WAAS电离层格网播发特性及其性能评估

常志巧，陈金平，刘 利，胡小工，郭 睿，辛 洁，曹月玲，马岳鑫

(1.32021部队，北京100094；2.中国科学院 上海天文台，上海200030)

1 引言

为提高GPS导航性能，降低使用风险，美国联邦航空局(federal aviation administration,FAA)于1992年启动了广域增强系统(wide area augmentation system,WAAS)建设，2003年7月被FAA正式应用于生命安全领域[1]。WAAS由38个参考站，3个主站，6个上行注入站及3个GEO卫星有效载荷组成[2]，已广泛应用于美国大陆和阿拉斯加大部分地区，为航空用户提供从航路阶段到有垂直引导的LPV-200增强服务。其精度、完好性、连续性和可用性较基本导航得到大幅提升。欧洲、日本、俄罗斯、印度相继建立相似的广域增强系统。这些广域增强系统采用GEO L1C/A信号播发卫星星历、钟差、电离层改正数和修正后误差范围，为GPS L1C/A单频用户提供星基增强服务，信息编排遵循航空无线电技术委员会(radio technical commission for aeronautics,RTCA)发布的RTCA DO-229E[3]标准。

电离层延迟信息是单频非差分定位最主要的误差源之一。在广域增强服务中，格网电离层决定了增强系统服务等级，RTCA DO-229E标准中规定若未收到电离层格网信息，则增强系统只能提供非紧密进近(non-precision approach,NPA)服务。我国正在建设的北斗星基增强系统(BeiDou satellite-based augmentation services,BDSBAS)，将实现与国际其他增强系统兼容互操作，提供包括基于L1/CA信号播发的单频和基于L5播发的双频多星座(dual frequency multi-constellation,DFMC)增强服务[4]。研究成熟增强系统WAAS的电离层格网信息编排方式、播发特性，格网可用性以及格网电离层垂直延迟改正精度等有利于用户正确使用格网电离层改正信息，对我国正在建设的单频星基增强系统有参考价值。

2 基于RTCA协议的电离层格网信息编排方法

增强电文的每个电文数据帧由250 bit构成，播发时间为1 s。其中，最高8 bit为同步头序列，接下来6 bit表示信息类型，最低24 bit为循环冗余校验位，其余212 bit为数据域。因上注链路带宽有限，无法大范围播发任意地点的电离层格网信息，RTCA接口协议将全球划分为11个边带(编号0―10)，每个边带至多有201个格网点，采用播发定义电离层格网点位置信息的格网点掩码来映射需要播发的格网电离层延迟信息，只播发特定边带掩码序列中对应比特位数值为1的电离层格网信息，这种方式可以提供最有效的电离层模型。格网点掩码采用信息类型18(Tyep 18)表示(定义见表1)，信息类型18通过边带编号来指明其掩码所针对的边带，边带总数说明当前GEO卫星播发掩码的边带总数，以便用户确认是否接收所有的电离层相关数据。每帧信息类型18中，可以播发一个边带的格网掩码。

表1 信息类型18参数描述

WAAS信息类型26(Tyep 26)中包含格网电离层垂直延迟(grid ionospheric vertical delay,GIVD)和格网电离层垂直误差(grid ionospheric vertical error,GIVE)，GIVE是电离层残余误差以99.9%置信概率的包络[5]，GIVEI是格网电离层垂直误差标识，与GIVE之间的映射关系见RTCA-DO229E。信息类型26具体定义见表2。信息类型18和信息类型26每帧电文包含电离层掩码数据龄期(issue of data ionospheric,IODI)，用以保证接收机正确解析电离层改正数。只有当信息类型18中的IODI与信息类型26中的IODI匹配成功，信息类型26才是可以使用的电离层信息。每帧信息类型26可以播发信息类型18中格网掩码比特位为1的15个有效格网点电离层信息，一个边带的格网电离层延迟信息需要通过多帧播发。表2中的“……”代表同一区段中其余格网点按照格网点1及格网点2的方式循环。

表2 信息类型26参数描述

3 WAAS电离层格网播发特性分析

增强电文可以从ftp://nstb.tc.faa.gov下载，每颗GEO卫星的所有信息类型按天储存为一个文件。WAAS共有PRN 131,PRN 135和PRN 138共3颗GEO卫星，分别定点于西经117◦,133◦和107.3◦。笔者下载了从2019年1月1日至2019年1月31日3颗GEO卫星的WAAS电文，根据RTCA DO-229E协议，进行了电文解析。

