+ 劉天雄

3.4.1 美國(guó)廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS)

3.4.1.1 系統(tǒng)組成

廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（Wide Area Augmentation System，WAAS）是美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(Frderal avaiation administration，F(xiàn)AA)主導(dǎo)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)（Satellite Based Augmentation Svstem，SBAS），為滿足美國(guó)民用航空對(duì)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(guó)GPS廣域差分系統(tǒng)（Wide Area Differential GPS，WADGPS）的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(shí)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(qiáng)信號(hào)，作為完好性告警通道，同時(shí)還播發(fā)測(cè)距信號(hào)，利用GEO衛(wèi)星覆蓋范圍大且位置相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，提高GPS星座用戶可見(jiàn)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(gè)廣域參考站（Widearea Reference Stations，WRSs）、3個(gè)位于美國(guó)本土大陸兩端的廣域主控站（Wide-area Master Stations，WMSs）、6個(gè)地面上行鏈路站（Ground Uplink Stations，GUS）、2個(gè)系統(tǒng)運(yùn)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(qiáng)信息。WAAS用戶段通常配置嵌入WAAS模塊的GPS接收機(jī)，能夠接收GPS信號(hào)的同時(shí)接收GEO衛(wèi)星播發(fā)的增強(qiáng)信息，通信協(xié)議需要滿足RTCA MOPS DO 229等SBAS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3.4.1.2 工作原理

WAAS參考站分布在規(guī)劃的柵格節(jié)點(diǎn)上，全天候接收并處理GPS信號(hào)和WAAS增強(qiáng)信號(hào)以及信號(hào)傳輸環(huán)境(如電離層和對(duì)流層)的變化，獲取雙頻偽距、衛(wèi)星星歷、電離層和對(duì)流層延遲等原始觀測(cè)數(shù)據(jù)以及信號(hào)健康狀態(tài)，將觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到主控站，主控站計(jì)算處理原始觀測(cè)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(jí)及告警信息，然后通過(guò)上行注入站(GUS)將增強(qiáng)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(qiáng)電文播發(fā)給用戶。用戶同時(shí)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(biāo)與儀表著陸系統(tǒng)（ILS）相當(dāng)，可用滿足民航飛機(jī)在航路、終端區(qū)和部分精密進(jìn)近階段的導(dǎo)航性能要求。

3.4.1.3 性能指標(biāo)

民航飛機(jī)利用GPS和WASS增強(qiáng)信息聯(lián)合實(shí)施導(dǎo)航的過(guò)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(jìn)近LPV、LPV-200、一類精密進(jìn)近（CAT-I）、二類精密進(jìn)近（CAT-II）和三類精密進(jìn)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(jìn)近（Localizer Performance，LP）、帶垂直引導(dǎo)的水平進(jìn)近（Localizer Performance with Vertical，LPV）四種類型。

FAA的技術(shù)中心負(fù)責(zé)測(cè)量和分析WAAS的系統(tǒng)性指標(biāo)，WAAS根據(jù)民航飛機(jī)對(duì)帶垂直引導(dǎo)的水平進(jìn)近（LPV-200）的導(dǎo)航要求發(fā)布當(dāng)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(jí)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(shí)時(shí)顯示在WAAS接收機(jī)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(jìn)近LPV、LPV-200的的導(dǎo)航性能要求如表15所示。

圖32 民航飛機(jī)進(jìn)近過(guò)程中的決斷高度要求

一般利用GPS監(jiān)測(cè)接收機(jī)來(lái)評(píng)估WAAS性能指標(biāo)，WA A S 設(shè)置的一類精密進(jìn)近（Category-I）的水平告警門(mén)限HAL為30m，如果定位誤差大于水平告警門(mén)限HAL，在水平保護(hù)門(mén)限HPL范圍內(nèi)時(shí)，那么將提升系統(tǒng)告警狀態(tài)，將導(dǎo)致整個(gè)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(fēng)險(xiǎn)。在任何情況下，真值和測(cè)量值之間的誤差應(yīng)當(dāng)小于水平保護(hù)門(mén)限HPL，否則判定為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)水平保護(hù)門(mén)限HPL失效。廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS的長(zhǎng)期可用性指標(biāo)是99.9%，在系統(tǒng)正常運(yùn)行（Normal Operation）時(shí)，水平定位的可用性指標(biāo)為99.999%，垂直告警門(mén)限VAL為12m，儀表垂直引導(dǎo)精密進(jìn)近（Instrument Precision with Vertical guidance，IPV）垂直告警門(mén)限VAL為20m。在定位精度、系統(tǒng)完好性和連續(xù)性同時(shí)滿足指標(biāo)要求時(shí)，系統(tǒng)的可用性指標(biāo)為99.671%。FAA的技術(shù)中心網(wǎng)站www.nstb.tc.faa.gov給出當(dāng)前實(shí)時(shí)的和歷史的系統(tǒng)可用性云圖。根據(jù)WAAS設(shè)計(jì)、分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，WAAS增強(qiáng)信號(hào)的性能指標(biāo)如表16所示。

