衛(wèi)星導(dǎo)航差分系統(tǒng)和增強(qiáng)系統(tǒng)（十）

+ 劉天雄

3.4.1 美國(guó)廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS

3.4.1.1 系統(tǒng)組成

廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（Wide Area Augmentation System，WAAS）是美國(guó)的星基增強(qiáng)系統(tǒng)，是為滿足美國(guó)民用航空對(duì)GPS更高的精度和完好性要求，1992年，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）在WADGPS的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。其利用GEO地球同步靜止軌道衛(wèi)星廣播GPS差分修正數(shù)據(jù)和完好性信息電文，實(shí)現(xiàn)在北美地區(qū)GPS系統(tǒng)的完好性增強(qiáng)。WAAS系統(tǒng)的GEO衛(wèi)星不僅作為完好性告警通道，播發(fā)增強(qiáng)信號(hào)的同時(shí)還提供測(cè)距服務(wù)，利用GEO衛(wèi)星覆蓋范圍大且位置相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，對(duì)地面用戶高仰角高，作為一個(gè)穩(wěn)定的測(cè)距信號(hào)源，可補(bǔ)充GPS星座用戶可見衛(wèi)星數(shù)量。

WAAS系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)階段，一是初始運(yùn)行階段（Initial Operating Capability，IOC），2003年已實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，2003年7月10日，F(xiàn)AA宣布WAAS系統(tǒng)為民航提供服務(wù)，服務(wù)范圍覆蓋美國(guó)本土95%的區(qū)域以及阿拉斯加部分區(qū)域。二是全面實(shí)現(xiàn)帶垂直引導(dǎo)的水平進(jìn)近LPV服務(wù)（Full LPV Performance），2008年已實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，2007年服務(wù)區(qū)域擴(kuò)展到加拿大和墨西哥。三是全面實(shí)現(xiàn)帶垂直引導(dǎo)的水平進(jìn)近LPV-200服務(wù)（Full LPV-200 Performance），2014年8月，WAAS系統(tǒng)可為全美提供LPV-200服務(wù)。四是開展雙頻多系統(tǒng)（dual-frequency multi-constellation，DFMC）兼容互操作研究，進(jìn)一步提升WAAS系統(tǒng)的可用性，計(jì)劃在2014年～2028年期間實(shí)現(xiàn)DFMC服務(wù)。

目前，WAAS系統(tǒng)支持民航航路、終端、進(jìn)近以及帶垂直引導(dǎo)的水平進(jìn)近（Localizer Performance with Vertical，LPV）服務(wù)，為美國(guó)和加拿大一千多個(gè)機(jī)場(chǎng)提供儀表垂直引導(dǎo)進(jìn)近（vertically guided instrument approach）服務(wù)，即帶垂直引導(dǎo)的水平進(jìn)近LPV-200服務(wù)（接近CAT-I進(jìn)近水平），可以引導(dǎo)飛機(jī)從200英尺的高度著陸（height above touchdown，HAT）。WAAS系統(tǒng)由地面段（WAAS Ground Segment）、空間段（WAAS Space Segment）和用戶段（WAAS User Segment）三部分組成，其中地面段由38個(gè)廣域參考站（Widearea Reference Stations ，WRSs）、3個(gè)位于美國(guó)大陸兩端的廣域主控站（Wide-area Master Stations，WMSs）、6個(gè)地面上行注入站（Ground Uplink Stations，GUS）、2個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中心（operational centers，OC）以及陸地通信網(wǎng)絡(luò)（Terrestrial communication Network，TCN）組成，其中地面上行注入站一般又稱為地球站（Ground Earth Stations，GESs）。WAAS系統(tǒng)空間段利用3顆GEO地球靜止同步軌道衛(wèi)星組成，也稱為完好性通道，透明轉(zhuǎn)發(fā)由地面廣域主控站W(wǎng)MSs生成的增強(qiáng)信息。WAAS系統(tǒng)用戶段通常配置嵌入WAAS模塊的GPS接收機(jī)，能夠接收GPS信號(hào)的同時(shí)接收GEO衛(wèi)星播發(fā)的增強(qiáng)信息，通信協(xié)議需要滿足RTCA MOPS DO 229等SBAS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

