美国的广域增强系统（WAAS）

　　美国的联邦航空局（FAA）开发GPS系统的广域增强系统（WAAS，Wide Area Augmentation System）和局域增强系统（LASS，Local Area Augmentation System），也就是星基增强系统和地基增强系统。这两种增强系统具有同样的一些指标要求：完好性、可用性和精度。

 

　　完好性是指向用户发送警报的能力，在预设的秒钟数内实施，紧急退出GPS导航应用。

 

　　可用性之所以需要，是确保用户在几乎100%的时间内都能使用GPS民用服务。精度增加是进行飞机精密进近和着陆的导航运作所必须的。

 

　　WAAS覆盖美国大陆，所提供的导航信号能支持从航路至1类（CAT－1）精密进近的导航。LAAS覆盖半径通常在机场周围为30英里左右的区域内，提供向上支持CAT－Ⅱ/Ⅲ的精密进近能力。WAAS与LAAS一起工作，能为用户提供航空飞行各阶段的导航能力。

　　国际上GNSS和美国的GPS增强系统

 

　　（1）美国的广域增强系统（WAAS）

 

　　广域增强系统（WAAS）是由美国FAA首先提出的为民航飞行及其最终着陆阶段飞行而建立的一个精密导航系统，该系统可以使数千公里范围内DGPS定位精度达到2.5米，并可确保系统的完好性和连续性。

 

　　WAAS是联邦航空局（FAA）发展的星基GPS增强系统（SBAS），该系统用来对国家空域系统（NAS）中所有的飞行阶段提供横向和纵向的导航，但不包含第二类和第三类精密进近服务。WAAS主要是为航空用户设计，它提供一个空中信号使WAAS用户能够在飞行的精密进近阶段中进行导航。这个空中信号提供三个服务：1）GPS和地球同步卫星（GEO）信号的完好性数据；2）提供GPS和GEO卫星的差分改正信息来改善精度；3）提供测距能力来提高可用性和连续性。FAA在2000年8月宣布WAAS将连续广播差分改正信息，并开始用于与生命安全关系不大的应用领域。WAAS作为一个导航的补充手段，它对安全性应用的初始运行能力（IOC）是在2003年以后才开始。WAAS完好性和性能小组（WIPP）建议，在取得初始运行能力后，WAAS可以持续改进来扩大覆盖范围、提高非精密进近应用和区域导航（RNAV）的可用性、提高信号冗余度、减少运行限制、支持精密进近。最后，为了提高性能，一个关键的建议是，使用新的民用信号GPS L5（1176.45），装备有L5接收机的用户提供牢靠的、抗干扰的可用性服务。这种改进的结果将使国家空域系统中装备有WAAS航空电子设备的飞机得到所有飞行阶段的导航（不包含2类和3类精密进近方法）。

　　美国WAAS系统的组成

 

　　WAAS技术就是利用分布在世界或全美各地的基准站对GPS进行连续观测，从而计算出卫星轨道改正数、卫星钟差改正数和电离层改正数。利用专用大功率电台或专用卫星将这些改正数发送给用户。用户利用这些改正数对测得的观测量进行修正，最后计算出所在点位坐标，精度可达到1m。

 

　　为了应对GPS的反电子欺骗（AS）政策，人们采用了一种称为P-W技术和L1与L2交叉相关技术，恢复出L2载波相位观测值。这一技术不要求知道W码的结构，只要求知道W码的定位信息，于是克服了保密P码无法解扩的困难。这种定位信息可由实验方法测定出近似值即可。由Z跟踪技术提取L2的Y码信息，从而实现L1，L2载波全波的观测量。这种方法获取数据的信噪比是很高的，比相关接收提高了13dB，比平方技术提高了16dB，甚至比码相关技术提高了3dB。这样，使得GPS静态相对定位的精度跨入了毫米量级。

 

　　WAAS是利用地面站导航信号的增强。实现精准测量的地面高精度参考站网，可以从整体上保障美国全国性的（包括阿拉斯加、夏威夷和波多黎各）卫星数据采集，利用站网实际观测数据导出相关信息用来修正多种多样的信号误差。这些改正信息通过上行数据链传送给卫星，随后通过卫星广播给用户接收机，广播信号的频率与GPS相同，无需另外设置新的接收机。WAAS的建立旨在提供附加的精度、完好性和可用性，这些都是航空飞行各阶段用户必需的，WAAS能覆盖的所有相关的飞行阶段，利用它可发展更为标准化的精密进近方法，错失进近和离港引导，在美国空域差不?嘤?100条跑道，数百个直升机场/停机坪。WAAS也能增加定位报告精度，允许更为正规的和高质量的全球航空交通管理（ATM）。此外WAAS还会给航空以外的所有交通运输方式带来好处，包括航海、公路、和铁路。

 

