衛星導航廣域增強系統結構及特點*

(中國西南電子技術研究所，成都610036)

1 引 言

衛星導航系統的服務關系到大量用戶的生命、財產安全，特別是作為民用系統時，更強調服務的質量和安全性，要求系統具備定位、授時等服務高精度；確保系統的完好性、可用性、連續性等服務質量；要求系統具備應有的強壯性，包括系統的冗余性、更好的服務區監管能力。這些特殊需求決定了衛星導航系統的結構、技術發展的獨特性，區別于一般的衛星應用系統。

美國的全球衛星導航系統(GPS)首先作為軍用系統，繼而向民用開放的定位和設計思想，決定了它存在以下不足，即使將來系統升級以后也不能得到全面解決：

(1)GPS導航服務的提供是單方向的，即系統對提供的定位精度、服務質量沒有閉環監測和反饋能力。從全球覆蓋范圍的實際情況來看，不同覆蓋區不同位置GPS提供的定位服務精度不同，并且還會隨時間變化，而一旦出現系統定位服務精度嚴重下降、異常情況，僅依靠GPS本身地面保障系統的架構與分布無法做到及時發現、反饋；

(2)GPS沒有快速告警手段和通道，發生系統異?；蛑袛嗲闆r時不能及時把告警信息通報廣大用戶，可能導致大量用戶仍使用錯誤的導航信息，引發大規模的風險和損失；

(3)GPS軍用L2頻點不對民用開放，一般民用用戶只能采用L1單頻服務，不能采用雙頻測量方法自主消除電離層延遲這一較大誤差項，導致定位精度受限不能滿足民用飛行導航需求，特別是飛行起降的精度和服務要求。

為了增強GPS民用服務的質量、安全性以及工作效率，美國聯邦航空局(FAA)率先針對單頻民用用戶建設了完整的GPS增強系統，包括廣域增強系統(WAAS)以及局域增強系統(LAAS)等，這兩種系統都是差分原理的進一步拓展，需要與GPS聯合使用。以GPS/WAAS為主要無線電導航手段，可以完整地保障航空飛行機場到機場間的自動飛行全過程，進一步結合LAAS系統可以實現飛行器在機場的自動起降過程。

以GPS提供的標準服務為基礎，如果增加覆蓋全球的廣域增強系統，使它成為全球通用的主要無線電導航手段，就可以形成完整的星基增強系統(SBAS)。利用這套系統可以實現飛行器的全球自主導航和自由飛行，使跨洋或洲際性國際航線設計徹底擺脫對地面導航臺分布的依賴和限制，大大縮短飛行里程，縮短飛行時間，節省燃油，解決不斷上升的油料價格問題；對于機場來說，利用這套系統后可以有效控制飛機間的起降間隔，大大提高跑道的起降使用效率，在同一個空域內減小各飛行通道間的間距，增加飛行并行通道的數量，在節約物資、人力、時間資源等方面創造的直接和間接效益不可估量。

2 國內外發展

2003年7月，美國WAAS已正式運行，由2個主控站、25個參考站以及4顆海事衛星(Inmarsat)組成(目前啟用2顆海事衛星運行，主要覆蓋美國本土)。下一步的升級工作包括：參考站將會增加到38個，提高對美國本土、阿拉斯加，以及墨西哥、加拿大的覆蓋，并增加1個主控站和2顆同步衛星，以增加系統資源的冗余度，提高服務的連續性和擴展服務覆蓋區域。進一步的研究也會針對GPS增加的民用導航新頻點(L5)，以及增加對Galileo系統的增強設計[1]。

在美國開始建設WAAS后，全球其它國家或地區也紛紛建設了各自獨立的廣域增強系統，包括歐洲的EGNOS系統、日本的MSAS系統和天頂星系統(QZSS)、我國的衛星導航增強系統(SNAS)，以及印度的GAGAN系統[2]，如圖1所示。

圖1 目前世界各國建立的星基增強系統

需要強調的是，所有這些系統都還限于區域覆蓋性質，是不完整的，只有實現全球聯網才能真正發揮這套系統的效能。目前，美國的WAAS、加拿大的CWAAS、歐洲的EGNOS、日本的MSAS已開展了第一步的兼容與互操作試驗，而我國建設的衛星導航增強系統還未具備與國際上其它同類增強系統的兼容與互操作性。

