美國(guó)星基增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)

張彥東

（民航內(nèi)蒙古地區(qū)空中交通管理局，呼和浩特 010070）

1 星基增強(qiáng)系統(tǒng)

1.1 星基增強(qiáng)系統(tǒng)產(chǎn)生的背景

GPS系統(tǒng)自建成以來(lái)到現(xiàn)在，其標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（Standard Positioning Service — SPS）可以向民用用戶提供水平方向100m左右，垂直方向150m左右的定位精度，但隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，民用航空對(duì)于 GPS的應(yīng)用提出了更加苛刻的要求，即GPS必須滿足包括精度、完好性、連續(xù)性和可用性在內(nèi)的全方位性能要求。為了使衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠應(yīng)用于民用航空領(lǐng)域，必須保證系統(tǒng)的性能達(dá)到如表1中所提出的相應(yīng)要求。

根據(jù)霍普金斯大學(xué)對(duì)于GPS性能進(jìn)行的評(píng)估，30顆GPS衛(wèi)星，在取消SA并且同時(shí)使用雙頻接收機(jī)的情況下，所提供的導(dǎo)航服務(wù)性能僅僅能滿足遠(yuǎn)洋航路的要求。為此，必須對(duì)GPS性能進(jìn)行增強(qiáng)滿足航空終端區(qū)導(dǎo)航甚至精密進(jìn)近需求，因此廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（Wide Area Augmentation System—WAAS，星基增強(qiáng)系統(tǒng)的重要成員）應(yīng)運(yùn)而生。

1.2 美國(guó)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)

世界上現(xiàn)存正在使用的星基增強(qiáng)系統(tǒng)有：美國(guó)的WAAS（廣域增強(qiáng)系統(tǒng)），歐洲的EGNOS（歐洲同步衛(wèi)星導(dǎo)航覆蓋系統(tǒng)），日本的 MSAS（多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)），印度的 GAGAN（GPS輔助型靜地軌道增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)），俄羅斯的 SDCM（差分校正和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）。

美國(guó)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)，廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS），由地面監(jiān)測(cè)站網(wǎng)絡(luò)和同步通信衛(wèi)星構(gòu)成，用來(lái)增強(qiáng)全球定位系統(tǒng)（GPS）的服務(wù)性能，由美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）建設(shè)和管理。其最初設(shè)計(jì)目標(biāo)是利用GPS/WAAS來(lái)替代ILS實(shí)現(xiàn)美國(guó)本土機(jī)場(chǎng)的一類精密進(jìn)近，設(shè)計(jì)規(guī)模包括25個(gè)廣域監(jiān)測(cè)站和2個(gè)主控站構(gòu)成，服務(wù)范圍為美國(guó)本土。

表1 ICAO對(duì)于GNSS空間信號(hào)性能需求

2 廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

美國(guó)的星基增系統(tǒng)稱為廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS)，WAAS系統(tǒng)現(xiàn)由 38個(gè)廣域監(jiān)測(cè)站（Wide-area Reference Station—WRS）、3個(gè)廣域主控站（Wide-area Master Station—WMS）、3顆地球同步衛(wèi)星（GEOstationary—GEO）、6個(gè)地面上行注入站（Ground Uplink Stations—GUS）、2個(gè)操作控制中心（Operational Control Center—OCC）以及陸地通信網(wǎng)絡(luò)（Terrestrial communication Network—TCN）組成。WAAS系統(tǒng)的體系架構(gòu)如圖1所示。

2.2 發(fā)展現(xiàn)狀

2.2.1 系統(tǒng)現(xiàn)狀

在FAA宣布WAAS于2003年7月10日正式投入使用時(shí)，就已經(jīng)具備了 LNAV/VNAV和部分LPV導(dǎo)航能力了。為了實(shí)現(xiàn) LPV導(dǎo)航能力，F(xiàn)AA從2003年開(kāi)始對(duì)WAAS進(jìn)行了一系列的擴(kuò)展。為了擴(kuò)大LPV的服務(wù)范圍并提高其可用性，新建設(shè)了13個(gè)廣域監(jiān)測(cè)站（4個(gè)在阿拉斯加，4個(gè)在加拿大，5個(gè)在墨西哥，如圖2所示），并對(duì)廣域監(jiān)測(cè)站的接收機(jī)（使用NovAtel G-II接收機(jī)）及軟件進(jìn)行了升級(jí)，使用新的信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)算法。

