衛(wèi)星導(dǎo)航差分系統(tǒng)和增強系統(tǒng)（十一）

+ 劉天雄

3.4.1 美國廣域增強系統(tǒng)(WAAS)

3.4.1.1 系統(tǒng)組成

廣域增強系統(tǒng)（Wide Area Augmentation System，WAAS）是美國聯(lián)邦航空管理局(Frderal avaiation administration，F(xiàn)AA)主導(dǎo)的星基增強系統(tǒng)（Satellite Based Augmentation Svstem，SBAS），為滿足美國民用航空對GPS更高的定位精度要求，特別是完好性要求，1992年，F(xiàn)AA在美國GPS廣域差分系統(tǒng)（Wide Area Differential GPS，WADGPS）的基礎(chǔ)上，設(shè)計了利用位于地球同步靜止軌道的通信衛(wèi)星（GEO衛(wèi)星）廣播GPS差分修正數(shù)據(jù)和完好性信息，實現(xiàn)在北美地區(qū)GPS的SBAS服務(wù)。WAAS的GEO衛(wèi)星不僅播發(fā)增強信號，作為完好性告警通道，同時還播發(fā)測距信號，利用GEO衛(wèi)星覆蓋范圍大且位置相對穩(wěn)定的特點，提高GPS星座用戶可見衛(wèi)星數(shù)量。

WA A S 由地面段（WA A S G r o u n d Segment）、空間段（WAAS Space Segment）和用戶段（WAAS User Segment）三部分組成，其中地面段由38個廣域參考站（Widearea Reference Stations，WRSs）、3個位于美國本土大陸兩端的廣域主控站（Wide-area Master Stations，WMSs）、6個地面上行鏈路站（Ground Uplink Stations，GUS）、2個系統(tǒng)運行中心（operational centers，OC）以及陸地通信網(wǎng)絡(luò)（Terrestrial communication Network，TCN）組成，其中地面上行鏈路站一般又稱為地球站（Ground Earth Stations，GESs）。WAAS空間段利用3顆GEO衛(wèi)星組成，GEO衛(wèi)星也稱為完好性通道，透明轉(zhuǎn)發(fā)由地面WMSs生成的增強信息。WAAS用戶段通常配置嵌入WAAS模塊的GPS接收機，能夠接收GPS信號的同時接收GEO衛(wèi)星播發(fā)的增強信息，通信協(xié)議需要滿足RTCA MOPS DO 229等SBAS相關(guān)標準。

3.4.1.2 工作原理

WAAS參考站分布在規(guī)劃的柵格節(jié)點上，全天候接收并處理GPS信號和WAAS增強信號以及信號傳輸環(huán)境(如電離層和對流層)的變化，獲取雙頻偽距、衛(wèi)星星歷、電離層和對流層延遲等原始觀測數(shù)據(jù)以及信號健康狀態(tài)，將觀測數(shù)據(jù)實時傳送到主控站，主控站計算處理原始觀測數(shù)據(jù)后得到衛(wèi)星軌道和鐘差改正數(shù)、電離層分布柵格及電離層延遲修正數(shù)、完好性等級及告警信息，然后通過上行注入站(GUS)將增強信息注入給GEO衛(wèi)星，GEO衛(wèi)星作為透明轉(zhuǎn)發(fā)器快速將WAAS增強電文播發(fā)給用戶。用戶同時接收GPS和WAAS電文數(shù)據(jù)后，可以獲取更高精度、更高完好性以及安全性的PNT服務(wù)。WAAS提供導(dǎo)航服務(wù)的精度和完好性指標與儀表著陸系統(tǒng)（ILS）相當，可用滿足民航飛機在航路、終端區(qū)和部分精密進近階段的導(dǎo)航性能要求。

3.4.1.3 性能指標

民航飛機利用GPS和WASS增強信息聯(lián)合實施導(dǎo)航的過程包括航路、終端區(qū)、水平導(dǎo)航（Lateral Navigation，LNAV）、水平導(dǎo)航LNAV/垂直導(dǎo)航VNAV、帶垂直引導(dǎo)的水平進近LPV、LPV-200、一類精密進近（CAT-I）、二類精密進近（CAT-II）和三類精密進近（CAT-III），不同階段依靠不同的系統(tǒng)信息，決斷高度如圖32所示，圖中DA代表決斷高度（Decide altitude），MDA代表最小決斷高度（Minimum Decide altitude）。WAAS為民航提供的導(dǎo)航服務(wù)區(qū)分為水平導(dǎo)航（Lateral Navigation，LNAV）、水平導(dǎo)航/垂直導(dǎo)航（Lateral Navigation/Vertical Navigation，LNAV/VNAV）、水平進近（Localizer Performance，LP）、帶垂直引導(dǎo)的水平進近（Localizer Performance with Vertical，LPV）四種類型。