3 系統組成與工作原理

作為一種GPS天基增強系統，整個WAAS系統由主控站、地面參考站網絡、地面上行注入站(GUS)、完好性通道(同步衛星GEO)，以及用戶接收機組成。服務區內大量參考站密集分布在規劃的柵格節點上，同時采集GPS衛星/WAAS衛星的雙頻偽距、星歷、對流層延遲等原始觀測數據，實時傳送到主控站，主控站處理后生成衛星位置、鐘差等差分改正數，電離層分布柵格，以及完好性等級/告警數據等增強數據，通過上行注入站(GUS)向GEO發送，通過GEO透明轉發器快速轉發給用戶接收機，用戶結合GPS和WAAS兩種導航數據可以得到更高精度、更高安全性、可靠性的導航定位服務。

圖2 WAAS系統組成框圖

局域增強系統(LAAS)則是一種GPS地基增強系統，配置在機場，受美國國家航空管理系統的統一管理，以支持更精確的航空運輸交管工作，包括飛機全天候的精確進場著陸過程，機場上空的精確導航和調度管理等。LAAS利用差分載波相位平滑偽距修正算法增強GPS標準服務，修正信息通過VHF頻段向視距內的飛機廣播，覆蓋機場周圍小區域(約45 km半徑范圍)。與WAAS相比較，LAAS具有更高的定位精度、可用性、連續性和完好性，完好性監測著重在機場小區域范圍，告警速度也更快，可以提供垂直定位精度達到0.5～1 m，優于自動著陸2.5 m的標準要求，可以直接應用于中小型飛行器的自動起降過程。

FAA提出的WAAS第一次把導航作為一項服務，全面定義了服務質量要求[3]，包括：

(1)高精度。通過廣播的修正信息，可以使GPS定位精度從100 m(SA開)提高到水平約2～3 m、高程7 m的精度，可以直接引領一般飛行器跨區域的跑道至跑道的整個飛行過程，甚至可以實現一般大中型飛行器的起降過程；

(2)完好性。完好性是指為確保導航安全，當衛星導航系統出現異常、故障或精度不滿足要求時，實時向用戶發出告警的能力。完好性指標直接影響著衛星導航系統的系統精度、系統連續性和可用性等其它幾項指標，并最終直接關系到大量最終用戶的生命財產安全，因此整個系統的完好性監測設計將直接影響大系統的構架和設計，并且會一直伴隨整個系統的生命周期過程；越是系統運行的后期，隨著星地系統設備的老化衰退，完好性的重要性就越發重要；

(3)連續性。連續性是指用戶飛行計劃階段中預計的服務質量(包括精度、完好性監測)，與實際飛行過程中導航系統提供的服務質量相比較，預計與實際過程相符合的概率。需要注意的是，只要系統硬件失效或導致工作中斷的告警信息都會導致這一服務質量考核指標下降，而48 h以前就已預測到的衛星失效則不會影響這一指標；

(4)可用性?？捎眯允侵刚麄€系統的導航功能和異常檢測功能都正常工作的概率，包括整個GPS/WAAS星地系統、空間導航服務信號，系統提供服務的精度、完好性、連續性都能滿足工作要求。

4 系統技術特點

WAAS最重要的特點是提出了系統增強這一全新結構，并且具有星座增強、服務區柵格化監管、完好性監測與處理結構、完好性通道、兼容與互操作設計等技術特點。

4.1 星座增強

WAAS計劃采用4顆同步衛星，既作為GPS星座的增強，也作為完好性告警通道，實現準全球覆蓋。同步衛星覆蓋范圍廣，位置穩定，對地面用戶高仰角工作，沒有中軌衛星起落的影響，作為一個穩定的測距信號源，可補充GPS星座有效可見衛星數量，增強系統的星座分布和穩定性，一方面減小定位幾何因子(GDOP)，提高了系統定位服務的精度，同時也增強了系統的可用性，增強了系統自主完好性的管理能力。

4.2 服務區柵格化監管[1]

