２０１４年１０月第５期 现代导航 ・３７９・ 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） 摘要：本文介绍了星基增强系统产生的背景以及美国的星基增强系统ＷＡＡＳ（广域增强系 统）的系统架构，回顾了ＷＡＡＳ（广域增强系统）的发展历史，分析了ＷＡＡＳ（广域增强系统） 的发展现状和未来的发展方向。 关键词：ＧＰＳ；国际民航组织；星基增强系统；广域增强系统 中图分类号：Ｖ２４９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—７９７６．（２０１４）０５—３７９．０４ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｆｕｔｕｒｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｂａｓｅｄ Ａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ＺＨＡＮＧ Ｙａｎｄｏｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｏｆ ｔｈｅ Ｕ．Ｓ．Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｂａｓｅｄ Ａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ（ＳＢＡＳ）ａｎｄ ｈｅｔ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ＳＢＡＳ ＷＡＡＳ（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ），ｒｅｖｉｅｗｓ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＷＡＡＳ ａｎｄ ｍａｋｅｓ ｎａｌａｙｓｉｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｉｔｕａｔｉＯｎ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆＷＡＡＳ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）；ＩＣＡＯ；ＳＢＡＳ（Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｂａｓｅｄ Ａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）；ＷＡＡＳ（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ） 洋航路的要求。为此，必须对ＧＰＳ性能进行增强满 １星基增强系统 １．１星基增强系统产生的背景 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 ＧＰＳ系统自建成以来到现在，其标准定位服务 （ＳｔａｎｄａｒｄＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ 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 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 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 收稿日期：２０１４．０８．２８。 空管理局（ＦＡＡ）建设和管理。其最初设计目标是 利用ＧＰＳ ＡＳ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 ・３８０・ 现代导航 个主控站构成，服务范围为美国本十。 表ｌ ＩＣＡＯ对于ＧＮＳＳ空间信号性能需求 飞行阶段 航路 终端区 非精密进近 ＡＰＶ—Ｉ 水半／艉向精度 ３．７ｋｍ／待定 ３．７ｋｍ／待定 ２２０ｍ／待定 １６ｍ／２０ｍ 充好性 １×１０－７／ｈ １×１０－７／ｈ １×１０一 ／ｈ ２ｘ １ ０一 ／ａｐｐｒｏａｃｈ 水平／垂向告警门限 ３．７ｋｍ／待定 １．８５ｋｍ／待定 ５５６ｍ／待定 ４０ｍ／５０ｍ 告警时间 ５ｍｍ １５ｓ １０ｓ ｌ０ｓ 连续性 １ｘ１０ ～１×１０ ８／ｈ １×１０－４＿１×１０－ｓ／ｈ １×１０－４＿１×１０－Ｓ／ｈ ８ｘ１０－６｜１５ｓ 可用性 ０．９９９９９ ０．９９９９９ ０．９９９９９ ０９９９９９ ．ＡＰＶ—Ｉｌ 一ｌ６ｍ／８ｍ ２ｘ １ ０一’／ａｐｐｒｏａｃｈ ４０ｍ／２０ｍ ６ｓ ８×１０－０／１５ ０９９９９９ ．类精密进近 １ ６ｍ／４－６ｍ ２×１ ０一 ／ａｐｐｒｏａｃｈ ４０ｍ／１０～１５ｍ ６ｓ ８ｘ１０－６／１５ｓ ０．９９９９９ 在ＦＡＡ宣布ＷＡＡＳ于２００３年７月ｌ０日正式 ２广域增强系统（ＷＡＡＳ） ２．１系统构成 美国的星 增系统称为Ｊ 域增强系统 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 了扩火ＬＰＶ的服务范围并提高其可用性，新建设了 ｌ３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．