WAAS卫星播发电文一致性分析

王启舟，李锐,*，张晶灿，张超

1. 北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100191

2. 民航局 空管局技术中心，北京 100015

1 引言

目前GNSS已广泛运用于民用航空、测绘、国防军事和农业等重要领域，为了满足民用航空和国防军事等对精度、完好性、连续性和可用性更高的要求[1]，国际民航组织提出了星基增强系统(satellite-based augmentation system，SBAS)的概念。目前美国、欧盟、日本和印度的星基增强系统都已建设完成投入使用，中国、俄罗斯和韩国的星基增强系统正在建设中。

以美国的WAAS(wide area augmentation system)为例，介绍SBAS的系统结构，比对WAAS不同GEO卫星播发的不同类型的电文数据的异同，主要针对GEO电文MT2(message type 2)、MT3、MT4、MT5播发的快速改正数，MT25播发的长期改正数，MT18播发的电离层网格点掩码信息和MT26播发的电离层延迟改正信息进行对比。这几类电文对星历星钟误差和电离层延迟误差进行修正，直接影响WAAS的性能，对用户服务至关重要。重点分析这几类电文播发的一致性，以及用户使用不同GEO播发电文对服务性能的影响。

2 WAAS架构与广域差分系统架构的对比

WAAS能为其承诺服务区域内装有SBAS接收机的航空器用户提供更加精确的改正数和完好性参数[2]，满足用户不同接近阶段的需求，不需要机场建设额外的地面设备，具有巨大的经济效益和社会效益。美国的WAAS系统是建设最早、运行时间最长的SBAS系统，目前WAAS在美国本土能为航空器提供LPV-200的进近服务，在北美有超过13.1万架航空器装备了WAAS接收机。

WAAS于20世纪90年代由美国联邦航空局(FAA)牵头建设，最终目的是在整个国家空域内为200英尺(约61 m)以下的飞行器提供精密导航服务，在2003年7月完成基本建设并提供初始服务[3]。最初的WAAS系统有25个参考站(WAAS reference station, WRS)、两个主控站(WAAS master station, WMS)、4个上注站(ground uplink station, GUS)和两颗GEO卫星。随着近年WAAS系统的不断发展，对WAAS的改进涉及系统的各个方面[4-6]，包括但不限于增加地面站、改进电离层修正算法、更新硬件设备，例如接收机和天线。目前，WAAS共有38个参考站，其中4个建设在加拿大，5个建设在墨西哥，有3个主控站，6个上注站和3颗GEO卫星[7]。

WAAS利用大量分布广泛且已知确定位置的地面参考站接收GNSS卫星播发的基本导航信号，将获得的包括伪距、载波相位等数据发送到地面主控站。主控站对观测数据中的各部分误差区分并建模，计算处理得到相应的差分改正数、完好性参数和降效参数等增强参数，将其编排成增强电文由上行注入站发送给SBAS卫星。用户将同时接收SBAS卫星持续播发的增强电文与GNSS卫星播发的基本导航信号完成定位解算[8]，达到提高用户服务性能的目的。WAAS架构如图1所示。

WAAS提供初始服务时仅有2个主控站保证系统运行，当其中一个主控站因故障或升级而导致失效时，WAAS仅靠一个主控站支持系统运行且没有其他信息冗余措施，此时WAAS面临容易丢失空间信号(Signal in Space, SIS)的风险。为了在一个主控站因故障或升级而失效时WAAS依旧有足够的信息冗余能力应对此类风险，增加了第3个主控站。WAAS部署一颗GEO卫星可能需要3年之久，增加第3颗GEO卫星同样也是为了当其中一颗GEO卫星失效时，避免WAAS面临长时间处于仅有一颗GEO卫星运行的局面。WAAS增加的主站、注入站和GEO卫星增强了WAAS系统的完好性和可用性，提高了信息冗余能力，增强系统的可靠性。

完好性是生命安全类用户需要考虑的重要性能指标[10-11]，WAAS建立之初，为了保证系统的完好性，其接收机设计的基本思想是：每个WRS设置2台独立的接收机，得到2路独立数据流，分别发送到2个主控站进行并行处理交叉验证[12]。目前WAAS在工程实现中每个WRS设置了3套独立的监测接收机，形成3路独立的数据流，均发给3个主控站进行交叉比对验证。3个主控站分别对不同的数据流进行计算后生成改正数和完好性参数，然后每个主站将其编排成电文发给所有的6个注入站，每2个注入站对应一颗GEO卫星进行上注。

