王啟舟，李銳,*，張晶燦，張超

1. 北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100191

2. 民航局 空管局技術(shù)中心，北京 100015

1 引言

目前GNSS已廣泛運用于民用航空、測繪、國防軍事和農(nóng)業(yè)等重要領(lǐng)域，為了滿足民用航空和國防軍事等對精度、完好性、連續(xù)性和可用性更高的要求[1]，國際民航組織提出了星基增強系統(tǒng)(satellite-based augmentation system，SBAS)的概念。目前美國、歐盟、日本和印度的星基增強系統(tǒng)都已建設(shè)完成投入使用，中國、俄羅斯和韓國的星基增強系統(tǒng)正在建設(shè)中。

以美國的WAAS(wide area augmentation system)為例，介紹SBAS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，比對WAAS不同GEO衛(wèi)星播發(fā)的不同類型的電文數(shù)據(jù)的異同，主要針對GEO電文MT2(message type 2)、MT3、MT4、MT5播發(fā)的快速改正數(shù)，MT25播發(fā)的長期改正數(shù)，MT18播發(fā)的電離層網(wǎng)格點掩碼信息和MT26播發(fā)的電離層延遲改正信息進行對比。這幾類電文對星歷星鐘誤差和電離層延遲誤差進行修正，直接影響WAAS的性能，對用戶服務(wù)至關(guān)重要。重點分析這幾類電文播發(fā)的一致性，以及用戶使用不同GEO播發(fā)電文對服務(wù)性能的影響。

2 WAAS架構(gòu)與廣域差分系統(tǒng)架構(gòu)的對比

WAAS能為其承諾服務(wù)區(qū)域內(nèi)裝有SBAS接收機的航空器用戶提供更加精確的改正數(shù)和完好性參數(shù)[2]，滿足用戶不同接近階段的需求，不需要機場建設(shè)額外的地面設(shè)備，具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。美國的WAAS系統(tǒng)是建設(shè)最早、運行時間最長的SBAS系統(tǒng)，目前WAAS在美國本土能為航空器提供LPV-200的進近服務(wù)，在北美有超過13.1萬架航空器裝備了WAAS接收機。

WAAS于20世紀90年代由美國聯(lián)邦航空局(FAA)牽頭建設(shè)，最終目的是在整個國家空域內(nèi)為200英尺(約61 m)以下的飛行器提供精密導航服務(wù)，在2003年7月完成基本建設(shè)并提供初始服務(wù)[3]。最初的WAAS系統(tǒng)有25個參考站(WAAS reference station, WRS)、兩個主控站(WAAS master station, WMS)、4個上注站(ground uplink station, GUS)和兩顆GEO衛(wèi)星。隨著近年WAAS系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對WAAS的改進涉及系統(tǒng)的各個方面[4-6]，包括但不限于增加地面站、改進電離層修正算法、更新硬件設(shè)備，例如接收機和天線。目前，WAAS共有38個參考站，其中4個建設(shè)在加拿大，5個建設(shè)在墨西哥，有3個主控站，6個上注站和3顆GEO衛(wèi)星[7]。

WAAS利用大量分布廣泛且已知確定位置的地面參考站接收GNSS衛(wèi)星播發(fā)的基本導航信號，將獲得的包括偽距、載波相位等數(shù)據(jù)發(fā)送到地面主控站。主控站對觀測數(shù)據(jù)中的各部分誤差區(qū)分并建模，計算處理得到相應(yīng)的差分改正數(shù)、完好性參數(shù)和降效參數(shù)等增強參數(shù)，將其編排成增強電文由上行注入站發(fā)送給SBAS衛(wèi)星。用戶將同時接收SBAS衛(wèi)星持續(xù)播發(fā)的增強電文與GNSS衛(wèi)星播發(fā)的基本導航信號完成定位解算[8]，達到提高用戶服務(wù)性能的目的。WAAS架構(gòu)如圖1所示。