WAAS首次采用了柵格化模式，對服務區進行分割細化監管。通過在服務區內廣泛分布大量的參考站形成數據采集柵格，分別采集各自站點對衛星的觀測數據、氣象數據、電離層延遲數據上報主控站，主控站處理后形成服務區內不同柵格服務能力的等級劃分，從而實現對整個服務區內導航服務質量全面的實時監測與評估。

服務區柵格化的另一個重要作用是對導航服務區上空的電離層分布進行實時精確測量與監視。電離層受太陽日照光化學的影響，以及對流過程的影響，曲面分布不規則且變化復雜，只有利用柵格化監管方式，把復雜的電離層曲面細化分割，才能實現對導航服務區上空電離層分布曲面的整體描繪。電離層柵格分布向單頻用戶廣播后，用戶可以利用內插方式修正各衛星導航信號傳播路徑上的電離層延遲，減小這一重要誤差項。

4.3 完好性監測與處理結構

WAAS的完好性監測與處理更強調安全性、可靠性與快速性，因此首次采用了獨立數據采集、數據并行處理、平行一致性檢驗，以及交叉驗證結構[5]。

(1)每個參考站采用獨立的3臺接收機同時觀測采集GPS導航衛星、WAAS同步衛星的數據，通過合理性檢驗與一致性檢驗，從中選擇符合一致性的2臺接收機的數據上報；

(2)上報的兩套數據分別在主、備兩個主控站同時并行處理；

(3)每個主控站收集齊所有參考站上報的兩組數據，同時在兩個獨立的數據處理流程中并行處理，兩個流程的結果必須通過平行一致性檢驗后才輸出給上行注入站(GUS)；

(4)主、備兩個主控站的處理結果分別送往對應注入站時，同時也交叉互送，實現對兩個主控站處理結果的交叉正確性驗證；

(5)最終處理結果只有通過了所有平行一致性檢驗和交叉正確性驗證后，再通過WAAS完好性通道向外廣播。

4.4 完好性通道

WAAS標準規定從系統發現GPS異常到最終用戶收到告警信息，整個過程時延要小于6 s，并且告警信息的發播通道與鏈路要獨立于GPS自身的信息鏈路，因此WAAS選擇采用同步衛星攜帶的透明轉發器(彎管轉發器)作為完好性通道。WAAS最終選用覆蓋全球的4顆海事同步衛星(Inmarsat)的C/L轉發器作為完好性通道，具有以下特點：

(1)同步衛星覆蓋范圍廣，工作在透明轉發模式，告警信號傳輸延遲小、可靠性高，沒有存儲再轉發方式帶來的多環節延遲、誤碼比對與糾錯的問題；緊急情況下快速發布告警信息的能力大大提高，便于實現6 s內快速告警的目標；

(2)整個完好性通道的星地系統架構簡單，數據的形成在地面完成，星載設備簡單，可靠性高，造價和長期維護費用低；

(3)完好性告警通道一方面廣播導航系統異常告警信息、完好性等級，同時也廣播廣域差分數據，包括衛星軌道修正、鐘差的快慢變化、電離層延遲柵格分布等；

(4)注入站上行C頻段信號經過透明轉發器轉下行時，同時變頻為L1頻段和C頻段信號轉發，用于測量同步衛星位置形成精密星歷，以及測量同步衛星上下行信號傳播路徑上的電離層延遲。

4.5 系統兼容與互操作設計

兼容與互操作特性既是實現WAAS內部協調一致工作的關鍵，也是實現全球同類GPS增強系統聯網工作的關鍵。根據目前全球衛星導航系統國際委員會(ICG)的定義，衛星導航系統兼容與互操作的定義是：

(1)兼容性定義：全球或區域衛星導航及其增強系統的工作能力，不管是獨立使用或綜合使用，對任意一個獨立系統本來的服務和能力都不會導致不可接受的干擾或其它損害；

(2)互操作定義：用戶綜合使用多個系統得到的服務水平(定位、導航、授時)等效或超過其中任意一個系統單獨提供的服務水準。

WAAS導航信號必須與GPS導航信號聯合使用才有意義，因此 WAAS導航信號體制的設計最大限度地保持了與GPS的兼容與互操作性，既保證對GPS服務能力的增強，又不會對GPS原有服務造成干擾或不良影響，主要特點包括：