商业应用成熟的广域差分系统例如Starfire和Omnistar，采用在世界范围内的数十个双频参考站来对差分信息进行收集，使用数颗高频通信卫星实现对全球范围的单重覆盖，实现厘米级的高精度定位。其中Omnistar的布站分布与GEO卫星服务范围如图2所示。WAAS架构与广域差分系统对比如表1所示。

表1 WAAS, Omnistar, Starfire架构

此类广域差分系统针对石油勘探、精密农业等类静止用户提供服务，其系统设计时更关注于提供高精度定位而忽略系统完好性。虽然广域差分系统参考站与GEO卫星数量不少于WAAS，但其对全球用户提供服务(南纬75°～北纬75°)，仅能实现通信链路的一重覆盖，而WAAS服务范围仅为美国本土及周边，能对通信链路实现多重覆盖。SBAS系统设计理念与广域差分系统有最本质的区别，SBAS针对民航的高生命安全需求，需要保证系统的可靠性，提供高完好性服务，因此WAAS系统设计时更注重保证系统的高完好性[14-16]。WAAS的高完好性体现在当系统出现故障失效时有足够的信息冗余能力且能及时准确地告知用户，即能保证系统在其中一个主控站计算错误的情况下仍有一套完好的增强电文播发给用户。加入第3个主控站和第3颗GEO卫星也是为了当其中一个主控站或者GEO卫星失效时，WAAS依旧能够拥有足够的信息冗余能力应对此类风险。WAAS使用不同GEO卫星播发不同数据流解算得到的增强电文，利用SBAS主控站和GEO卫星对服务器的多重覆盖，从数据源和数据链路传输上提高系统的可靠性，并对用户使用SBAS信号做出了规范和约束，从而保证系统的高完好性。

3 WAAS电文对比分析

3.1 长期改正数与快速改正数电文对比

WAAS同时有3颗GEO卫星向用户播发增强电文，不同GEO分别播发不同主控站发送的增强信息和完好性参数，其中WAAS增加的第3个主控站与第3颗GEO卫星(PRN131)是作为系统的备份以及试验使用，其播发的电文数据通常不被用户用于定位解算。选取2020年8月3日—2020年8月9日共一周的GEO133与GEO138播发的WAAS电文进行分析，使用应用于PRN9,10,17,18,20,29,30共7颗卫星的WAAS电文进行比对。

图3 GEO 133和 GEO 138播发应用于PRN10的时间的对比Fig.3 Comparison of broadcast time between GEO 133 and GEO 138 for PRN 10

图4 GEO 133和GEO 138应用于PRN10的参考时间t0的对比Fig.4 Comparison of reference time t0 between GEO 133 and GEO 138 for PRN 10

图5 GEO 133和GEO 138播发的应用于PRN10的δx的对比Fig.5 Comparison of δx between GEO 133 and GEO 138 for PRN 10

其中针对PRN9,20,29,30播发的MT25里各项参数的对比也同样如此，均在一倍量化间隔以内。

图6 GEO 133和GEO 138播发的应用于PRN10的的对比 between GEO 133 and GEO 138 for PRN 10

图7 GEO 133和GEO 138播发的应用于PRN10的δaf0的对比Fig.7 Comparison of δaf0 between GEO 133 and GEO 138 for PRN 10

图8 GEO 133和GEO 138播发的应用于PRN10的δaf1的对比Fig.8 Comparison of δaf1 between GEO 133 and GEO 138 for PRN 10

图9 GEO 133和GEO 138播发的针对PRN17的δx对比Fig.9 Comparison of δx between GEO 133 and GEO 138 for PRN 17

图10 GEO 133和GEO 138播发的针对PRN17的δx对比Fig.10 Comparison of δx between GEO 133 and GEO 138 for PRN 17