同時(shí)，為了改進(jìn)WAAS服務(wù)的可靠性，建設(shè)了第3個(gè)主控站，確保至少有兩個(gè)主控站是可用的，并對(duì)主控站軟件進(jìn)行了升級(jí)換代。為了擴(kuò)大 GEO衛(wèi)星的覆蓋冗余，對(duì)原有GEO衛(wèi)星進(jìn)行更新?lián)Q代。新的WAAS衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了美國(guó)本土、阿拉斯加、加拿大和墨西哥的雙重覆蓋，提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和連續(xù)性，如圖3所示。

圖1 WAAS系統(tǒng)體系架構(gòu)

圖2 WAAS系統(tǒng)地面站分布示意

圖3 2008年與2013年WAAS覆蓋比對(duì)

2.2.2 研究進(jìn)展

WAAS 最大的貢獻(xiàn)是對(duì)傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)的完善，其率先采用的星座增強(qiáng)結(jié)構(gòu)、服務(wù)區(qū)柵格化監(jiān)管、完好性概念、完好性監(jiān)測(cè)與處理結(jié)構(gòu)、完好性通道、兼容與互操作設(shè)計(jì)等很多理念、結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。

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ILS（Instrument Landing System）設(shè)備價(jià)格昂貴。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)用約 8千萬(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5000美元。

截止到 2014年1月9日，已經(jīng)許可如下WAAS飛行程序：

·3,889 LP/LPVs 組合

·3,364 LPVs 服務(wù)1,661 機(jī)場(chǎng)

·854 LPV-200

·2,262 LPVs 至 Non-ILS 跑道

·1,102 LPVs 至 ILS 跑道

·1,535 LPVs 至 Non-ILS 機(jī)場(chǎng)

·525 LPs 服務(wù) 381 機(jī)場(chǎng)

·522 LPs 至 Non-ILS 跑道

·3 LPs 至 ILS 跑道

3 未來(lái)發(fā)展計(jì)劃

WAAS的發(fā)展主要分為四個(gè)階段：初步運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)LPV導(dǎo)航能力、實(shí)現(xiàn)LPV-200導(dǎo)航能力和實(shí)現(xiàn)雙頻運(yùn)行，如表2所示。

圖4 WAAS RNP飛行程序?qū)嵤┦疽?/p>

表2 WAAS發(fā)展計(jì)劃

從技術(shù)開(kāi)發(fā)角度，到目前為止WAAS發(fā)展的前兩個(gè)階段已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，美國(guó)政府以及科研機(jī)構(gòu)一直積極開(kāi)展星基增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展研究工作，以期使該系統(tǒng)得到更進(jìn)一步的發(fā)展，目前，研究的重點(diǎn)確定在建設(shè)雙頻多系統(tǒng)能力，建立支持國(guó)際民航組織（ICAO）導(dǎo)航系統(tǒng)專家組（NSP）和支持開(kāi)發(fā)國(guó)外GNSS的SARPs草案和支持雙頻運(yùn)行的用戶設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。另一研究的重點(diǎn)是高級(jí) RAIM（ARAIM），目前ARAIM小組正在完成概念定義，開(kāi)發(fā)新的機(jī)載航電設(shè)備途徑支持多系統(tǒng)，它將使用由ICAO，RTCA和EUROCAE開(kāi)發(fā)的同等標(biāo)準(zhǔn)。

[1]Kaplan, E.D., Hegarty, C.J.,寇艷紅.GPS 原理與應(yīng)用,第二版[M].北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

[2]曹沖.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)競(jìng)爭(zhēng)格局和發(fā)展趨勢(shì)研究[J].全球定位系統(tǒng), 2006, 31 (3).

[3]譚述森.衛(wèi)星導(dǎo)航定位工程[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007.

[4]Walter Todd, Enge Per, Reddan Pat.Modernizing WAAS[C].Proceedings of the Institute of Navigation#s GNSS Meeting (ION GNSS 2004), 2004.

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

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

[7]宋煒琳.WAAS 技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].Radio Engineering,2007, 1137(16).