W A A S 的最低運(yùn)行控制性能標(biāo)準(zhǔn)（Minimum Operational Performance Standards，MOPS）定義為差分修正的導(dǎo)航解在垂直保護(hù)門(mén)限（Vertical Protection Level，VPL）以及水平保護(hù)門(mén)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(guò)保護(hù)限的次數(shù)不能多于一次。如果計(jì)算的保護(hù)限超過(guò)了相應(yīng)的告警門(mén)限，那么系統(tǒng)將告警，測(cè)量的數(shù)據(jù)不能用于導(dǎo)航服務(wù)。如果系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)出了告警信息，必須針對(duì)告警信息給出處理措施，否則系統(tǒng)在整個(gè)周期內(nèi)將被宣布不可用。

WAAS的完好性風(fēng)險(xiǎn)定義為系統(tǒng)估算的載體的位置值超過(guò)水平告警門(mén)限（HAL）或者垂直告警門(mén)限（VAL）時(shí)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在規(guī)定的告警時(shí)間（time-to-alarm）內(nèi)沒(méi)有告警的概率。連續(xù)性風(fēng)險(xiǎn)定義為在系統(tǒng)正常工作過(guò)程中，系統(tǒng)沒(méi)有生成告警信息的概率。WAAS系統(tǒng)給出危險(xiǎn)錯(cuò)誤引導(dǎo)信息（Hazardously Misleading Information，HMI）的概率是每次進(jìn)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(dāng)垂直保護(hù)門(mén)限VPL小于50m時(shí)，最大觀測(cè)誤差小于12m（6σ），水平和垂直定位精度（95%）小于4 m。

美國(guó)斯坦福大學(xué)（Stanford University）在位于美國(guó)加利福尼亞州的國(guó)家衛(wèi)星測(cè)試床（National Satellite Test Bed，NSTB），對(duì)靜態(tài)用戶開(kāi)展了廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS的二維平面定位性能評(píng)估測(cè)試，水平定位性能評(píng)估測(cè)測(cè)試結(jié)果如圖33所示，垂直定位性能評(píng)估測(cè)試結(jié)果如圖34所示，直方圖中橫坐標(biāo)為廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS給出的位置已被標(biāo)定的天線的位置測(cè)量值和實(shí)際位置之間的誤差，縱坐標(biāo)為不同導(dǎo)航解下計(jì)算得到的保護(hù)門(mén)限。圖33和34中HMI表示“危險(xiǎn)的錯(cuò)誤引導(dǎo)信息（Hazardously Misleading Information）”，M I 表示“錯(cuò)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(shí)時(shí)信息可以訪問(wèn)美國(guó)國(guó)家衛(wèi)星測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)NSTB網(wǎng)站。

圖33 廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS的二維平面定位性能

圖34 廣域增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)民航飛機(jī)的LPV（垂直指引功能定位信標(biāo)）和LPV-200能力，可以使飛機(jī)在不具備儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System，ILS）的機(jī)場(chǎng)仍可實(shí)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(jī)精密進(jìn)近和著陸引導(dǎo)系統(tǒng)，ILS由地面兩束無(wú)線電信號(hào)實(shí)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(jī)通過(guò)機(jī)載接收設(shè)備，確定自身與該路徑的相對(duì)位置，使飛機(jī)能夠沿著正確方向飛向跑道并且平穩(wěn)下降高度，最終實(shí)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(shí)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(shí)測(cè)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(jìn)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(shí)現(xiàn)WAAS-LPV進(jìn)近服務(wù)的機(jī)場(chǎng)分布

美國(guó)地基增強(qiáng)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(jìn)近）。WAAS與LAAS協(xié)同工作具備為用戶提供航空飛行各個(gè)階段的無(wú)線電導(dǎo)航服務(wù)。WAAS在2014年在全美實(shí)現(xiàn)了LPV-200服務(wù)，目前已經(jīng)公布了3656個(gè)LPV飛行程序，在89000架通航飛機(jī)上安裝了WAAS設(shè)備，全美實(shí)現(xiàn)WAAS-LPV進(jìn)近服務(wù)的機(jī)場(chǎng)如圖36所示，

目前WAAS只能為美國(guó)本土提供GPS的完好性增強(qiáng)服務(wù)，WAAS的目標(biāo)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(jìn)場(chǎng)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(kāi)展雙頻（L1，L5）多系統(tǒng)（dual-frequency multiconstellation，DFMC）的建設(shè)，持續(xù)開(kāi)展GEO衛(wèi)星升級(jí)、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(jī)場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)精密進(jìn)近，而且允許設(shè)計(jì)不同的進(jìn)近方式并降低開(kāi)發(fā)和使用的費(fèi)用。WAAS系統(tǒng)不但可以為飛行提供很多便利，同時(shí)還大幅度降低了運(yùn)行和維護(hù)成本。在機(jī)場(chǎng)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(gè)機(jī)場(chǎng)安裝了ILS設(shè)備，其每年的維護(hù)費(fèi)用是8,200萬(wàn)美元，而WAAS可以為5400個(gè)機(jī)場(chǎng)提供服務(wù)，每年的維護(hù)費(fèi)用僅5,000美元。