MT2-5播发快速改正数，数据龄期为6 s，根据最低运行性能标准RTCA DO-229E规定，对于一个标识为健康的GEO卫星，当MT2-5播发的用户差分测距误差(user differential range error indicator, UDREI)小于12才能被用户用于定位解算[17]。选取同一历元播发且UDREI<12的快速改正数对比不同GEO卫星播发的快速改正数，如图11所示。由于快速改正数是对星钟快变误差的修正，直接作用在伪距上，快变误差的随机误差要比慢变误差大，所以相同参考站的不同接收机发送的数据流带来的增强电文的差异比慢变误差明显要大，其中超过一倍量化间隔的历元在统计数据中的占比为6.89%，显著高于长期改正数的差异。

图11 GEO 133和GEO 138 播发的应用于PRN10的快改值的对比Fig.11 Comparison of PRC between GEO 133 and GEO 138 for PRN10

在ECEF坐标系下，将地球中心当作定位点，该点与卫星的径向方向可作为伪距方向，将长期改正数修正的星历误差投影到伪距域上，并与长期改正数计算得到的星钟改正数和快速改正数相结合，结合值在伪距域上的差值对比如图12、图13所示。可以看出，不同GEO卫星播发的电文计算出的星历星钟改正数投影到伪距域上的差异最大值为0.56 m，其中超过快改一倍量化间隔0.125 m的组合值占比为17.46%。

图12 GEO 133和GEO 138播发的应用于PRN10的快改与慢改结合后投影到伪距域上的对比Fig.12 Comparison of combination of fast correction and long term correction in pseudo-range domain between GEO 133 and GEO 138 for PRN10

图13 GEO 133和GEO 138播发的应用于PRN10的快改加慢改结合后投影到伪距域上的对比的直方图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

本文选取位于美国Stafford地区的MRC100USA测站2020年8月3日—2020年8月9日共一周的数据分别于GEO133与GEO138播发的WAAS电文进行增强定位。结果显示95%的水平定位精度分别为0.932 1 m和0.927 4 m，95%垂直定位精度分别为0.990 7 m和0.996 2 m，相互差异为毫米级。计算的水平保护级(horizontal protect level，HPL)和垂直保护级(vertical protect level，VPL)如图14、图15所示，计算得到的保护级均有较高一致性，差异为分米级。

图14 GEO 133和GEO 138 播发电文计算的水平保护级差异Fig.14 Difference of HPL between GEO 133 and GEO 138

图15 GEO 133和GEO 138 播发电文计算的垂直保护级差异Fig.15 Difference of VPL between GEO 133 and GEO 138

其中一个历元出现保护级差异变大的情况，如图14、图15中小图所示，原因为GEO 138播发的增强参数在当前测站的当前历元仅使用5颗增强卫星，可增强星数突然变少导致保护级突然变大，而GEO133播发的增强参数可增强卫星数量仍为9颗，水平和垂直保护级没有跳变。使用不同GEO卫星播发的WAAS电文数据进行增强定位，在用户端存在几乎不影响定位精度和保护级的微小差异。对于WAAS而言，其多重覆盖的播发架构提供的冗余性使得用户在当前SBAS卫星播发的增强电文出现异常时可以选择使用另一颗SBAS卫星播发的增强电文进行定位，提高了系统的可靠性。

3.2 电离层网格点掩码信息与电离层延迟改正信息电文对比

电离层网格点掩码信息由MT18电文播发，其中播发的参数有边带总数、边带号、电离层掩码数据龄期(issue of data-ionosphere, IODI)和 IGP(ionospheric grid points)掩码。本文统计共7天的数据中，GEO 133和GEO 138播发0、1、2、3、9共5个边带的信息。对GEO 133和GEO 138各个边带所发送的IGP掩码进行对比，播发数据中边带0存有41个网格点的信息，边带1存有61个网格点的信息，边带2存有72个网格点的信息，边带3存有35个网格点的信息，边带9存有97个网格点的信息。在统计数据内，两颗卫星在任意播发时刻对同一边带发送的IGP掩码完全相同，这5个边带的IGP掩码覆盖了WAAS承诺服务的美国本土及其周边地区。