　　WAAS是安全要求极严格的系统，由空间信号和地面网络构成，其目标是增强GPS，用以支持全航路直至精密进近的飞机导航。WAAS信号将从同步卫星向用户广播，用作为基本的导航传感器，提供测距功能，改善可用性和可靠性，提供GPS差分改正以改善定位精度，达到米级，提供完好性监测改善安全性。这种利用同步卫星实现增强的方式称为星基增强服务（SBAS），己投入工作的除了美国的WAAS，还有欧洲的EGNOS，日本的MSAS也进行此类增强。

　WAAS、EGNOS和MSAS主要服务区

 

　　u WAAS提供的误差改正数据：WAAS提供两种不同的误差改正数，一是改正GPS定位的位置（星历）和时钟误差信息，二是电离层误差改正数。第一种改正数与用户位置无关，它们能用于WAAS服务区内所有位置上的用户。第二种改正数专门针对专门的区域，这就是说WAAS可以提供位于WAAS服务区内的不同点位（组成网格图）的电离层改正数。用户接收机计算所接收到的GPS信号时其算法中就应用用户所在位置相对应的网格点的值。因此，相应的点对于每个卫星是不一样的，因此在用户接收机处理数据时，要考虑GPS卫星相对于用户位于天空中不同的位置这一事实。考虑了两组改正数的组合应用，能明显增?佣ㄎ痪?群涂尚哦取?

 

　　u WAAS提供六秒钟预警：WAAS在6秒钟内要完成以下两个动作之一：一是修正用户位置，确保精度保护门限以外的回到保护门限以内来。如果WAAS能在6秒之内修正错误信息，则无需LAPS系统的完好性。二是关闭连接，指示用户机不再使用相关卫星导航数据。如果系统在6秒钟之内不能修正错误的信息，则它就变成有害的误导信息（HMI），将不用于导航。

 

　　u WAAS也能用于车辆导航：对于车辆导航，WAAS是非常有用的，它可以将GPS的水平定位精度从10－12m提高到1－2m。这种提高意味着能分清道路两边的往返车道，知道在道路的哪一边，能确定多车道的所在巷道，以及其它专门的定位。因此，WAAS在车辆应用中变得越来越普遍。事实上，公共安全部门，包括警察、消防、救援和交通运输部门都已经或正在运用WAAS。利用带WAAS功能的接收机进行建筑设计、改进公路交通，开展一系列车辆导航服务。美国Onstar公司，已将WAAS组合到2008型的GM汽车上。Onstar声明在气囊起作用的15秒之内报告出汽车位置。WAAS除了给定位提高精度外，还能为生命安??仍??春么ΑＲ材苁迪直煌档梁捅唤俪殖盗镜母?俸颓芑瘛４送猓琖AAS能用于智能交通，作为高精度定位的一种最好选择。

 

　　从GPS工作伊始，国际上，特别是欧洲，透过国际民航组织这一窗口，一直致力于建设一个纯民用的全球卫星导航系统（GNSS）的努力。通过实践和研究，又将GNSS分为两步走计划，即GNSS1和GNSS2。简而言之，GNSS1就是对现有的GPS和GLONASS 进行增强，目前欧洲所积极运作的EGNOS便是GNSS1行动的一个组成部分，当然美国的WAAS和日本的MSAS均属于这一范畴。值得指出的是，这种增强是区域性的，是星基增强，真正要实现全球性的增强，则多个广域增强的星基系统必须实施兼容和联网互动。从更高的应用层次和级别而言，还需要全球性的地面局域增强系统（LAAS）联??虿钩洌?娇杀ＶずＢ娇仗於嗄＝煌ㄔ耸涞母咝Ш桶踩?诵小?NSS2则是像Galileo这样的新颖的全球卫星导航系统，加上现有的或经过现代化改造后的GPS和GLONASS，或者还有其它的新建系统，共同构成全球多个系统的相对独立、各具特色、互动兼容、互为备份、彼此补充的崭新格局，当然这类系统也不是越多越好，而是适可而止，最经济实用的办法是走国际合作，共同发展的道路。

 

　　（2）WAAS系统的空间段

 

　　广域增强系统（WAAS），主要依赖位于西经98°W、107°W和133°W三颗地球静止轨道卫星，在它们的覆盖范围提供相应的服务。为了确保该系统提供垂直定位服务的性能目标，是在双星覆盖的要求得到长期满足，也就是用户接收机同时至少能够接收到两个对地静止卫星的增强信号。

　　WAAS空间段的三颗卫星

　　WAASdGEO卫星覆盖区域图形

 

　　（1）WAAS系统的地面段

 

　　由38个WAAS参考站（WRS）组成的北美广域参考站网，覆盖加拿大，墨西哥和美国，包括阿拉斯加和夏威夷，以及波多黎各。美国联邦航空管理局计划将广域参考站的接收机进行升级，使之能够处理新的GPS L5信号。

 