FAA的技術(shù)中心負責測量和分析WAAS的系統(tǒng)性指標，WAAS根據(jù)民航飛機對帶垂直引導(dǎo)的水平進近（LPV-200）的導(dǎo)航要求發(fā)布當前服務(wù)水平（能力），LPV-200服務(wù)水平在WAAS服務(wù)區(qū)域都是可用的，在服務(wù)能力不可用的局部區(qū)域，WAAS利用GEO衛(wèi)星給出服務(wù)可用性降級程度的指示信息，例如只提高LPV或者LNAV/VNAV服務(wù)，服務(wù)可用性區(qū)域可以實時顯示在WAAS接收機屏幕上。WAAS的航路、終端區(qū)、水平導(dǎo)航（Lateral Navigation，LNAV）、水平導(dǎo)航LNAV/垂直導(dǎo)航VNAV、帶垂直引導(dǎo)的水平進近LPV、LPV-200的的導(dǎo)航性能要求如表15所示。

圖32 民航飛機進近過程中的決斷高度要求

一般利用GPS監(jiān)測接收機來評估WAAS性能指標，WA A S 設(shè)置的一類精密進近（Category-I）的水平告警門限HAL為30m，如果定位誤差大于水平告警門限HAL，在水平保護門限HPL范圍內(nèi)時，那么將提升系統(tǒng)告警狀態(tài)，將導(dǎo)致整個系統(tǒng)喪失可用性，即系統(tǒng)不可用（system unavailable），也可能導(dǎo)致系統(tǒng)連續(xù)性出現(xiàn)風險。在任何情況下，真值和測量值之間的誤差應(yīng)當小于水平保護門限HPL，否則判定為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)水平保護門限HPL失效。廣域增強系統(tǒng)WAAS的長期可用性指標是99.9%，在系統(tǒng)正常運行（Normal Operation）時，水平定位的可用性指標為99.999%，垂直告警門限VAL為12m，儀表垂直引導(dǎo)精密進近（Instrument Precision with Vertical guidance，IPV）垂直告警門限VAL為20m。在定位精度、系統(tǒng)完好性和連續(xù)性同時滿足指標要求時，系統(tǒng)的可用性指標為99.671%。FAA的技術(shù)中心網(wǎng)站www.nstb.tc.faa.gov給出當前實時的和歷史的系統(tǒng)可用性云圖。根據(jù)WAAS設(shè)計、分析和實測數(shù)據(jù)，WAAS增強信號的性能指標如表16所示。

W A A S 的最低運行控制性能標準（Minimum Operational Performance Standards，MOPS）定義為差分修正的導(dǎo)航解在垂直保護門限（Vertical Protection Level，VPL）以及水平保護門限（Horizontal Protection Level，HPL）范圍內(nèi)概率的必須滿足99.99999%。因此，誤差的真值（true error）在107秒內(nèi)超過保護限的次數(shù)不能多于一次。如果計算的保護限超過了相應(yīng)的告警門限，那么系統(tǒng)將告警，測量的數(shù)據(jù)不能用于導(dǎo)航服務(wù)。如果系統(tǒng)在運行過程中發(fā)出了告警信息，必須針對告警信息給出處理措施，否則系統(tǒng)在整個周期內(nèi)將被宣布不可用。

WAAS的完好性風險定義為系統(tǒng)估算的載體的位置值超過水平告警門限（HAL）或者垂直告警門限（VAL）時，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在規(guī)定的告警時間（time-to-alarm）內(nèi)沒有告警的概率。連續(xù)性風險定義為在系統(tǒng)正常工作過程中，系統(tǒng)沒有生成告警信息的概率。WAAS系統(tǒng)給出危險錯誤引導(dǎo)信息（Hazardously Misleading Information，HMI）的概率是每次進近（150 s）小于1×10-7，水平或者垂直定位精度（95%）小于1.6 m。當垂直保護門限VPL小于50m時，最大觀測誤差小于12m（6σ），水平和垂直定位精度（95%）小于4 m。