WAAS提供初始服務(wù)時僅有2個主控站保證系統(tǒng)運行，當其中一個主控站因故障或升級而導致失效時，WAAS僅靠一個主控站支持系統(tǒng)運行且沒有其他信息冗余措施，此時WAAS面臨容易丟失空間信號(Signal in Space, SIS)的風險。為了在一個主控站因故障或升級而失效時WAAS依舊有足夠的信息冗余能力應(yīng)對此類風險，增加了第3個主控站。WAAS部署一顆GEO衛(wèi)星可能需要3年之久，增加第3顆GEO衛(wèi)星同樣也是為了當其中一顆GEO衛(wèi)星失效時，避免WAAS面臨長時間處于僅有一顆GEO衛(wèi)星運行的局面。WAAS增加的主站、注入站和GEO衛(wèi)星增強了WAAS系統(tǒng)的完好性和可用性，提高了信息冗余能力，增強系統(tǒng)的可靠性。

完好性是生命安全類用戶需要考慮的重要性能指標[10-11]，WAAS建立之初，為了保證系統(tǒng)的完好性，其接收機設(shè)計的基本思想是：每個WRS設(shè)置2臺獨立的接收機，得到2路獨立數(shù)據(jù)流，分別發(fā)送到2個主控站進行并行處理交叉驗證[12]。目前WAAS在工程實現(xiàn)中每個WRS設(shè)置了3套獨立的監(jiān)測接收機，形成3路獨立的數(shù)據(jù)流，均發(fā)給3個主控站進行交叉比對驗證。3個主控站分別對不同的數(shù)據(jù)流進行計算后生成改正數(shù)和完好性參數(shù)，然后每個主站將其編排成電文發(fā)給所有的6個注入站，每2個注入站對應(yīng)一顆GEO衛(wèi)星進行上注。

商業(yè)應(yīng)用成熟的廣域差分系統(tǒng)例如Starfire和Omnistar，采用在世界范圍內(nèi)的數(shù)十個雙頻參考站來對差分信息進行收集，使用數(shù)顆高頻通信衛(wèi)星實現(xiàn)對全球范圍的單重覆蓋，實現(xiàn)厘米級的高精度定位。其中Omnistar的布站分布與GEO衛(wèi)星服務(wù)范圍如圖2所示。WAAS架構(gòu)與廣域差分系統(tǒng)對比如表1所示。

表1 WAAS, Omnistar, Starfire架構(gòu)

此類廣域差分系統(tǒng)針對石油勘探、精密農(nóng)業(yè)等類靜止用戶提供服務(wù)，其系統(tǒng)設(shè)計時更關(guān)注于提供高精度定位而忽略系統(tǒng)完好性。雖然廣域差分系統(tǒng)參考站與GEO衛(wèi)星數(shù)量不少于WAAS，但其對全球用戶提供服務(wù)(南緯75°～北緯75°)，僅能實現(xiàn)通信鏈路的一重覆蓋，而WAAS服務(wù)范圍僅為美國本土及周邊，能對通信鏈路實現(xiàn)多重覆蓋。SBAS系統(tǒng)設(shè)計理念與廣域差分系統(tǒng)有最本質(zhì)的區(qū)別，SBAS針對民航的高生命安全需求，需要保證系統(tǒng)的可靠性，提供高完好性服務(wù)，因此WAAS系統(tǒng)設(shè)計時更注重保證系統(tǒng)的高完好性[14-16]。WAAS的高完好性體現(xiàn)在當系統(tǒng)出現(xiàn)故障失效時有足夠的信息冗余能力且能及時準確地告知用戶，即能保證系統(tǒng)在其中一個主控站計算錯誤的情況下仍有一套完好的增強電文播發(fā)給用戶。加入第3個主控站和第3顆GEO衛(wèi)星也是為了當其中一個主控站或者GEO衛(wèi)星失效時，WAAS依舊能夠擁有足夠的信息冗余能力應(yīng)對此類風險。WAAS使用不同GEO衛(wèi)星播發(fā)不同數(shù)據(jù)流解算得到的增強電文，利用SBAS主控站和GEO衛(wèi)星對服務(wù)器的多重覆蓋，從數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)鏈路傳輸上提高系統(tǒng)的可靠性，并對用戶使用SBAS信號做出了規(guī)范和約束，從而保證系統(tǒng)的高完好性。

3 WAAS電文對比分析

3.1 長期改正數(shù)與快速改正數(shù)電文對比

WAAS同時有3顆GEO衛(wèi)星向用戶播發(fā)增強電文，不同GEO分別播發(fā)不同主控站發(fā)送的增強信息和完好性參數(shù)，其中WAAS增加的第3個主控站與第3顆GEO衛(wèi)星(PRN131)是作為系統(tǒng)的備份以及試驗使用，其播發(fā)的電文數(shù)據(jù)通常不被用戶用于定位解算。選取2020年8月3日—2020年8月9日共一周的GEO133與GEO138播發(fā)的WAAS電文進行分析，使用應(yīng)用于PRN9,10,17,18,20,29,30共7顆衛(wèi)星的WAAS電文進行比對。