电离层延迟改正信息由MT26播发，其中播发的主要参数为电离层垂直延迟(grid ionospheric vertical delay, GIVD)和电离层垂直延迟误差标识(grid ionospheric vertical error indicator, GIVEI)。两颗GEO卫星播发的MT26都循环播发边带0、1、2、3、9的GIVE和GIVD。由于两颗卫星播发时间不相同，选取相同边带播发时刻相近历元的与MT18匹配的网格点值进行比对。根据MT18播发的IGP掩码，解出306个网格点的经纬度坐标用最大差值、平均差值和差值小于一倍量化间隔比例3个指标对GIVD和GIVEI播发值进行比对分析。为了方便观测，差值取绝对值。其中对两颗GEO卫星播发的GIVD分析如图16～18所示。

图16 GEO 133和GEO 138 播发的GIVD差值的最大值Fig.16 Maximum difference of GIVD between GEO 133 and GEO 138

图17 GEO 133和GEO 138 播发的GIVD差值的平均值Fig.17 Mean difference of GIVD between GEO 133 and GEO 138

图18 GEO 133和GEO 138 播发的GIVD差值小于一倍量化间隔的比例Fig.18 Proportion of GIVD difference broadcasted by GEO 133 and GEO 138 which is less than one quantization interval

可以看出，中间网格位置的差异较少，GIVD差值的最大值基本为0，GIVD差值的平均值也基本为0，小于一倍量化间隔的比例接近100%，有高度一致性；边缘点GIVD差值的最大值为1 m左右，GIVD差值的平均值为0.03 m，且小于一倍量化间隔的比例显著变低，大约为95%。

对比两颗GEO卫星的GIVEI播发值，如图19～21所示。

图19 GEO 133和GEO 138 播发的GIVEI差值的最大值Fig.19 Maximum difference of GIVEI between GEO 133 and GEO 138

图20 GEO 133和GEO 138 播发的GIVEI差值的平均值Fig.20 Mean difference of GIVEI between GEO 133 and GEO 138

图21 GEO 133和GEO 138 播发的GIVEI差值小于一倍量化间隔的比例Fig.21 Proportion of GIVEI difference broadcasted by GEO 133 and GEO 138 which is less than one quantization interval

可以看出靠近网格中心的值差异较小，一致性较高，靠近边缘的差异性显著增大，与对比GIVD播发值的结论一致。WAAS的参考站大量分布在美国本土及周边国家，在网格中心位置的卫星能被更多参考站观测到，区域内电离层网格穿刺点垂直延迟计算更为精确，主控站计算播发的电离层延迟改正数与其对应的完好性参数也更为有效，与分析结论一致。

3.3 用户选择不同SBAS信号的规范和约束

4 结论

本文对比了WAAS不同GEO播发的电文数据，当SBAS卫星均为健康可用时，两颗GEO卫星播发的电文存在微小差异。其中长期改正数中的各项参数的差异通常情况下不超过一倍量化间隔，极少数播发值的差异超过一倍量化间隔。而不同GEO卫星播发的快速改正数的差异显著大于长期改正数，因为快速改正数是对星钟快变误差的修正，直接作用在伪距上，不同接收机带来伪距的随机误差较大。对于用户而言，将长期改正数与快速改正数同时作用在伪距域上，有分米级的差异，在定位域上，95%定位精度有毫米级的差异，保护级有分米级的差异，不同GEO播发电文所引入的差异对定位解的影响可以忽略不计。对于电离层改正数及其完好性参数，在网格中心位置不同GEO卫星播发值差异较小，具有高度一致性，在网格边缘处一致性显著降低。

本文同样对比了备份卫星GEO 131播发的增强电文与其他两颗GEO卫星播发的电文，统计结果均与上述结论一致。

不同于Starfire和Omnistar等广域差分系统，WAAS在系统的设计上更注重保证其高完好性。WAAS每个参考站都配备了3套独立的监测接收机，分别发送观测数据到3个主控站进行交叉比对，主控站将计算得到的改正数和完好性参数发给6个注入站，实现地面监测网络的多重覆盖。每2个注入站对应1颗GEO卫星，实现卫星通信链路的多重覆盖，3颗GEO卫星分别向用户播发不同的SBAS电文数据，实现下行通信链路的多重覆盖。WAAS系统架构层面上实现完好性实时监测的基础是必须建立一个足够可靠的地面监测网络和卫星通信链路。