS系统的可用性，计划在2014年～2028年期间实现DFMC服务。

目前，WAAS系统支持民航航路、终端、进近以及带垂直引导的水平进近（Localizer Performance with Vertical，LPV）服务，为美国和加拿大一千多个机场提供仪表垂直引导进近（vertically guided instrument approach）服务，即带垂直引导的水平进近LPV-200服务（接近CAT-I进近水平），可以引导飞机从200英尺的高度着陆（height above touchdown，HAT）。WAAS系统由地面段（WAAS Ground Segment）、空间段（WAAS Space Segment）和用户段（WAAS User Segment）三部分组成，其中地面段由38个广域参考站（Widearea Reference Stations ，WRSs）、3个位于美国大陆两端的广域主控站（Wide-area Master Stations，WMSs）、6个地面上行注入站（Ground Uplink Stations，GUS）、2个系统运行中心（operational centers，OC）以及陆地通信网络（Terrestrial communication Network，TCN）组成，其中地面上行注入站一般又称为地球站（Ground Earth Stations，GESs）。WAAS系统空间段利用3颗GEO地球静止同步轨道卫星组成，也称为完好性通道，透明转发由地面广域主控站WMSs生成的增强信息。WAAS系统用户段通常配置嵌入WAAS模块的GPS接收机，能够接收GPS信号的同时接收GEO卫星播发的增强信息，通信协议需要满足RTCA MOPS DO 229等SBAS相关标准。

WAAS系统地面段38个广域参考站的位置是确定的，接收GPS信号并将数据送给广域主控站，广域主控站处理所有数据并生成含有GPS信号差分改正数及系统完好性信息的增强电文，地面上行链路站将增强电文注入给空间段GEO卫星，最后由GEO卫星将增强信息播发给地面用户。WAAS系统的体系架构和运行控制环境如图27所示。

图27 广域增强系统的体系架构和运行控制环境

图28 WAAS系统3颗通信卫星覆盖范围

WAAS的系统运行中心（OC）分别被称为美国国家运行和控制中心（National Operations and Control Center，NOCC）及美国太平洋运行和控制中心（Pacific Operations Control Center，POCC），NOCC和POCC的运行和维护系统可以独立工作，同时互相监控和记录各自的工作状态。陆地通信网络（TCN）提供WAAS系统各个组成环节的通信联系并用于传递WAAS电文数据， TCN由两套专用的、冗余的、不同体系的网络组成，以为整个WAAS系统提供高可靠的通信链路。WAAS系统的运行几乎不需要人为干预，是一个自动化系统。

WA A S系统最早利用两颗海事卫星（Inmarsat-3 F3和Inmarsat-3 F4）广播GPS增强信息，增强信号只能实现单重覆盖。目前WAAS系统空间段利用3颗商业地球静止同步轨道卫星播发增强信息，三颗地球同步轨道卫星分别是Intelsat公司的Galaxy 15卫星（CRW）、Telesat公司的Anik F1R卫星（CRE）、Inmarsat公司的Inmarsat-4 F3卫星（AMR），在美国本土能够达到三重覆盖，如图28所示。

每颗GEO卫星分别从地面上行注入站（GUS）的射频上行链路发射装置RFU接收C1up和C5up两路上行C波段注入信号，然后作为弯管转发器将WAAS信号广播给用户。与GPS卫星播发Ll频点(1575.42MHZ)的C/A码信号类似，WAAS系统GEO卫星也利用Ll频点向用户广播WAAS增强数据，调制有GPS系统C/A测距码信号，因此，WAAS系统GEO卫星也可以作为GPS系统的导航卫星使用。WAAS系统GEO卫星轨位及NMEA/PRN编号如表13所示。

表13 WAAS系统GEO卫星轨位及NMEA/PRN编号

WAAS系统规定从系统发现GPS异常到最终用户收到告警信息，整个过程时延要小于6.2s，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，WAAS系统选择采用地球同步静止轨道GEO卫星配置C／L透明转发器作为完好性通道。WAAS设计的成功之处是采用GPS系统Ll频率(1575.42MHZ)和BPSK调制方式向用户广播WAAS增强信号，播发增强信息的同时也提供测距服务，WAAS信号和GPS信号可共用接收天线和射频信号处理电路，数字基带处理电路也一致。这样的系统设计，使WAAS增强型接收机的成本、功耗、体积与普通GPS接收机基本一致，扩大了WAAS的应用领域。