(1)WAAS采用與GPS同樣的大地坐標基準，保持與GPS時間基準的同步；

(2)WAAS的導航信號頻率、體制、調制方式，擴頻碼的類型、速率，到達地面的信號通量密度等主要參數保持與GPS的L1民用信號完全一致。這種系統設計縮小了WAAS用戶接收機與一般GPS接收機的差異，極大地減少了研發、生產成本，縮短了WAAS用戶接收機的開發周期，也有利于這套新系統在市場上的推廣應用；

(3)為了保持WAAS導航信號與GPS導航信號在空間傳輸上的一致性，WAAS不惜采用了復雜的控制方式，創造性地采用了天-地系統閉環實時測量與控制的方式，解決了兩個關鍵技術問題：

1)導航信號的時間、空間基準統一的問題：GPS導航載荷的時間、頻率基準都在星上，發射出來的信號都以衛星空間坐標為起點，而WAAS的時間頻率基準、發射信號的位置基準都在地面，通過轉發器轉發的整個傳輸過程中增加了很多環節的附加時延，導致WAAS的時間、空間基準與GPS存在明顯差異。為此，WAAS地面控制系統根據衛星位置的實時變化，動態調整擴頻碼的相位(包括在導航電文中修正時間起始點)，補償上行路徑延遲與各種傳輸時延， 使WAAS導航信號的發射時間起始點始終虛擬保持在同步衛星上；

2)擴頻碼與載波相位的相干性問題：GPS導航信號的載波頻率、擴頻碼速率、信息數據率之間保持整數倍關系，都是以1.023 MHz為基準產生，具有強相關特性。這種特點使GPS擴頻碼測距的變化與載波相位測距的變化規律完全一致，一般靜態或低動態用戶常見的一種用法就是采用載波相位平滑偽距的算法，降低擴頻測距的隨機誤差以得到更高的測量精度。而WAAS導航信號在傳輸過程中經過了同步衛星透明轉發器，由于轉發器變頻器本振的頻率基準與地面頻率基準完全不相關，破壞了WAAS導航信號擴頻碼與載波的相關特性。為此，WAAS地面控制系統采用特殊數據處理方法動態調整地面鐘，維持擴頻碼與載波的高度相關特性，使接收WAAS衛星信號的用戶也可以沿用載波相位平滑偽距的算法。

WAAS導航信號與GPS導航信號的主要差異是：

(1)導航電文的信息數據速率、格式略有不同，GPS信息速率是50 bit/s，而WAAS為了快速發播的需求，采用了更高的500 bit/s信息速率；

(2)WAAS導航電文內容、格式存在較大差異，以GPS差分數據、電離層柵格等數據為主，同步衛星星歷直接以空間三維坐標、速度、加速度方式表示，區別于GPS星歷格式；由于WAAS導航信號功率未增大，而導航電文信息速率卻增加了，因此為了保證用戶在低仰角對星工作時，較低信號電平情況下保持導航電文的解調能力(誤碼率)，WAAS導航電文采用了卷積碼，區別于GPS采用一般的CRC校驗碼。

5 總 結

WAAS最大的貢獻是對傳統衛星導航系統架構的完善，其率先采用的星座增強結構、服務區柵格化監管、完好性概念、完好性監測與處理結構、完好性通道、兼容與互操作設計等很多理念、結構和關鍵技術給整個衛星導航專業領域的發展提供了新的可借鑒的思路和經驗，對后來衛星導航系統的設計產生了深遠影響，其它國家或地區建設的GPS增強系統、歐洲建設的Galileo衛星導航系統、我國的“北斗”衛星導航系統等都在不同程度上把這些概念提升到系統設計的重要層次。

目前，全球各國、各地區建設的GPS廣域增強系統從區域覆蓋向全球覆蓋并實現全球聯網是大勢所趨。在平等互利的原則與基礎上，我國的衛星導航增強系統需要加快考慮加入到這一國際合作機制中，通過協商與協調建立起統一的接口定義與服務標準，最終實現這套系統的全球聯網與無縫覆蓋，使系統效能發揮到最大化。

參考文獻：

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