卫星导航差分系统和增强系统（十一）

+ 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）是美国联邦航空管理局(Frderal avaiation administration，FAA)主导的星基增强系统（Satellite Based Augmentation Svstem，SBAS），为满足美国民用航空对GPS更高的定位精度要求，特别是完好性要求，1992年，FAA在美国GPS广域差分系统（Wide Area Differential GPS，WADGPS）的基础上，设计了利用位于地球同步静止轨道的通信卫星（GEO卫星）广播GPS差分修正数据和完好性信息，实现在北美地区GPS的SBAS服务。WAAS的GEO卫星不仅播发增强信号，作为完好性告警通道，同时还播发测距信号，利用GEO卫星覆盖范围大且位置相对稳定的特点，提高GPS星座用户可见卫星数量。

WA A S 由地面段（WA A S G r o u n d 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个位于美国本土大陆两端的广域主控站（Wide-area Master Stations，WMSs）、6个地面上行链路站（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，其中地面上行链路站一般又称为地球站（Ground Earth Stations，GESs）。WAAS空间段利用3颗GEO卫星组成，GEO卫星也称为完好性通道，透明转发由地面WMSs生成的增强信息。WAAS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。

3.4.1.2 工作原理

WAAS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卫星，GEO卫星作为透明转发器快速将WAAS增强电文播发给用户。用户同时接收GPS和WAAS电文数据后，可以获取更高精度、更高完好性以及安全性的PNT服务。WAAS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。

3.4.1.3 性能指标

民航飞机利用GPS和WASS增强信息联合实施导航的过程包括航路、终端区、水平导航（Lateral Navigation，LNAV）、水平导航LNAV/垂直导航VNAV、带垂直引导的水平进近LPV、LPV-200、一类精密进近（CAT-I）、二类精密进近（CAT-II）和三类精密进近（CAT-III），不同阶段依靠不同的系统信息，决断高度如图32所示，图中DA代表决断高度（Decide altitude），MDA代表最小决断高度（Minimum Decide altitude）。WAAS为民航提供的导航服务区分为水平导航（Lateral Navigation，LNAV）、水平导航/垂直导航（Lateral Navigation/Vertical Navigation，LNAV/VNAV）、水平进近（Localizer Performance，LP）、带垂直引导的水平进近（Localizer Performance with Vertical，LPV）四种类型。

FAA的技术中心负责测量和分析WAAS的系统性指标，WAAS根据民航飞机对带垂直引导的水平进近（LPV-200）的导航要求发布当前服务水平（能力），LPV-200服务水平在WAAS服务区域都是可用的，在服务能力不可用的局部区域，WAAS利用GEO卫星给出服务可用性降级程度的指示信息，例如只提高LPV或者LNAV/VNAV服务，服务可用性区域可以实时显示在WAAS接收机屏幕上。WAAS的航路、终端区、水平导航（Lateral Navigation，LNAV）、水平导航LNAV/垂直导航VNAV、带垂直引导的水平进近LPV、LPV-200的的导航性能要求如表15所示。

图32 民航飞机进近过程中的决断高度要求

一般利用GPS监测接收机来评估WAAS性能指标，WA A S 设置的一类精密进近（Category-I）的水平告警门限HAL为30m，如果定位误差大于水平告警门限HAL，在水平保护门限HPL范围内时，那么将提升系统告警状态，将导致整个系统丧失可用性，即系统不可用（system unavailable），也可能导致系统连续性出现风险。在任何情况下，真值和测量值之间的误差应当小于水平保护门限HPL，否则判定为卫星导航系统水平保护门限HPL失效。广域增强系统WAAS的长期可用性指标是99.9%，在系统正常运行（Normal Operation）时，水平定位的可用性指标为99.999%，垂直告警门限VAL为12m，仪表垂直引导精密进近（Instrument Precision with Vertical guidance，IPV）垂直告警门限VAL为20m。在定位精度、系统完好性和连续性同时满足指标要求时，系统的可用性指标为99.671%。FAA的技术中心网站www.nstb.tc.faa.gov给出当前实时的和历史的系统可用性云图。根据WAAS设计、分析和实测数据，WAAS增强信号的性能指标如表16所示。

W A A S 的最低运行控制性能标准（Minimum Operational Performance Standards，MOPS）定义为差分修正的导航解在垂直保护门限（Vertical Protection Level，VPL）以及水平保护门限（Horizontal Protection Level，HPL）范围内概率的必须满足99.99999%。因此，误差的真值（true error）在107秒内超过保护限的次数不能多于一次。如果计算的保护限超过了相应的告警门限，那么系统将告警，测量的数据不能用于导航服务。如果系统在运行过程中发出了告警信息，必须针对告警信息给出处理措施，否则系统在整个周期内将被宣布不可用。