WAAS系統(tǒng)地面段38個(gè)廣域參考站的位置是確定的，接收GPS信號(hào)并將數(shù)據(jù)送給廣域主控站，廣域主控站處理所有數(shù)據(jù)并生成含有GPS信號(hào)差分改正數(shù)及系統(tǒng)完好性信息的增強(qiáng)電文，地面上行鏈路站將增強(qiáng)電文注入給空間段GEO衛(wèi)星，最后由GEO衛(wèi)星將增強(qiáng)信息播發(fā)給地面用戶。WAAS系統(tǒng)的體系架構(gòu)和運(yùn)行控制環(huán)境如圖27所示。

圖27 廣域增強(qiáng)系統(tǒng)的體系架構(gòu)和運(yùn)行控制環(huán)境

圖28 WAAS系統(tǒng)3顆通信衛(wèi)星覆蓋范圍

WAAS的系統(tǒng)運(yùn)行中心（OC）分別被稱為美國(guó)國(guó)家運(yùn)行和控制中心（National Operations and Control Center，NOCC）及美國(guó)太平洋運(yùn)行和控制中心（Pacific Operations Control Center，POCC），NOCC和POCC的運(yùn)行和維護(hù)系統(tǒng)可以獨(dú)立工作，同時(shí)互相監(jiān)控和記錄各自的工作狀態(tài)。陸地通信網(wǎng)絡(luò)（TCN）提供WAAS系統(tǒng)各個(gè)組成環(huán)節(jié)的通信聯(lián)系并用于傳遞WAAS電文數(shù)據(jù)， TCN由兩套專用的、冗余的、不同體系的網(wǎng)絡(luò)組成，以為整個(gè)WAAS系統(tǒng)提供高可靠的通信鏈路。WAAS系統(tǒng)的運(yùn)行幾乎不需要人為干預(yù)，是一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)。

WA A S系統(tǒng)最早利用兩顆海事衛(wèi)星（Inmarsat-3 F3和Inmarsat-3 F4）廣播GPS增強(qiáng)信息，增強(qiáng)信號(hào)只能實(shí)現(xiàn)單重覆蓋。目前WAAS系統(tǒng)空間段利用3顆商業(yè)地球靜止同步軌道衛(wèi)星播發(fā)增強(qiáng)信息，三顆地球同步軌道衛(wèi)星分別是Intelsat公司的Galaxy 15衛(wèi)星（CRW）、Telesat公司的Anik F1R衛(wèi)星（CRE）、Inmarsat公司的Inmarsat-4 F3衛(wèi)星（AMR），在美國(guó)本土能夠達(dá)到三重覆蓋，如圖28所示。

每顆GEO衛(wèi)星分別從地面上行注入站（GUS）的射頻上行鏈路發(fā)射裝置RFU接收C1up和C5up兩路上行C波段注入信號(hào)，然后作為彎管轉(zhuǎn)發(fā)器將WAAS信號(hào)廣播給用戶。與GPS衛(wèi)星播發(fā)Ll頻點(diǎn)(1575.42MHZ)的C/A碼信號(hào)類似，WAAS系統(tǒng)GEO衛(wèi)星也利用Ll頻點(diǎn)向用戶廣播WAAS增強(qiáng)數(shù)據(jù)，調(diào)制有GPS系統(tǒng)C/A測(cè)距碼信號(hào)，因此，WAAS系統(tǒng)GEO衛(wèi)星也可以作為GPS系統(tǒng)的導(dǎo)航衛(wèi)星使用。WAAS系統(tǒng)GEO衛(wèi)星軌位及NMEA/PRN編號(hào)如表13所示。

表13 WAAS系統(tǒng)GEO衛(wèi)星軌位及NMEA/PRN編號(hào)