WAAS系统用户段配置的增强接收机能够接收GPS导航信号和WAAS系统GEO卫星播发的增强信号，可以共享RF模块，内置算法略有不同。目前，WAAS-GPS接收机有芯片组（chipset）、混合器件（hybrid component）、辅助板卡（auxiliary card）三种形式，解算结果的数据格式和通信协议符合NMEA、RTCM、NTRIP以及RINEX标准。因此，用户段不受WAAS增强服务提供商、FAA的控制，完全由卫星导航应用市场来驱动。虽然WAAS系统的初衷是为民用航空用户服务，但目前很多GPS接收机都配置了WAAS模块，因此，其他行业的用户也能利用WAAS系统来提高定位精度同时获取完好性信息。取得适航资质的WAAS-GPS接收机是行业最高等级的接收机，目前GARMIN、Honeywell、Rockwell Collins、Universal Avionics、CMC Electronics、Avidyne等公司研发的机载WAAS接收机都已取得适航认证，符合RTCA MOPS DO 229等SBAS相关标准要求。用户利用WAAS系统可以在美国和加拿大2000多个机场实现LPV/LP进近服务。对于没有生命安全要求的一般导航应用，用户接收机的利用WAAS信号时，则不需要一定遵守RTCA MOPS DO 229等SBAS相关标准要求。

图29 WAAS系统工作原理

3.4.1.2 工作原理

WAAS系统参考站分布在规划的栅格节点上，全天候接收并处理GPS信号和WAAS系统增强信号以及信号传输环境(如电离层和对流层)的变化，获取双频伪距、卫星星历、电离层和对流层延迟等原始观测数据以及信号健康状态，将观测数据实时传送到主控站，主控站计算处理原始观测数据后得到卫星轨道和钟差改正数、电离层分布栅格及电离层延迟修正数、完好性等级及告警信息，然后通过上行注入站（GUS）将增强信息注入给GEO通信卫星，GEO卫星作为透明转发器快速将WAAS电文转发给用户。用户同时接收GPS和WAAS数据可以得到更高精度、更高安全性的PNT服务，WAAS系统工作原理如图29所示。WAAS系统提供导航服务的精度和完好性指标与仪表着陆系统ILS相当，可用满足民航飞机在航路、终端区和部分精密进近阶段的导航性能要求。

WA A S增强系统的每个广域参考站（WRSs）均配置了三套广域参考设备（Wide-area Reference Equipment，WRE），定义为WRE-A，WRE-B和WRE-C，能够独立接收WAAS系统卫星的数据，每套广域参考设备WRE包括一台L1和L2双频WAAS系统接收机，一台铯原子钟，一台数据采集处理器（Data Collection Processor，DCP）。3个广域主控站（WMSs）中的任何一个均能独立开展WAAS系统差分和完好性数据处理任务，每个WMSs均配置一个差分和验证系统（corrections & verification，C&V），C&V系统由两台差分处理器（Corrections Processors，CP）和一台安全计算机（Safety Computer，SC）组成，其中安全计算机又由两台安全处理器（Safety Processors，SPs）和一台比较器组成。C&V系统接收广域参考设备（WRE）数据，其中差分处理器（CP）计算卫星时钟和星历差分改正数，安全计算机（SC）计算电离层延迟改正数，同时给出具有较高置信度的卫星时钟、星历以及电离层延迟误差边界（error bounds），以确保CP的计算结果的有效性。然后通过陆地通信网络（TCN）将时钟、星历以及电离层延迟差分改正数据传递给地面上行注入站（GUS），GUS通过C频段上行链路将上述数据以WAAS系统电文的方式注入给WAAS系统的GEO卫星。为了保持上行链路的可靠性，WAAS系统选择位于不同地理位置的两个GUS给每颗GEO卫星注入WAAS电文。每个GUS配置信号生成系统（Signal Generation Subsystem，SGS）和一个射频上行链路发射装置（RF Uplink，RFU），SGS系统由地面上行注入站GUS处理器（GUS Processor，GP）和WAAS电文处理器（WAAS Message Processor，WMP）组成，GP与WMP之间通过标准的RS-232同步串口建立通信链路。WMP按规范生成WAAS电文，射频上行链路发射装置（RFU）将WAAS电文注入给GEO卫星。