圖3 GEO 133和 GEO 138播發(fā)應(yīng)用于PRN10的時間的對比Fig.3 Comparison of broadcast time between GEO 133 and GEO 138 for PRN 10

圖4 GEO 133和GEO 138應(yīng)用于PRN10的參考時間t0的對比Fig.4 Comparison of reference time t0 between GEO 133 and GEO 138 for PRN 10

圖5 GEO 133和GEO 138播發(fā)的應(yīng)用于PRN10的δx的對比Fig.5 Comparison of δx between GEO 133 and GEO 138 for PRN 10

其中針對PRN9,20,29,30播發(fā)的MT25里各項參數(shù)的對比也同樣如此，均在一倍量化間隔以內(nèi)。

圖6 GEO 133和GEO 138播發(fā)的應(yīng)用于PRN10的的對比 between GEO 133 and GEO 138 for PRN 10

圖7 GEO 133和GEO 138播發(fā)的應(yīng)用于PRN10的δaf0的對比Fig.7 Comparison of δaf0 between GEO 133 and GEO 138 for PRN 10

圖8 GEO 133和GEO 138播發(fā)的應(yīng)用于PRN10的δaf1的對比Fig.8 Comparison of δaf1 between GEO 133 and GEO 138 for PRN 10

圖9 GEO 133和GEO 138播發(fā)的針對PRN17的δx對比Fig.9 Comparison of δx between GEO 133 and GEO 138 for PRN 17

圖10 GEO 133和GEO 138播發(fā)的針對PRN17的δx對比Fig.10 Comparison of δx between GEO 133 and GEO 138 for PRN 17

MT2-5播發(fā)快速改正數(shù)，數(shù)據(jù)齡期為6 s，根據(jù)最低運行性能標準RTCA DO-229E規(guī)定，對于一個標識為健康的GEO衛(wèi)星，當MT2-5播發(fā)的用戶差分測距誤差(user differential range error indicator, UDREI)小于12才能被用戶用于定位解算[17]。選取同一歷元播發(fā)且UDREI<12的快速改正數(shù)對比不同GEO衛(wèi)星播發(fā)的快速改正數(shù)，如圖11所示。由于快速改正數(shù)是對星鐘快變誤差的修正，直接作用在偽距上，快變誤差的隨機誤差要比慢變誤差大，所以相同參考站的不同接收機發(fā)送的數(shù)據(jù)流帶來的增強電文的差異比慢變誤差明顯要大，其中超過一倍量化間隔的歷元在統(tǒng)計數(shù)據(jù)中的占比為6.89%，顯著高于長期改正數(shù)的差異。

圖11 GEO 133和GEO 138 播發(fā)的應(yīng)用于PRN10的快改值的對比Fig.11 Comparison of PRC between GEO 133 and GEO 138 for PRN10

在ECEF坐標系下，將地球中心當作定位點，該點與衛(wèi)星的徑向方向可作為偽距方向，將長期改正數(shù)修正的星歷誤差投影到偽距域上，并與長期改正數(shù)計算得到的星鐘改正數(shù)和快速改正數(shù)相結(jié)合，結(jié)合值在偽距域上的差值對比如圖12、圖13所示?？梢钥闯觯煌珿EO衛(wèi)星播發(fā)的電文計算出的星歷星鐘改正數(shù)投影到偽距域上的差異最大值為0.56 m，其中超過快改一倍量化間隔0.125 m的組合值占比為17.46%。

圖12 GEO 133和GEO 138播發(fā)的應(yīng)用于PRN10的快改與慢改結(jié)合后投影到偽距域上的對比Fig.12 Comparison of combination of fast correction and long term correction in pseudo-range domain between GEO 133 and GEO 138 for PRN10

圖13 GEO 133和GEO 138播發(fā)的應(yīng)用于PRN10的快改加慢改結(jié)合后投影到偽距域上的對比的直方圖Fig.13 Hist of comparison of combination of fast correction and long term correction in pseudo-range domain between GEO 133 and GEO 138 for PRN10