采用2019年1月1日的WAAS电文，对3颗GEO卫星信息类型18和信息类型26进行对比分析发现，虽然PRN131,135,138的覆盖区域不同，但每颗GEO卫星播发相同的电离层信息，电离层数据版本与其余电离层信息内容完全一致。以PRN135为例，分析格网电离层播发总体特性。通过对2019年1月的电文数据进行分析发现，电离层数据版本号IODI长期保持0不变，即播发边带总数、边带号以及边带播发具体格网都不变。总体而言，WAAS播发5个边带的电离层掩码信息，边带编号为0,1,2,3,9，占用电文5帧，即每个更新周期需要5 s播发信息类型18。每个边带及其对应的区段总数见表3，总计共播发306个格网点信息，共占用23个区段数，占用电文23帧，即一个更新周期需要23 s播发信息类型26。

表3 WAAS格网电离层播发总体特性

RTCA协议中对每一类信息的最大更新时间有明确规定，对于Type18和Type26规定的更新周期均为300 s，超时时间均为1200 s。通过对2019年1月Type18和Type26电文的更新周期分析，发现Type18电离层掩码更新时间间隔平均为219.2 s，最小为144 s，最大为259 s，具体情况见图1。Type26电离层延迟更新时间间隔平均为288.2 s，最小为288 s，最大为302 s，具体情况见图2，时间间隔符合RTCA协议要求。

图1 格网掩码信息更新周期

图2 电离层延迟信息更新周期

4 WAAS电离层格网信息可用性分析

WAAS系统把复杂的电离层描述为距地面350 km的薄层[3]，作为电离层参考面。在参考面上，按一定间隔分割成一定数量的网格。各参考站实时计算可视范围内导航卫星的电离层延迟，同时计算出在电离层格网面上穿刺点经纬度，根据穿刺点信息估算服务区内格网电离层垂直延迟和GIVEI。格网电离层的可用性与参考站和穿刺点分布相关。图3给出了38个WAAS参考站分布图，参考站坐标来自文献[1]。图4给出了2019年1月1日―2019年1月7日连续7 d电离层穿刺点分布。

图3 WAAS参考站分布图

图4 连续7天WAAS穿刺点分布图

RTCA DO-229E标准中规定精密进近服务模式下，必须使用所有WAAS改正，当GIVEI为15时，该格网点不可用。图5表明WAAS播发的306个格网点分布及每个格网点的可用性。可用性采用式(1)计算：

图5 WAAS电离层格网点可用性分布(GIVEI<15为可用)

其中，tstart和tend分别为一组测试数据的起始和结束时刻；T为固定的历元时间间隔，如果在当前历元t时GIVEI<15，则Boot(t)=1，否则Boot(t)=0。

对图5进行统计，以GIVEI小于15为可用条件，WAAS播发263个可用性为100%的电离层格网信息，覆盖范围广，在整个北美洲大陆和周边延伸20◦海域的范围内几乎所有格网点可用性为100%。但在夏威夷群岛地区，虽然布设了一个参考站，但其周围的格网点可用性为0。GIVEI反映了格网点电离层延迟的精度，用于计算用户水平和垂直保护水平。当GIVEI较大时，会影响服务的可用性；GIVEI较小以致不能包络格网电离层延迟误差时，容易引发危险误导信息。不同的WAAS格网可用条件会导致不同的可用性统计结果。表4列出了五种条件下WAAS格网可用性统计。

表4 WAAS格网可用性统计/格网个数

从表4可以看出，随着GIVEI可用门限值的降低，高可用性的格网个数减少，低可用性的格网个数增加。当GIVEI门限值为11时，可用性大于99.9%的格网个数只剩54个，呈断崖式减小趋势。图6给出了当GIVEI门限值为11时，WAAS电离层格网可用性分布。

图6 WAAS电离层格网点可用性分布(GIVEI<11为可用)

WAAS系统建设之初采用反距离加权IDW(inverse distance weighed)算法解算格网电离层延迟信息[6]，为了使得整个格网模型连续，在IDW算法的基础上引入名义延迟模型，发展了附加Klobuchar模型的反距离加权(inverse distance weighed with Klobuchar,IDWK)算法[7−9]。印度的星基增强系统(GPS and GEO augmented navigation system,GAGAN)[10−11]和中国的北斗系统也采用IDWK算法解算格网电离层。IDW或IDWK算法优点是快速、简单，对具有较高观测密度的样本，可以获得较好的空间插值精度；缺点是边缘区域和观测稀疏区域的插值精度、格网点可用性均会下降。目前，WAAS已采用了Kriging空间相关内插方案计算格网电离层垂直延迟[12]，采用基于电离层异常状态的卡方检验算法计算GIVE[13]。