１１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 （ＷＡＡＳ），ＷＡＡＳ系统现由３８个广 域监测站 （Ｗｉｄｅ．ａｒｅａ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｔａｔｉｏｎ－－ＷＲＳ）、３个』 域丰 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－－ 第３个主控站，确保至少有两个主控站是可用的， 并对丰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ｌ十、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。 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 ３颗ＧＥＯ＿『Ｊ星 １ ＷＡＡＳ系统体系架构 第５期 张彦东：美国星基增强系统发展现状和未来 ・３８ｌ・ 图２ＷＡＡＳ系统地面站分布示意 §ｉ ∞ ” ¨ ∞ ¨ 。 蒹； …。 Ｗｅ自ｋ １７１４ Ｄａｙ ３ ２００８ Ｃｏｖｅｒａｇｅ Ｆｕｌｌ ＬＰＶ ２００ Ｃｏｖｅｒａｇｅ ｉｎ ＣＯＮＵＳ Ｉ２ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ） ２０１３ Ｃｏｖｅｒａｇｅ Ｆｕｌｌ ＬＰＶ ２００ Ｃｏｖｅｒａｇｅ ｉｎ ＣＯＮＵＳ ｌ３ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ 图３ ２００８年与２０ｌ３年ＷＡＡＳ覆盖比对 ２．２．２研究进展 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 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 ・３，３６４ ＬＰＶｓ服务ｌ，６６１机场 ・８５４ ＬＰＶ－２００ 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 ・２，２６２ ＬＰＶｓ至Ｎｏｎ—ＩＬＳ跑道 ・１。１０２ ＬＰＶｓ至ＩＬＳ跑道 ・ｌ，５３５ ＬＰＶｓ至Ｎｏｎ—ＩＬＳ机场 ・５２５ ＬＰｓ服务３８ｌ机场 ・５２２ ＬＰｓ至Ｎｏｎ．１ＬＳ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。 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 ７Ｃ。 现代导航 ２０１４缸 图４ＷＡＡＳ ＲＮＰ飞行程序实施永意 表２ ＷＡＡＳ发展计划 ＷＡＡＳ发展阶段 起止时问 目标 第一阶段： 初步运行 ２００３年７月完成 开发一个健全安全计架构，建立一个ＷＡＡＳ专家组，评 估潜在完好性威胁，实现ＬＮＡＶ／ＶＮＡＶ导航能力和有限 的ＬＰＶ导航能力 第二阶段： 实现ＬＰＶ导航能力 提高ＬＰＶ在美国本土和阿拉斯加的可用性；建设广域监 测站，硬件升级，软件优化；改进电离层改正算法；扩 ２００３年至２００８年完成 展ＷＡＡＳ覆盖区至墨西哥和加拿大同时修改系统以应 对电离层威胁 ，第三阶段： 实现ＬＰＶ－２００９年至２０１３年 进行技术更新；２００导航能力 稳定的操作和运行；考虑添加Ｌ５频段 第四阶段： 实现双频运行 ２０１４年至２０４４年 兼容ＧＰＳ现代化，添加Ｌ５频段 针对非人为ＧＰＳ干扰，提供相应的完好性保护 对太阳黑子活跃时期可确保系统的可用性和连续性 依然支持对单频用户的完好性保护 ，从技术开发角度，到目前为止ＷＡＡＳ发展的前 第二版［Ｍ］．北京：电予工业出版社，２００７． 两个阶段已经完全实现。近年来，美国以及科 ［２】 曹冲．全球导航卫星系统（ＧＮＳＳ）竞争格局和发展趋势 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 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Ｒ．ＡＩＭ 研究【Ｊ］＿全球定位系统，２００６，３ １（３）． 【３】 谭述森．卫星导航定位工程【Ｍ］．北京：国防工业出版社， ２００７． 航组织（ＩＣＡＯ）导航系统专家组（ＮＳＰ）和支持开 ［４】 Ｗａｌｔｅｒ Ｔｏｄｄ，Ｅｎｇｅ Ｐｅｒ，Ｒｅｄｄａｎ Ｐａｔ．Ｍｏｄｅｒｎｉｚｉｎｇ ＷＡＡＳ ［Ｃ】．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ＃ｓ ＧＮＳＳ Ｍｅｅｔｉｎｇ（ＩＯＮ ＧＮＳＳ ２００４），２００４． （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 ［５］ ＦＡＡ—Ｅ一２８９２Ｂ，Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ （ＷＡＡＳ）［Ｓ】． 由ＩＣＡＯ，ＲＴＣＡ和ＥＵＲＯＣＡＥ开发的同等标准。 参考文献： ［１】 Ｋａｐｌａｎ，Ｅ．Ｄ．，Ｈｅｇａｒｔｙ，Ｃ…Ｊ寇艳红．ＧＰＳ原理与应用， ［６］ＦＡＡ—Ｅ一２９３７，Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｇｒｏｕｎｄ ＦａｃｉｌｉｔｙＩＳ］． ［７］ 宋炜琳．ＷＡＡＳ技术现状与发／￣［Ｊ１．Ｒａｄｉｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２００７，ｌ１３７（１６）．