WAAS系統(tǒng)規(guī)定從系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)GPS異常到最終用戶收到告警信息，整個(gè)過(guò)程時(shí)延要小于6.2s，并且告警信息的發(fā)播通道與鏈路要獨(dú)立于GPS自身的信息鏈路，WAAS系統(tǒng)選擇采用地球同步靜止軌道GEO衛(wèi)星配置C／L透明轉(zhuǎn)發(fā)器作為完好性通道。WAAS設(shè)計(jì)的成功之處是采用GPS系統(tǒng)Ll頻率(1575.42MHZ)和BPSK調(diào)制方式向用戶廣播WAAS增強(qiáng)信號(hào)，播發(fā)增強(qiáng)信息的同時(shí)也提供測(cè)距服務(wù)，WAAS信號(hào)和GPS信號(hào)可共用接收天線和射頻信號(hào)處理電路，數(shù)字基帶處理電路也一致。這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使WAAS增強(qiáng)型接收機(jī)的成本、功耗、體積與普通GPS接收機(jī)基本一致，擴(kuò)大了WAAS的應(yīng)用領(lǐng)域。

WAAS系統(tǒng)用戶段配置的增強(qiáng)接收機(jī)能夠接收GPS導(dǎo)航信號(hào)和WAAS系統(tǒng)GEO衛(wèi)星播發(fā)的增強(qiáng)信號(hào)，可以共享RF模塊，內(nèi)置算法略有不同。目前，WAAS-GPS接收機(jī)有芯片組（chipset）、混合器件（hybrid component）、輔助板卡（auxiliary card）三種形式，解算結(jié)果的數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議符合NMEA、RTCM、NTRIP以及RINEX標(biāo)準(zhǔn)。因此，用戶段不受WAAS增強(qiáng)服務(wù)提供商、FAA的控制，完全由衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用市場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)。雖然WAAS系統(tǒng)的初衷是為民用航空用戶服務(wù)，但目前很多GPS接收機(jī)都配置了WAAS模塊，因此，其他行業(yè)的用戶也能利用WAAS系統(tǒng)來(lái)提高定位精度同時(shí)獲取完好性信息。取得適航資質(zhì)的WAAS-GPS接收機(jī)是行業(yè)最高等級(jí)的接收機(jī)，目前GARMIN、Honeywell、Rockwell Collins、Universal Avionics、CMC Electronics、Avidyne等公司研發(fā)的機(jī)載WAAS接收機(jī)都已取得適航認(rèn)證，符合RTCA MOPS DO 229等SBAS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。用戶利用WAAS系統(tǒng)可以在美國(guó)和加拿大2000多個(gè)機(jī)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)LPV/LP進(jìn)近服務(wù)。對(duì)于沒(méi)有生命安全要求的一般導(dǎo)航應(yīng)用，用戶接收機(jī)的利用WAAS信號(hào)時(shí)，則不需要一定遵守RTCA MOPS DO 229等SBAS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖29 WAAS系統(tǒng)工作原理

3.4.1.2 工作原理

WAAS系統(tǒng)參考站分布在規(guī)劃的柵格節(jié)點(diǎn)上，全天候接收并處理GPS信號(hào)和WAAS系統(tǒng)增強(qiáng)信號(hào)以及信號(hào)傳輸環(huán)境(如電離層和對(duì)流層)的變化，獲取雙頻偽距、衛(wèi)星星歷、電離層和對(duì)流層延遲等原始觀測(cè)數(shù)據(jù)以及信號(hào)健康狀態(tài)，將觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到主控站，主控站計(jì)算處理原始觀測(cè)數(shù)據(jù)后得到衛(wèi)星軌道和鐘差改正數(shù)、電離層分布柵格及電離層延遲修正數(shù)、完好性等級(jí)及告警信息，然后通過(guò)上行注入站（GUS）將增強(qiáng)信息注入給GEO通信衛(wèi)星，GEO衛(wèi)星作為透明轉(zhuǎn)發(fā)器快速將WAAS電文轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。用戶同時(shí)接收GPS和WAAS數(shù)據(jù)可以得到更高精度、更高安全性的PNT服務(wù)，WAAS系統(tǒng)工作原理如圖29所示。WAAS系統(tǒng)提供導(dǎo)航服務(wù)的精度和完好性指標(biāo)與儀表著陸系統(tǒng)ILS相當(dāng)，可用滿足民航飛機(jī)在航路、終端區(qū)和部分精密進(jìn)近階段的導(dǎo)航性能要求。