图5、图6和表4是利用Kriging插值方法计算的格网可用性。图7给出了采用IDWK方法求解的WAAS格网可用性(可用性门限为GIVEI=15)。从图7可以看出，可用性高的格网点位于美国本土、阿拉斯加及具有穿刺点分布的区域，几乎与参考站布设范围一致。夏威夷群岛地区由于布设了参考站，部分时段也能求解格网电离层延迟信息。对比Kriging和IDWK插值方法的格网可用性，发现Kriging插值方法大幅拓展了可用格网点覆盖范围，但也造成脱离大陆的夏威夷群岛附近的格网点完全不可用。

5 WAAS格网电离层垂直延迟改正精度分析

本文通过欧洲定轨中心(Center for Orbit Determination in Europe,CODE)发布的全球电离层图(global ionosphere map,GIM)[14,15]来对GIVD的改正精度进行评估，评估时段为2019年1月1日全天。表5将WAAS提供的306个格网点按照不同GIVEI进行分类统计，统计结果表明，在GIVEI<14的情况下，不同GIVEI，格网电离层垂直延迟的改正精度差异较小，GIM评估的RM S在0.170∼0.248 m范围内。当GIVEI=14时，其GIM评估的RM S明显大于GIVEI<14的情况。

表5 格网电离层垂直延迟改正精度统计 m

对所有GIVEI<15的格网点的格网改正精度进行统计分析，结果见图8。从图中可以看出，格网电离层垂直延迟的改正精度与参考站及穿刺点分布相关性较小，与纬度相关性较大。在中低纬地区(北纬40◦以南地区)，格网电离层垂直延迟的改正精度低于高纬地区。

图8 GIM模型评估的WAAS所有可用格网点垂直延迟误差统计分布

图9和图10分别为西经100◦北纬25◦、西经150◦北纬65◦格网点电离层垂直延迟改正误差，时间跨度为2019年1月1日全天。对比两图发现，无论中低纬还是高纬地区，电离层垂直延迟误差都能修正大部分电离层延迟误差；在中低纬地区电离层延迟数值较大，改正后的残差相应也较大；在高纬度地区电离层延迟数值较小，改正后的残差相应也较小。

图9 低纬地区格网电离层垂直延迟改正误差

图10 高纬地区格网电离层垂直延迟改正误差

本章只利用了CODE播发的GIM产品初步分析了GIVD的改正精度，下一步将尝试采用未参与WAAS格网电离层解算的GNSS监测站的高精度双频观测资料计算电离层延迟信息，进一步计算和分析WAAS格网电离层垂直延迟改正精度，并对GIVE的包络能力进行分析。

6 结论

本文对WAAS 3颗GEO卫星播发的电离层格网信息进行了统计分析，采用不同的可用性条件对格网电离层的可用性进行评估，利用CODE发布的GIM模型对WAAS格网电离层垂直延迟改正精度进行了计算。得到的主要结论如下所述。

(1)在播发特性方面，3颗GEO卫星播发相同的电离层信息；电离层数据版本号IODI长期不变，表明每个更新周期内每次播发的格网数量及分布都不变。WAAS总共播发306个格网点信息，需要5帧电文播发Type18，需要23帧电文播发Type26；Type18和Type26更新周期满足RTCA协议要求。

(2)在格网可用性方面，当以GIVEI=15为门限值时，WAAS播发263个可用性为100%的电离层格网信息，覆盖包括整个北美大陆及海岸线20◦以外的大部分地区，覆盖范围远超穿刺点的分布范围。穿刺点稀疏地区的GIVEI大于穿刺点密集地区的格网点。当以GIVEI=11为门限值时，WAAS仅能播发54个可用性为100%的电离层格网信息，仅覆盖美国大陆、阿拉斯加和部分穿刺点密集区域。通过对比Kiriging和IDWK插值方法的可用性，发现IDWK方法仅对参考站布设范围内的格网点具有较高的可用性，Kriging插值方法大幅拓展了可用格网点覆盖范围，但也造成脱离大陆的夏威夷群岛附近的格网点完全不可用。

(3)在格网改正精度方面，当GIVEI=14时，格网电离层垂直延迟改正误差大于GIVEI<14的情况。当GIVEI<14时，不同GIVEI，格网电离层垂直延迟的改正精度差异较小，GIM评估的RM S为0.170∼0.248 m，GIM评估的格网电离层垂直延迟的改正精度与参考站及穿刺点分布相关性较小，与纬度相关性较大。在中低纬地区(北纬40◦以南地区)，格网电离层垂直延迟的改正精度低于高纬地区。