　　3 个WAAS主控站（WMS）：由WRS采集到的数据通过地面通信网络转发到WAAS主站（WMS）。在WMS生成为WAAS增强消息。

 

　　6个地球上行站（GUS）：它们负责将WMS生成的WAAS消息传输给地球静止通信卫星导航有效载荷，用于广播给用户使用。

 

　　2个运行控制中心（OCC），用于监视系统的性能，并进行必要的校正和定期维护操作。

 

　　（2）WAAS系统的用户段

 

　　WAAS用户段，由GNSS接收机构成，它能够将GPS信息与WAAS GEO卫星广播的空间信号组合起来。由此可见，用户段不是在WAAS服务提供商FAA的控制之下，而是由GNSS应用市场所驱动。虽然WAAS的首要目标是民航用户群体，但是大多数GPS接收机现在均可以配置为接收和处理WAAS的空间信号（SIS），从而使它们可以从WAAS所提供的增强的准确性和/或完好性获益。

 

　　应该指出，航空应用的用户机必须满足一定的标准，并且得到相应机构的认证许可，方能够在飞机上使用。任何WAAS飞机用户，必须使用支持SBAS标准的GPS接收机，并且经过SBAS航空电子设备认证批准。 WAAS的用户设备应符合（认证）的若干标准，如RTCA DO MOPS229（见SBAS标准）。民航认证的设备是相对于成本最高级别。全球有许多个经过大量认证的接收机制造商。

 

　　（3）WAAS的信号

 

　　广域增强系统（WAAS）提供了由GEO卫星发射的测距信号、广域差分改正，以及旨在保证GNSS用户的完好性等附加参数。其中GEO测距，是由GEO卫星发射类似GPS的L1信号，以增加提供给用户的可用导航卫星数目；广域差分（WAD），是对现有的GPS和GEO导航服务进行广域计算出来的差分改正数，以提高导航服务的性能，它们包括卫星轨道和时钟的误差改正数，以及信号穿过电离层遭受延迟信息估算；GNSS /地面完好性通道（GIC），完好性告知GPS和GEO的可用性和安全导航服务的信息。

 

　　WAAS空间信号（SIS），已被设计为最低标准GPS接收机的硬件改进型。信号接口特征，包括载波和调制的无线电频率、消息结构、通信协议，以及WAAS消息的内容。WAAS信号实际上是发送一个类似GPS的L1（1574.42兆赫）信号，用粗/捕获伪随机噪声（PRN）码调制的3 个GEO卫星广播。在WAAS L1射频特性如下表所示。

　WAAS L1射频信号的主要特性

 

　　（1）WAAS的演变和未来

 

　　WAAS发展分为阶段，它们是：

 

　　第一阶段 - 初始工作能力（IOC）， 2003年完成；

 

　　第二阶段 - 全LPV性能，2008年完成；

 

　　第三阶段 - 全LPV-200的性能，计划2009-2013；

 

　　第四阶段 - 双频率运作，计划实施在2014至2028年。

 

　　第一阶段，WAAS实现初始工作能力（IOC），提供LNAV / VNAV /有限的LPV能力；第二阶段，在美国本土和阿拉斯加，WAAS提供改进LPV可用性，并且扩大覆盖到墨西哥和加拿大；第三阶段，意味着有以下改变，技术更新覆盖系统开发、现代化改进和增强，稳态运行和维护，如更换旧的WRSs，路由器升级......,以及空间段升级，在空间形成具有WAAS信号的广播第三个GEO卫星（海事卫星AMR，PRN＃133）。启动GPS L5的行动：规范、规划、定义接口和标准，开发接收器机等；第四阶段，WAAS将开始推进双频（L1-L5）体制运作，这将意味着，逐步过渡到SBAS L1 / L5双频服务。而SBAS-L1单频传统服务，将延续到2028年，维持一个强大、可靠、可持续的LPV-200能力。在LPV-200功能的维护，特别注意其稳定性和可靠性。为了实现高可用性的性能，与稳步运营和维护平稳，需要提高严重太阳活动期间的服务。

 

　　2015年4月，美国联邦航空管理局（FAA）??已签署1.03 亿美元的合同，由雷神公司承担保持维护GPS广域增强系统（WAAS）。公司将研发新的有效载荷，并结合新的地球静止卫星和两个相关的地面上行站，以支持美国空域的WAAS系统。该WAAS GEO-6的有效载荷，将装备到地球静止轨道（GEO）的商用卫星上托管。GEO-6的WAAS系统，与GEO-5（2012年与雷声公司签署的合同），将取代正接近其服务租赁到期的另外两个WAAS GEO有效载荷。WAAS GEO- 6有效载荷将在2017年第二季度发射。从而，实现WAAS增强从单频（L1）系统转换为WAAS双频系统（L1 / L5）的运作过程。美国联邦航空局计划，将维持双频WAAS的GEO直到至少2044 年。