WA A S增強(qiáng)系統(tǒng)的每個(gè)廣域參考站（WRSs）均配置了三套廣域參考設(shè)備（Wide-area Reference Equipment，WRE），定義為WRE-A，WRE-B和WRE-C，能夠獨(dú)立接收WAAS系統(tǒng)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，每套廣域參考設(shè)備WRE包括一臺(tái)L1和L2雙頻WAAS系統(tǒng)接收機(jī)，一臺(tái)銫原子鐘，一臺(tái)數(shù)據(jù)采集處理器（Data Collection Processor，DCP）。3個(gè)廣域主控站（WMSs）中的任何一個(gè)均能獨(dú)立開展WAAS系統(tǒng)差分和完好性數(shù)據(jù)處理任務(wù)，每個(gè)WMSs均配置一個(gè)差分和驗(yàn)證系統(tǒng)（corrections & verification，C&V），C&V系統(tǒng)由兩臺(tái)差分處理器（Corrections Processors，CP）和一臺(tái)安全計(jì)算機(jī)（Safety Computer，SC）組成，其中安全計(jì)算機(jī)又由兩臺(tái)安全處理器（Safety Processors，SPs）和一臺(tái)比較器組成。C&V系統(tǒng)接收廣域參考設(shè)備（WRE）數(shù)據(jù)，其中差分處理器（CP）計(jì)算衛(wèi)星時(shí)鐘和星歷差分改正數(shù)，安全計(jì)算機(jī)（SC）計(jì)算電離層延遲改正數(shù)，同時(shí)給出具有較高置信度的衛(wèi)星時(shí)鐘、星歷以及電離層延遲誤差邊界（error bounds），以確保CP的計(jì)算結(jié)果的有效性。然后通過(guò)陸地通信網(wǎng)絡(luò)（TCN）將時(shí)鐘、星歷以及電離層延遲差分改正數(shù)據(jù)傳遞給地面上行注入站（GUS），GUS通過(guò)C頻段上行鏈路將上述數(shù)據(jù)以WAAS系統(tǒng)電文的方式注入給WAAS系統(tǒng)的GEO衛(wèi)星。為了保持上行鏈路的可靠性，WAAS系統(tǒng)選擇位于不同地理位置的兩個(gè)GUS給每顆GEO衛(wèi)星注入WAAS電文。每個(gè)GUS配置信號(hào)生成系統(tǒng)（Signal Generation Subsystem，SGS）和一個(gè)射頻上行鏈路發(fā)射裝置（RF Uplink，RFU），SGS系統(tǒng)由地面上行注入站GUS處理器（GUS Processor，GP）和WAAS電文處理器（WAAS Message Processor，WMP）組成，GP與WMP之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RS-232同步串口建立通信鏈路。WMP按規(guī)范生成WAAS電文，射頻上行鏈路發(fā)射裝置（RFU）將WAAS電文注入給GEO衛(wèi)星。

WAAS系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程如圖30所示，參考站接收GPS衛(wèi)星信號(hào)并處理GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)以確定每顆GPS衛(wèi)星的差分修正數(shù)據(jù)和完好性信息，每顆GPS衛(wèi)星的差分修正數(shù)據(jù)和完好性信息被打包成為WAAS系統(tǒng)電文，地面上行注入站將WAAS系統(tǒng)電文上傳給GEO衛(wèi)星（每5秒上注一次），GEO衛(wèi)星利用GPS系統(tǒng)的L1頻點(diǎn)將WAAS增強(qiáng)信號(hào)透明轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，WAAS系統(tǒng)L1信號(hào)同GPS系統(tǒng)L1 C/A信號(hào)生成方式一致，每顆WAAS系統(tǒng)衛(wèi)星具有唯一的偽隨機(jī)測(cè)距碼（pseudo-random noise，PRN），與GPS系統(tǒng)的測(cè)距碼為一個(gè)碼族，WAAS系統(tǒng)電文被偽隨機(jī)測(cè)距碼擴(kuò)頻，WAAS系統(tǒng)接收機(jī)接收WAAS增強(qiáng)信號(hào)后可以解調(diào)出每顆GPS衛(wèi)星的差分修正數(shù)據(jù)和完好性信息，同時(shí)解算出當(dāng)前的位置和保護(hù)門限（protection level），由于每顆GEO衛(wèi)星也播發(fā)測(cè)距信號(hào)，因此，也可以近似作為GPS星座中的導(dǎo)航衛(wèi)星使用，可以進(jìn)一步改善GPS星座的GDOP值，使系統(tǒng)的連接性和可用性都獲得增強(qiáng)。