本文選取位于美國Stafford地區(qū)的MRC100USA測站2020年8月3日—2020年8月9日共一周的數(shù)據(jù)分別于GEO133與GEO138播發(fā)的WAAS電文進行增強定位。結(jié)果顯示95%的水平定位精度分別為0.932 1 m和0.927 4 m，95%垂直定位精度分別為0.990 7 m和0.996 2 m，相互差異為毫米級。計算的水平保護級(horizontal protect level，HPL)和垂直保護級(vertical protect level，VPL)如圖14、圖15所示，計算得到的保護級均有較高一致性，差異為分米級。

圖14 GEO 133和GEO 138 播發(fā)電文計算的水平保護級差異Fig.14 Difference of HPL between GEO 133 and GEO 138

圖15 GEO 133和GEO 138 播發(fā)電文計算的垂直保護級差異Fig.15 Difference of VPL between GEO 133 and GEO 138

其中一個歷元出現(xiàn)保護級差異變大的情況，如圖14、圖15中小圖所示，原因為GEO 138播發(fā)的增強參數(shù)在當前測站的當前歷元僅使用5顆增強衛(wèi)星，可增強星數(shù)突然變少導致保護級突然變大，而GEO133播發(fā)的增強參數(shù)可增強衛(wèi)星數(shù)量仍為9顆，水平和垂直保護級沒有跳變。使用不同GEO衛(wèi)星播發(fā)的WAAS電文數(shù)據(jù)進行增強定位，在用戶端存在幾乎不影響定位精度和保護級的微小差異。對于WAAS而言，其多重覆蓋的播發(fā)架構(gòu)提供的冗余性使得用戶在當前SBAS衛(wèi)星播發(fā)的增強電文出現(xiàn)異常時可以選擇使用另一顆SBAS衛(wèi)星播發(fā)的增強電文進行定位，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3.2 電離層網(wǎng)格點掩碼信息與電離層延遲改正信息電文對比

電離層網(wǎng)格點掩碼信息由MT18電文播發(fā)，其中播發(fā)的參數(shù)有邊帶總數(shù)、邊帶號、電離層掩碼數(shù)據(jù)齡期(issue of data-ionosphere, IODI)和 IGP(ionospheric grid points)掩碼。本文統(tǒng)計共7天的數(shù)據(jù)中，GEO 133和GEO 138播發(fā)0、1、2、3、9共5個邊帶的信息。對GEO 133和GEO 138各個邊帶所發(fā)送的IGP掩碼進行對比，播發(fā)數(shù)據(jù)中邊帶0存有41個網(wǎng)格點的信息，邊帶1存有61個網(wǎng)格點的信息，邊帶2存有72個網(wǎng)格點的信息，邊帶3存有35個網(wǎng)格點的信息，邊帶9存有97個網(wǎng)格點的信息。在統(tǒng)計數(shù)據(jù)內(nèi)，兩顆衛(wèi)星在任意播發(fā)時刻對同一邊帶發(fā)送的IGP掩碼完全相同，這5個邊帶的IGP掩碼覆蓋了WAAS承諾服務(wù)的美國本土及其周邊地區(qū)。

電離層延遲改正信息由MT26播發(fā)，其中播發(fā)的主要參數(shù)為電離層垂直延遲(grid ionospheric vertical delay, GIVD)和電離層垂直延遲誤差標識(grid ionospheric vertical error indicator, GIVEI)。兩顆GEO衛(wèi)星播發(fā)的MT26都循環(huán)播發(fā)邊帶0、1、2、3、9的GIVE和GIVD。由于兩顆衛(wèi)星播發(fā)時間不相同，選取相同邊帶播發(fā)時刻相近歷元的與MT18匹配的網(wǎng)格點值進行比對。根據(jù)MT18播發(fā)的IGP掩碼，解出306個網(wǎng)格點的經(jīng)緯度坐標用最大差值、平均差值和差值小于一倍量化間隔比例3個指標對GIVD和GIVEI播發(fā)值進行比對分析。為了方便觀測，差值取絕對值。其中對兩顆GEO衛(wèi)星播發(fā)的GIVD分析如圖16～18所示。

圖16 GEO 133和GEO 138 播發(fā)的GIVD差值的最大值Fig.16 Maximum difference of GIVD between GEO 133 and GEO 138

圖17 GEO 133和GEO 138 播發(fā)的GIVD差值的平均值Fig.17 Mean difference of GIVD between GEO 133 and GEO 138

