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 星基增強系統(tǒng)

1.1 星基增強系統(tǒng)產(chǎn)生的背景

GPS系統(tǒng)自建成以來到現(xiàn)在，其標準定位服務(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)的性能達到如表1中所提出的相應(yīng)要求。

根據(jù)霍普金斯大學對于GPS性能進行的評估，30顆GPS衛(wèi)星，在取消SA并且同時使用雙頻接收機的情況下，所提供的導航服務(wù)性能僅僅能滿足遠洋航路的要求。為此，必須對GPS性能進行增強滿足航空終端區(qū)導航甚至精密進近需求，因此廣域增強系統(tǒng)（Wide Area Augmentation System—WAAS，星基增強系統(tǒng)的重要成員）應(yīng)運而生。

1.2 美國的星基增強系統(tǒng)

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

美國的星基增強系統(tǒng)，廣域增強系統(tǒng)（WAAS），由地面監(jiān)測站網(wǎng)絡(luò)和同步通信衛(wèi)星構(gòu)成，用來增強全球定位系統(tǒng)（GPS）的服務(wù)性能，由美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）建設(shè)和管理。其最初設(shè)計目標是利用GPS/WAAS來替代ILS實現(xiàn)美國本土機場的一類精密進近，設(shè)計規(guī)模包括25個廣域監(jiān)測站和2個主控站構(gòu)成，服務(wù)范圍為美國本土。

表1 ICAO對于GNSS空間信號性能需求

2 廣域增強系統(tǒng)（WAAS）

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

美國的星基增系統(tǒng)稱為廣域增強系統(tǒng)(WAAS)，WAAS系統(tǒng)現(xiàn)由 38個廣域監(jiān)測站（Wide-area Reference Station—WRS）、3個廣域主控站（Wide-area Master Station—WMS）、3顆地球同步衛(wèi)星（GEOstationary—GEO）、6個地面上行注入站（Ground Uplink Stations—GUS）、2個操作控制中心（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，就已經(jīng)具備了 LNAV/VNAV和部分LPV導航能力了。為了實現(xiàn) LPV導航能力，F(xiàn)AA從2003年開始對WAAS進行了一系列的擴展。為了擴大LPV的服務(wù)范圍并提高其可用性，新建設(shè)了13個廣域監(jiān)測站（4個在阿拉斯加，4個在加拿大，5個在墨西哥，如圖2所示），并對廣域監(jiān)測站的接收機（使用NovAtel G-II接收機）及軟件進行了升級，使用新的信號質(zhì)量監(jiān)測算法。

同時，為了改進WAAS服務(wù)的可靠性，建設(shè)了第3個主控站，確保至少有兩個主控站是可用的，并對主控站軟件進行了升級換代。為了擴大 GEO衛(wèi)星的覆蓋冗余，對原有GEO衛(wèi)星進行更新?lián)Q代。新的WAAS衛(wèi)星實現(xiàn)了美國本土、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

2.2.2 研究進展

WAAS 最大的貢獻是對傳統(tǒng)衛(wèi)星導航系統(tǒng)架構(gòu)的完善，其率先采用的星座增強結(jié)構(gòu)、服務(wù)區(qū)柵格化監(jiān)管、完好性概念、完好性監(jiān)測與處理結(jié)構(gòu)、完好性通道、兼容與互操作設(shè)計等很多理念、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ILS（Instrument Landing System）設(shè)備價格昂貴。在全美范圍內(nèi)，有600個機場安裝了ILS設(shè)備，其每年的維護費用約 8千萬美元，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 機場

·854 LPV-200

·2,262 LPVs 至 Non-ILS 跑道

·1,102 LPVs 至 ILS 跑道

·1,535 LPVs 至 Non-ILS 機場

·525 LPs 服務(wù) 381 機場

·522 LPs 至 Non-ILS 跑道

·3 LPs 至 ILS 跑道

3 未來發(fā)展計劃

WAAS的發(fā)展主要分為四個階段：初步運行、實現(xiàn)LPV導航能力、實現(xiàn)LPV-200導航能力和實現(xiàn)雙頻運行，如表2所示。

圖4 WAAS RNP飛行程序?qū)嵤┦疽?/p>

表2 WAAS發(fā)展計劃

從技術(shù)開發(fā)角度，到目前為止WAAS發(fā)展的前兩個階段已經(jīng)完全實現(xiàn)。近年來，美國政府以及科研機構(gòu)一直積極開展星基增強系統(tǒng)發(fā)展研究工作，以期使該系統(tǒng)得到更進一步的發(fā)展，目前，研究的重點確定在建設(shè)雙頻多系統(tǒng)能力，建立支持國際民航組織（ICAO）導航系統(tǒng)專家組（NSP）和支持開發(fā)國外GNSS的SARPs草案和支持雙頻運行的用戶設(shè)備標準。另一研究的重點是高級 RAIM（ARAIM），目前ARAIM小組正在完成概念定義，開發(fā)新的機載航電設(shè)備途徑支持多系統(tǒng)，它將使用由ICAO，RTCA和EUROCAE開發(fā)的同等標準。

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