WAAS系統(tǒng)首次采用了柵格化模式，對(duì)服務(wù)區(qū)進(jìn)行分割細(xì)化監(jiān)管。通過(guò)在服務(wù)區(qū)內(nèi)廣泛分布大量的參考站形成數(shù)據(jù)采集柵格，分別采集各自站點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、電離層延遲數(shù)據(jù)并上報(bào)主控站，主控站處理后形成服務(wù)區(qū)內(nèi)不同柵格服務(wù)能力的等級(jí)劃分，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)服務(wù)區(qū)內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)質(zhì)量全面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與評(píng)估。服務(wù)區(qū)柵格化的另一個(gè)重要作用是對(duì)導(dǎo)航服務(wù)區(qū)上空的電離層分布進(jìn)行實(shí)時(shí)精確測(cè)量與監(jiān)視。電離層受太陽(yáng)日照光化學(xué)的影響，以及對(duì)流過(guò)程的影響，曲面分布不規(guī)則且變化復(fù)雜，只有利用柵格化監(jiān)管方式，把復(fù)雜的電離層曲面細(xì)化分割，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)航服務(wù)區(qū)上空電離層分布曲面的整體描繪。電離層?xùn)鸥穹植枷騿晤l用戶廣播后，用戶利用內(nèi)插方式修正各衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)傳播路徑上的電離層延遲，減小這一重要誤差項(xiàng)。

圖30 WAAS系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

WA AS系統(tǒng)以計(jì)算誤差邊界（er r or bounds）的方式給出系統(tǒng)完好性信息，在考慮所有誤差源之后，誤差邊界用于計(jì)算系統(tǒng)保護(hù)門限（protection levels）。完好性信息包括用戶差分測(cè)距誤差UDRE和格網(wǎng)電離層垂直誤差GIVE兩部分?jǐn)?shù)據(jù)，其中用戶差分測(cè)距誤差UDRE表征為快速差分（Fast Corrections，F(xiàn)Cs）和長(zhǎng)期差分（Long Term Corrections，LTCs）項(xiàng)的殘余誤差（residual error），用戶差分測(cè)距誤差UDRE用快速差分FC電文播發(fā)；格網(wǎng)電離層垂直誤差GIVE表征為電離層格網(wǎng)點(diǎn)（I onospheric Grid Points，IGP）導(dǎo)航信號(hào)延遲的改正數(shù)（IGP Corrections，ICs）的殘余誤差，格網(wǎng)電離層垂直誤差GIVE和電離層格網(wǎng)點(diǎn)延遲改正數(shù)ICs每5分鐘播發(fā)一次。

WAAS系統(tǒng)接收機(jī)通過(guò)接收GPS系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)信號(hào)和WAAS系統(tǒng)播發(fā)的增強(qiáng)信號(hào)，可以以較高置信度的誤差邊界獲得高精度的位置解算結(jié)果，其中差分改正數(shù)據(jù)用于修正GPS系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)的偽距觀測(cè)量，完好性數(shù)據(jù)用于計(jì)算完好性邊界（integrity bounds），也稱為保護(hù)門限（protection levels，PL）。根據(jù)具體的飛行任務(wù)，WAAS用戶接收機(jī)可以選擇計(jì)算水平保護(hù)門限（Horizontal protection levels，HPL）或者同時(shí)計(jì)算水平保護(hù)門限HPL和垂直保護(hù)門限（Vertical protection levels，VPL），通過(guò)比較保護(hù)門限和告警門限（alert limit thresholds，ALT），WAAS用戶接收機(jī)可以給領(lǐng)航員報(bào)告警告信息，WAAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以保證的完好性告警時(shí)間（Time to Alert，TTA）不超過(guò)6.2 s，否則WAAS接收機(jī)自主完好性/可用性評(píng)估相關(guān)函數(shù)（RAIM/FDE）會(huì)在8 s內(nèi)給出告警信息。