WAAS系统数据处理流程如图30所示，参考站接收GPS卫星信号并处理GPS卫星数据以确定每颗GPS卫星的差分修正数据和完好性信息，每颗GPS卫星的差分修正数据和完好性信息被打包成为WAAS系统电文，地面上行注入站将WAAS系统电文上传给GEO卫星（每5秒上注一次），GEO卫星利用GPS系统的L1频点将WAAS增强信号透明转发给用户，WAAS系统L1信号同GPS系统L1 C/A信号生成方式一致，每颗WAAS系统卫星具有唯一的伪随机测距码（pseudo-random noise，PRN），与GPS系统的测距码为一个码族，WAAS系统电文被伪随机测距码扩频，WAAS系统接收机接收WAAS增强信号后可以解调出每颗GPS卫星的差分修正数据和完好性信息，同时解算出当前的位置和保护门限（protection level），由于每颗GEO卫星也播发测距信号，因此，也可以近似作为GPS星座中的导航卫星使用，可以进一步改善GPS星座的GDOP值，使系统的连接性和可用性都获得增强。

WAAS系统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、电离层延迟数据并上报主控站，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。

图30 WAAS系统数据处理流程

WA AS系统以计算误差边界（er r or bounds）的方式给出系统完好性信息，在考虑所有误差源之后，误差边界用于计算系统保护门限（protection levels）。完好性信息包括用户差分测距误差UDRE和格网电离层垂直误差GIVE两部分数据，其中用户差分测距误差UDRE表征为快速差分（Fast Corrections，FCs）和长期差分（Long Term Corrections，LTCs）项的残余误差（residual error），用户差分测距误差UDRE用快速差分FC电文播发；格网电离层垂直误差GIVE表征为电离层格网点（I onospheric Grid Points，IGP）导航信号延迟的改正数（IGP Corrections，ICs）的残余误差，格网电离层垂直误差GIVE和电离层格网点延迟改正数ICs每5分钟播发一次。

WAAS系统接收机通过接收GPS系统标准定位服务信号和WAAS系统播发的增强信号，可以以较高置信度的误差边界获得高精度的位置解算结果，其中差分改正数据用于修正GPS系统标准定位服务的伪距观测量，完好性数据用于计算完好性边界（integrity bounds），也称为保护门限（protection levels，PL）。根据具体的飞行任务，WAAS用户接收机可以选择计算水平保护门限（Horizontal protection levels，HPL）或者同时计算水平保护门限HPL和垂直保护门限（Vertical protection levels，VPL），通过比较保护门限和告警门限（alert limit thresholds，ALT），WAAS用户接收机可以给领航员报告警告信息，WAAS系统设计可以保证的完好性告警时间（Time to Alert，TTA）不超过6.2 s，否则WAAS接收机自主完好性/可用性评估相关函数（RAIM/FDE）会在8 s内给出告警信息。

如果民航用WAAS系统垂直引导飞机起降，用户接收机利用完好性数据计算“保护圆柱（protection cylinder，PC）”，保护圆柱PC是由航空无线电技术委员会（Radio Technical Commission for Aeronautics，RTCA）定义的最小操控性能标准（Minimum Operational Performance Standard，MOPS），即RTCA/DO-229定义的相关内容，WAAS系统完好性保护圆柱简图如图31所示。

用户接收机首先应用WAAS系统伪距和星历差分改正数据计算当前的位置，然后利用用户差分测距误差UDRE数据、格网电离层垂直误差GIVE数据计算水平保护门限HPL和垂直保护门限VPL，这些保护门限PL数据可以建立可视化的系统完好性保护圆柱，如图31中内部深色的圆柱所示。WAAS系统完好性保护圆柱的中心线位于接收机计算的飞机位置坐标，计算结果具有不确定性，接收机的计算结果分别和保护门限PL及告警门限ALT比较，对于每次飞行任务而言，可以告警门限ALT是一个确定的告警圆柱，如图31中外部的圆柱所示。告警门限圆柱的中心线与保护圆柱一致，也是接收机计算的飞机位置坐标，正常情况下，飞机的真实位置在图31所示的内部深色的完好性保护圆柱范围之内。