圖18 GEO 133和GEO 138 播發(fā)的GIVD差值小于一倍量化間隔的比例Fig.18 Proportion of GIVD difference broadcasted by GEO 133 and GEO 138 which is less than one quantization interval

可以看出，中間網(wǎng)格位置的差異較少，GIVD差值的最大值基本為0，GIVD差值的平均值也基本為0，小于一倍量化間隔的比例接近100%，有高度一致性；邊緣點GIVD差值的最大值為1 m左右，GIVD差值的平均值為0.03 m，且小于一倍量化間隔的比例顯著變低，大約為95%。

對比兩顆GEO衛(wèi)星的GIVEI播發(fā)值，如圖19～21所示。

圖19 GEO 133和GEO 138 播發(fā)的GIVEI差值的最大值Fig.19 Maximum difference of GIVEI between GEO 133 and GEO 138

圖20 GEO 133和GEO 138 播發(fā)的GIVEI差值的平均值Fig.20 Mean difference of GIVEI between GEO 133 and GEO 138

圖21 GEO 133和GEO 138 播發(fā)的GIVEI差值小于一倍量化間隔的比例Fig.21 Proportion of GIVEI difference broadcasted by GEO 133 and GEO 138 which is less than one quantization interval

可以看出靠近網(wǎng)格中心的值差異較小，一致性較高，靠近邊緣的差異性顯著增大，與對比GIVD播發(fā)值的結(jié)論一致。WAAS的參考站大量分布在美國本土及周邊國家，在網(wǎng)格中心位置的衛(wèi)星能被更多參考站觀測到，區(qū)域內(nèi)電離層網(wǎng)格穿刺點垂直延遲計算更為精確，主控站計算播發(fā)的電離層延遲改正數(shù)與其對應(yīng)的完好性參數(shù)也更為有效，與分析結(jié)論一致。

3.3 用戶選擇不同SBAS信號的規(guī)范和約束

4 結(jié)論

本文對比了WAAS不同GEO播發(fā)的電文數(shù)據(jù)，當SBAS衛(wèi)星均為健康可用時，兩顆GEO衛(wèi)星播發(fā)的電文存在微小差異。其中長期改正數(shù)中的各項參數(shù)的差異通常情況下不超過一倍量化間隔，極少數(shù)播發(fā)值的差異超過一倍量化間隔。而不同GEO衛(wèi)星播發(fā)的快速改正數(shù)的差異顯著大于長期改正數(shù)，因為快速改正數(shù)是對星鐘快變誤差的修正，直接作用在偽距上，不同接收機帶來偽距的隨機誤差較大。對于用戶而言，將長期改正數(shù)與快速改正數(shù)同時作用在偽距域上，有分米級的差異，在定位域上，95%定位精度有毫米級的差異，保護級有分米級的差異，不同GEO播發(fā)電文所引入的差異對定位解的影響可以忽略不計。對于電離層改正數(shù)及其完好性參數(shù)，在網(wǎng)格中心位置不同GEO衛(wèi)星播發(fā)值差異較小，具有高度一致性，在網(wǎng)格邊緣處一致性顯著降低。

本文同樣對比了備份衛(wèi)星GEO 131播發(fā)的增強電文與其他兩顆GEO衛(wèi)星播發(fā)的電文，統(tǒng)計結(jié)果均與上述結(jié)論一致。

不同于Starfire和Omnistar等廣域差分系統(tǒng)，WAAS在系統(tǒng)的設(shè)計上更注重保證其高完好性。WAAS每個參考站都配備了3套獨立的監(jiān)測接收機，分別發(fā)送觀測數(shù)據(jù)到3個主控站進行交叉比對，主控站將計算得到的改正數(shù)和完好性參數(shù)發(fā)給6個注入站，實現(xiàn)地面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的多重覆蓋。每2個注入站對應(yīng)1顆GEO衛(wèi)星，實現(xiàn)衛(wèi)星通信鏈路的多重覆蓋，3顆GEO衛(wèi)星分別向用戶播發(fā)不同的SBAS電文數(shù)據(jù)，實現(xiàn)下行通信鏈路的多重覆蓋。WAAS系統(tǒng)架構(gòu)層面上實現(xiàn)完好性實時監(jiān)測的基礎(chǔ)是必須建立一個足夠可靠的地面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信鏈路。