如果民航用WAAS系統(tǒng)垂直引導(dǎo)飛機(jī)起降，用戶接收機(jī)利用完好性數(shù)據(jù)計(jì)算“保護(hù)圓柱（protection cylinder，PC）”，保護(hù)圓柱PC是由航空無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)（Radio Technical Commission for Aeronautics，RTCA）定義的最小操控性能標(biāo)準(zhǔn)（Minimum Operational Performance Standard，MOPS），即RTCA/DO-229定義的相關(guān)內(nèi)容，WAAS系統(tǒng)完好性保護(hù)圓柱簡(jiǎn)圖如圖31所示。

用戶接收機(jī)首先應(yīng)用WAAS系統(tǒng)偽距和星歷差分改正數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)前的位置，然后利用用戶差分測(cè)距誤差UDRE數(shù)據(jù)、格網(wǎng)電離層垂直誤差GIVE數(shù)據(jù)計(jì)算水平保護(hù)門限HPL和垂直保護(hù)門限VPL，這些保護(hù)門限PL數(shù)據(jù)可以建立可視化的系統(tǒng)完好性保護(hù)圓柱，如圖31中內(nèi)部深色的圓柱所示。WAAS系統(tǒng)完好性保護(hù)圓柱的中心線位于接收機(jī)計(jì)算的飛機(jī)位置坐標(biāo)，計(jì)算結(jié)果具有不確定性，接收機(jī)的計(jì)算結(jié)果分別和保護(hù)門限PL及告警門限ALT比較，對(duì)于每次飛行任務(wù)而言，可以告警門限ALT是一個(gè)確定的告警圓柱，如圖31中外部的圓柱所示。告警門限圓柱的中心線與保護(hù)圓柱一致，也是接收機(jī)計(jì)算的飛機(jī)位置坐標(biāo)，正常情況下，飛機(jī)的真實(shí)位置在圖31所示的內(nèi)部深色的完好性保護(hù)圓柱范圍之內(nèi)。

圖31 WAAS系統(tǒng)完好性保護(hù)圓柱示意圖

如果在某次飛行任務(wù)中，WAAS系統(tǒng)給出的完好性數(shù)據(jù)導(dǎo)致保護(hù)門限PL范圍太大以至于超出了完好性告警門限ALT范圍，WAAS接收機(jī)將給領(lǐng)航員系統(tǒng)不可用的指示信息。例如，如果LPV告警限超出了設(shè)計(jì)指標(biāo)，那么WAAS接收機(jī)將給領(lǐng)航員系統(tǒng)當(dāng)前不可用的指示信息，在這個(gè)場(chǎng)景下，很可能由于水平導(dǎo)航（Lateral Navigation，LNAV）的告警限范圍相對(duì)比較大，因此，WAAS接收機(jī)給領(lǐng)航員系統(tǒng)當(dāng)前LNAV仍然可用的指示信息。如果用戶的位置誤差（position error）超出了系統(tǒng)保護(hù)門限（protection levels）的時(shí)間差超出了完好性告警時(shí)間（Time to Alert，TTA），那么WAAS系統(tǒng)將給出危險(xiǎn)錯(cuò)誤引導(dǎo)信息（Hazardously Misleading Information，HMI）。

如果在某次飛行任務(wù)中，WAAS系統(tǒng)給出的完好性數(shù)據(jù)導(dǎo)致保護(hù)門限PL范圍太小以至沒(méi)有覆蓋飛機(jī)的真實(shí)位置，這種情況被稱為“underbound condition”，如果underbound condition的時(shí)間差超出了完好性告警時(shí)間TTA，那么WAAS系統(tǒng)也給出危險(xiǎn)錯(cuò)誤引導(dǎo)信息HMI。WAAS接收機(jī)無(wú)法檢測(cè)underbound condition情況，WAAS系統(tǒng)完好性算法將確保在任何情況下用戶差分測(cè)距誤差UDRE和格網(wǎng)電離層垂直誤差GIVE兩部分完好性數(shù)據(jù)不會(huì)造成underbound condition情況發(fā)生。

