美国星基增强系统发展现状和未来

张彦东

（民航内蒙古地区空中交通管理局，呼和浩特 010070）

1 星基增强系统

1.1 星基增强系统产生的背景

GPS系统自建成以来到现在，其标准定位服务（Standard Positioning Service — SPS）可以向民用用户提供水平方向100m左右，垂直方向150m左右的定位精度，但随着应用领域的不断拓展，民用航空对于 GPS的应用提出了更加苛刻的要求，即GPS必须满足包括精度、完好性、连续性和可用性在内的全方位性能要求。为了使卫星导航系统能够应用于民用航空领域，必须保证系统的性能达到如表1中所提出的相应要求。

根据霍普金斯大学对于GPS性能进行的评估，30颗GPS卫星，在取消SA并且同时使用双频接收机的情况下，所提供的导航服务性能仅仅能满足远洋航路的要求。为此，必须对GPS性能进行增强满足航空终端区导航甚至精密进近需求，因此广域增强系统（Wide Area Augmentation System—WAAS，星基增强系统的重要成员）应运而生。

1.2 美国的星基增强系统

世界上现存正在使用的星基增强系统有：美国的WAAS（广域增强系统），欧洲的EGNOS（欧洲同步卫星导航覆盖系统），日本的 MSAS（多功能卫星增强系统），印度的 GAGAN（GPS辅助型静地轨道增强导航系统），俄罗斯的 SDCM（差分校正和监测系统）。

美国的星基增强系统，广域增强系统（WAAS），由地面监测站网络和同步通信卫星构成，用来增强全球定位系统（GPS）的服务性能，由美国联邦航空管理局（FAA）建设和管理。其最初设计目标是利用GPS/WAAS来替代ILS实现美国本土机场的一类精密进近，设计规模包括25个广域监测站和2个主控站构成，服务范围为美国本土。

表1 ICAO对于GNSS空间信号性能需求

2 广域增强系统（WAAS）

2.1 系统构成

美国的星基增系统称为广域增强系统(WAAS)，WAAS系统现由 38个广域监测站（Wide-area Reference Station—WRS）、3个广域主控站（Wide-area Master Station—WMS）、3颗地球同步卫星（GEOstationary—GEO）、6个地面上行注入站（Ground Uplink Stations—GUS）、2个操作控制中心（Operational Control Center—OCC）以及陆地通信网络（Terrestrial communication Network—TCN）组成。WAAS系统的体系架构如图1所示。

2.2 发展现状

2.2.1 系统现状

在FAA宣布WAAS于2003年7月10日正式投入使用时，就已经具备了 LNAV/VNAV和部分LPV导航能力了。为了实现 LPV导航能力，FAA从2003年开始对WAAS进行了一系列的扩展。为了扩大LPV的服务范围并提高其可用性，新建设了13个广域监测站（4个在阿拉斯加，4个在加拿大，5个在墨西哥，如图2所示），并对广域监测站的接收机（使用NovAtel G-II接收机）及软件进行了升级，使用新的信号质量监测算法。

同时，为了改进WAAS服务的可靠性，建设了第3个主控站，确保至少有两个主控站是可用的，并对主控站软件进行了升级换代。为了扩大 GEO卫星的覆盖冗余，对原有GEO卫星进行更新换代。新的WAAS卫星实现了美国本土、阿拉斯加、加拿大和墨西哥的双重覆盖，提高了系统的可靠性、可用性和连续性，如图3所示。

图1 WAAS系统体系架构

图2 WAAS系统地面站分布示意

图3 2008年与2013年WAAS覆盖比对

2.2.2 研究进展

WAAS 最大的贡献是对传统卫星导航系统架构的完善，其率先采用的星座增强结构、服务区栅格化监管、完好性概念、完好性监测与处理结构、完好性通道、兼容与互操作设计等很多理念、结构和关键技术。

WAAS可以向大范围内的用户提供精确的定位服务和相应的完好性保障，这就使得服务范围内的所有机场可以实现精密进近，而且允许设计不同的进近方式并降低开发和使用的费用。

WAAS不但可以为飞行提供很多便利，同时还大幅度降低了运行和维护成本。在机场安装一套ILS（Instrument Landing System）设备价格昂贵。在全美范围内，有600个机场安装了ILS设备，其每年的维护费用约 8千万美元，而WAAS可以为5400个机场提供服务，每年的维护费用仅5000美元。

截止到 2014年1月9日，已经许可如下WAAS飞行程序：

·3,889 LP/LPVs 组合

·3,364 LPVs 服务1,661 机场

·854 LPV-200

·2,262 LPVs 至 Non-ILS 跑道

·1,102 LPVs 至 ILS 跑道

·1,535 LPVs 至 Non-ILS 机场

·525 LPs 服务 381 机场

·522 LPs 至 Non-ILS 跑道

·3 LPs 至 ILS 跑道

3 未来发展计划

WAAS的发展主要分为四个阶段：初步运行、实现LPV导航能力、实现LPV-200导航能力和实现双频运行，如表2所示。

图4 WAAS RNP飞行程序实施示意

表2 WAAS发展计划

从技术开发角度，到目前为止WAAS发展的前两个阶段已经完全实现。近年来，美国政府以及科研机构一直积极开展星基增强系统发展研究工作，以期使该系统得到更进一步的发展，目前，研究的重点确定在建设双频多系统能力，建立支持国际民航组织（ICAO）导航系统专家组（NSP）和支持开发国外GNSS的SARPs草案和支持双频运行的用户设备标准。另一研究的重点是高级 RAIM（ARAIM），目前ARAIM小组正在完成概念定义，开发新的机载航电设备途径支持多系统，它将使用由ICAO，RTCA和EUROCAE开发的同等标准。

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