WAAS的完好性风险定义为系统估算的载体的位置值超过水平告警门限（HAL）或者垂直告警门限（VAL）时，卫星导航系统在规定的告警时间（time-to-alarm）内没有告警的概率。连续性风险定义为在系统正常工作过程中，系统没有生成告警信息的概率。WAAS系统给出危险错误引导信息（Hazardously Misleading Information，HMI）的概率是每次进近（150 s）小于1×10-7，水平或者垂直定位精度（95%）小于1.6 m。当垂直保护门限VPL小于50m时，最大观测误差小于12m（6σ），水平和垂直定位精度（95%）小于4 m。

美国斯坦福大学（Stanford University）在位于美国加利福尼亚州的国家卫星测试床（National Satellite Test Bed，NSTB），对静态用户开展了广域增强系统WAAS的二维平面定位性能评估测试，水平定位性能评估测测试结果如图33所示，垂直定位性能评估测试结果如图34所示，直方图中横坐标为广域增强系统WAAS给出的位置已被标定的天线的位置测量值和实际位置之间的误差，纵坐标为不同导航解下计算得到的保护门限。图33和34中HMI表示“危险的错误引导信息（Hazardously Misleading Information）”，M I 表示“错误引导信息（M i s l e a d i n g Information）”。有关WADGPS以及WAAS的实时信息可以访问美国国家卫星测试实验台NSTB网站。

图33 广域增强系统WAAS的二维平面定位性能

图34 广域增强系统WAAS的垂直定位性能

WA A S 在北美地区的定位精度已由10m(95%)提高到水平3m(95%)垂直3．5m(95%)，完好性满足航空导航规定的要求，可以实现民航飞机的LPV（垂直指引功能定位信标）和LPV-200能力，可以使飞机在不具备仪表着陆系统（Instrument Landing System，ILS）的机场仍可实现类似于仪表着陆系统的高安全性着陆，仪表着陆系统是目前应用最为广泛的飞机精密进近和着陆引导系统，ILS由地面两束无线电信号实现航向道和下滑道指引，建立一条由跑道指向空中的虚拟路径，飞机通过机载接收设备，确定自身与该路径的相对位置，使飞机能够沿着正确方向飞向跑道并且平稳下降高度，最终实现安全着陆。2014年8月，WAAS可为全美提供LPV-200服务，LPV-200服务覆盖区域云图如图35所示，

图35中深红色部分代表WAAS服务最好的区域，覆盖区性能随时间、空间卫星几何分布以及空间电离层的变化而变化。WAAS技术规范明确定位精度优于7.6m（95%），但实测水平定位精度优于1.0m，垂直定位精度优于1.5m，因此WAAS能支持用户CAT-I类精密进近（水平定位精度16m，垂直定位精度4m）。

图35 WAAS系统LPV-200服务的覆盖区域云图（08/14/14 WEEK 1805 DAY 4）

图36 全美实现WAAS-LPV进近服务的机场分布

美国地基增强系统－LAAS（Local Area Augmentation System）的覆盖范围为半径为30英里左右的区域，可以支持CAT-II/III（II/III类精密进近）。WAAS与LAAS协同工作具备为用户提供航空飞行各个阶段的无线电导航服务。WAAS在2014年在全美实现了LPV-200服务，目前已经公布了3656个LPV飞行程序，在89000架通航飞机上安装了WAAS设备，全美实现WAAS-LPV进近服务的机场如图36所示，

目前WAAS只能为美国本土提供GPS的完好性增强服务，WAAS的目标是改善GPS的PNT服务的完好性和定位精度，最终目的是提供直至精密进场着陆的所有飞行阶段参数的导航系统。目前FAA正在开展双频（L1，L5）多系统（dual-frequency multiconstellation，DFMC）的建设，持续开展GEO卫星升级、现有地面设备的更新换代、技术更新。

WAAS可以向大范围内的用户提供精确的定位服务和相应的完好性保障，这就使得服务范围内的所有机场可以实现精密进近，而且允许设计不同的进近方式并降低开发和使用的费用。WAAS系统不但可以为飞行提供很多便利，同时还大幅度降低了运行和维护成本。在机场安装一套仪表着陆系统（Instrument Landing System，ILS）设备需要1,000,000至1,500,000美元，而一套WAAS设备仅需50,000美元。在全美范围内，有600个机场安装了ILS设备，其每年的维护费用是8,200万美元，而WAAS可以为5400个机场提供服务，每年的维护费用仅5,000美元。