图31 WAAS系统完好性保护圆柱示意图

如果在某次飞行任务中，WAAS系统给出的完好性数据导致保护门限PL范围太大以至于超出了完好性告警门限ALT范围，WAAS接收机将给领航员系统不可用的指示信息。例如，如果LPV告警限超出了设计指标，那么WAAS接收机将给领航员系统当前不可用的指示信息，在这个场景下，很可能由于水平导航（Lateral Navigation，LNAV）的告警限范围相对比较大，因此，WAAS接收机给领航员系统当前LNAV仍然可用的指示信息。如果用户的位置误差（position error）超出了系统保护门限（protection levels）的时间差超出了完好性告警时间（Time to Alert，TTA），那么WAAS系统将给出危险错误引导信息（Hazardously Misleading Information，HMI）。

如果在某次飞行任务中，WAAS系统给出的完好性数据导致保护门限PL范围太小以至没有覆盖飞机的真实位置，这种情况被称为“underbound condition”，如果underbound condition的时间差超出了完好性告警时间TTA，那么WAAS系统也给出危险错误引导信息HMI。WAAS接收机无法检测underbound condition情况，WAAS系统完好性算法将确保在任何情况下用户差分测距误差UDRE和格网电离层垂直误差GIVE两部分完好性数据不会造成underbound condition情况发生。

WAAS的完好性监测与处理更强调安全性、可靠性与快速性，因此采用独立数据采集、数据并行处理、平行一致性检验，以及交叉验证结构。(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主控站数据处理中心；(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。

WAAS系统增强信号必须与GPS导航信号联合使用才能保证对用户的增强服务。因此，WAAS增强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，解决了导航信号的时间、空间基准统一和扩频码与载波相位的相干性两个关键技术问题。

首先是导航信号的时间、空间基准统一问题。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。WAAS地面控制系统需要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的起始点)，补偿上行路径延迟与各种传输时延，使WAAS信号的发射时间起始点始终虚拟保持在同步卫星上。

其次是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1.023MHz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增强信息包括测距信号、差分改正数以及系统完好性信息三个分量，其中测距码信号与GPS系统L1 C/A信号类似，可以改善民用航空用户的导航可用性；差分改正数包括卫星的轨道、时钟以及电离层延迟等误差的改正数；系统完好性信息主要为涉及生命安全应用的用户提供系统可用性信息；此外还包括时间、用户差分测距误差UDRE、格网电离层垂直误差GIVE、对流层延迟模型以及服务水平降级等一些辅助信息。WAAS增强信号接口特征载波频率、电文结构、通信协议以及WAAS增强信息数据等内容，WAAS系统L1频点增强信号的主要接口特征如表14所示，

此外，为民航用户服务时，WAAS信号还需满足航空机载设备相关要求，主要包括多普勒频移（Doppler Shift）、载波频率稳定性（Carrier Frequency Stability）、极化方式（Polarization）、伪码/载波频率相干性（Code/Carrier Frequency Coherence）以及相关损失（Correlation Loss）等内容，

· 多普勒频移： 在最坏情况下，稳态用户的多普勒频移小于40m/s， 在L1频点的多普勒频移近似为210Hz ；

· 载波频率稳定性： 排除电离层延迟和多普勒频移后，在用户接收机天线的输入端处的载波频率短期稳定性（Allan方差的平方根值）优于5x10-11/1s～10s；

· 极化方式： 右旋圆极化，轴比小于2 dB；

· 伪码/载波频率相干性：伪码相位率（code phase rate）和载波频率之间的频率差（fractional frequency difference）短期内（＜10sec）小于5x10-11 (1 sigma)；伪码相位变化（转化为载波周期）与载波相位变化之间的差异长期内（＜ 100sec）应当在一个载波周期之内(1 sigma)；

· 相关损失： 由于信号调制过程中的不理想或者转发器滤波损失引起的相关损失小于1 dB。

综上所述，WAAS增强信号与GPS导航信号的主要差异有两方面，一是导航电文的信息数据速率、格式略有不同，GPS信息速率是50bps，而WAAS为了快速发播的需求，采用了更高的500bps信息速率；二是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时，信号电平较低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。

表14 WAAS系统L1频点增强信号的主要接口特征