美國斯坦福大學（Stanford University）在位于美國加利福尼亞州的國家衛(wèi)星測試床（National Satellite Test Bed，NSTB），對靜態(tài)用戶開展了廣域增強系統(tǒng)WAAS的二維平面定位性能評估測試，水平定位性能評估測測試結(jié)果如圖33所示，垂直定位性能評估測試結(jié)果如圖34所示，直方圖中橫坐標為廣域增強系統(tǒng)WAAS給出的位置已被標定的天線的位置測量值和實際位置之間的誤差，縱坐標為不同導(dǎo)航解下計算得到的保護門限。圖33和34中HMI表示“危險的錯誤引導(dǎo)信息（Hazardously Misleading Information）”，M I 表示“錯誤引導(dǎo)信息（M i s l e a d i n g Information）”。有關(guān)WADGPS以及WAAS的實時信息可以訪問美國國家衛(wèi)星測試實驗臺NSTB網(wǎng)站。

圖33 廣域增強系統(tǒng)WAAS的二維平面定位性能

圖34 廣域增強系統(tǒng)WAAS的垂直定位性能

WA A S 在北美地區(qū)的定位精度已由10m(95%)提高到水平3m(95%)垂直3．5m(95%)，完好性滿足航空導(dǎo)航規(guī)定的要求，可以實現(xiàn)民航飛機的LPV（垂直指引功能定位信標）和LPV-200能力，可以使飛機在不具備儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System，ILS）的機場仍可實現(xiàn)類似于儀表著陸系統(tǒng)的高安全性著陸，儀表著陸系統(tǒng)是目前應(yīng)用最為廣泛的飛機精密進近和著陸引導(dǎo)系統(tǒng)，ILS由地面兩束無線電信號實現(xiàn)航向道和下滑道指引，建立一條由跑道指向空中的虛擬路徑，飛機通過機載接收設(shè)備，確定自身與該路徑的相對位置，使飛機能夠沿著正確方向飛向跑道并且平穩(wěn)下降高度，最終實現(xiàn)安全著陸。2014年8月，WAAS可為全美提供LPV-200服務(wù)，LPV-200服務(wù)覆蓋區(qū)域云圖如圖35所示，

圖35中深紅色部分代表WAAS服務(wù)最好的區(qū)域，覆蓋區(qū)性能隨時間、空間衛(wèi)星幾何分布以及空間電離層的變化而變化。WAAS技術(shù)規(guī)范明確定位精度優(yōu)于7.6m（95%），但實測水平定位精度優(yōu)于1.0m，垂直定位精度優(yōu)于1.5m，因此WAAS能支持用戶CAT-I類精密進近（水平定位精度16m，垂直定位精度4m）。

圖35 WAAS系統(tǒng)LPV-200服務(wù)的覆蓋區(qū)域云圖（08/14/14 WEEK 1805 DAY 4）

圖36 全美實現(xiàn)WAAS-LPV進近服務(wù)的機場分布

美國地基增強系統(tǒng)－LAAS（Local Area Augmentation System）的覆蓋范圍為半徑為30英里左右的區(qū)域，可以支持CAT-II/III（II/III類精密進近）。WAAS與LAAS協(xié)同工作具備為用戶提供航空飛行各個階段的無線電導(dǎo)航服務(wù)。WAAS在2014年在全美實現(xiàn)了LPV-200服務(wù)，目前已經(jīng)公布了3656個LPV飛行程序，在89000架通航飛機上安裝了WAAS設(shè)備，全美實現(xiàn)WAAS-LPV進近服務(wù)的機場如圖36所示，

目前WAAS只能為美國本土提供GPS的完好性增強服務(wù)，WAAS的目標是改善GPS的PNT服務(wù)的完好性和定位精度，最終目的是提供直至精密進場著陸的所有飛行階段參數(shù)的導(dǎo)航系統(tǒng)。目前FAA正在開展雙頻（L1，L5）多系統(tǒng)（dual-frequency multiconstellation，DFMC）的建設(shè)，持續(xù)開展GEO衛(wèi)星升級、現(xiàn)有地面設(shè)備的更新?lián)Q代、技術(shù)更新。

WAAS可以向大范圍內(nèi)的用戶提供精確的定位服務(wù)和相應(yīng)的完好性保障，這就使得服務(wù)范圍內(nèi)的所有機場可以實現(xiàn)精密進近，而且允許設(shè)計不同的進近方式并降低開發(fā)和使用的費用。WAAS系統(tǒng)不但可以為飛行提供很多便利，同時還大幅度降低了運行和維護成本。在機場安裝一套儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System，ILS）設(shè)備需要1,000,000至1,500,000美元，而一套WAAS設(shè)備僅需50,000美元。在全美范圍內(nèi)，有600個機場安裝了ILS設(shè)備，其每年的維護費用是8,200萬美元，而WAAS可以為5400個機場提供服務(wù)，每年的維護費用僅5,000美元。