WAAS的完好性監(jiān)測(cè)與處理更強(qiáng)調(diào)安全性、可靠性與快速性，因此采用獨(dú)立數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)并行處理、平行一致性檢驗(yàn)，以及交叉驗(yàn)證結(jié)構(gòu)。(1)每個(gè)參考站采用獨(dú)立的3臺(tái)接收機(jī)同時(shí)觀測(cè)采集GPS導(dǎo)航衛(wèi)星、WAAS同步衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，通過(guò)合理性檢驗(yàn)與一致性檢驗(yàn)，從中選擇符合一致性的2臺(tái)接收機(jī)的數(shù)據(jù)上報(bào)主控站數(shù)據(jù)處理中心；(2)上報(bào)的兩套數(shù)據(jù)分別在主、備兩個(gè)主控站同時(shí)并行處理；(3)每個(gè)主控站收集齊所有參考站上報(bào)的兩組數(shù)據(jù)，同時(shí)在兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理流程中并行處理，兩個(gè)流程的結(jié)果必須通過(guò)平行一致性檢驗(yàn)后才輸出給上行注入站(GUS)；(4)主、備兩個(gè)主控站的處理結(jié)果分別送往對(duì)應(yīng)注入站時(shí)，同時(shí)也交叉互送，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)主控站處理結(jié)果的交叉正確性驗(yàn)證；(5)最終處理結(jié)果只有通過(guò)了所有平行一致性檢驗(yàn)和交叉正確性驗(yàn)證后，再通過(guò)WAAS完好性通道向外廣播。

WAAS系統(tǒng)增強(qiáng)信號(hào)必須與GPS導(dǎo)航信號(hào)聯(lián)合使用才能保證對(duì)用戶的增強(qiáng)服務(wù)。因此，WAAS增強(qiáng)信號(hào)體制的設(shè)計(jì)最大限度地保持了與GPS的兼容與互操作性，既保證對(duì)GPS服務(wù)能力的增強(qiáng)，又不會(huì)對(duì)GPS原有服務(wù)造成干擾或不良影響，主要特點(diǎn)包括：(1)WAAS采用與GPS同樣的大地坐標(biāo)基準(zhǔn)，保持與GPS時(shí)間基準(zhǔn)的同步；(2)WAAS的導(dǎo)航信號(hào)頻率、體制、調(diào)制方式，擴(kuò)頻碼的類型、速率，到達(dá)地面的信號(hào)通量密度等主要參數(shù)保持與GPS的L1民用信號(hào)完全一致。這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)縮小了WAAS用戶接收機(jī)與一般GPS接收機(jī)的差異，極大地減少了研發(fā)、生產(chǎn)成本，縮短了WAAS用戶接收機(jī)的開發(fā)周期，也有利于這套新系統(tǒng)在市場(chǎng)上的推廣應(yīng)用；(3)為了保持WAAS導(dǎo)航信號(hào)與GPS導(dǎo)航信號(hào)在空間傳輸上的一致性，WAAS不惜采用了復(fù)雜的控制方式，創(chuàng)造性地采用了天地系統(tǒng)閉環(huán)實(shí)時(shí)測(cè)量與控制的方式，解決了導(dǎo)航信號(hào)的時(shí)間、空間基準(zhǔn)統(tǒng)一和擴(kuò)頻碼與載波相位的相干性兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

首先是導(dǎo)航信號(hào)的時(shí)間、空間基準(zhǔn)統(tǒng)一問(wèn)題。GPS導(dǎo)航載荷的時(shí)間、頻率基準(zhǔn)都在星上，發(fā)射出來(lái)的信號(hào)都以衛(wèi)星空間坐標(biāo)為起點(diǎn)，而WAAS的時(shí)間頻率基準(zhǔn)、發(fā)射信號(hào)的位置基準(zhǔn)都在地面，通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)的整個(gè)傳輸過(guò)程中增加了很多環(huán)節(jié)的附加時(shí)延，導(dǎo)致WAAS的時(shí)間、空間基準(zhǔn)與GPS存在明顯差異。WAAS地面控制系統(tǒng)需要根據(jù)衛(wèi)星位置的實(shí)時(shí)變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整擴(kuò)頻碼的相位(包括在導(dǎo)航電文中修正時(shí)間的起始點(diǎn))，補(bǔ)償上行路徑延遲與各種傳輸時(shí)延，使WAAS信號(hào)的發(fā)射時(shí)間起始點(diǎn)始終虛擬保持在同步衛(wèi)星上。

其次是擴(kuò)頻碼與載波相位的相干性問(wèn)題。GPS導(dǎo)航信號(hào)的載波頻率、擴(kuò)頻碼速率、信息數(shù)據(jù)率之間保持整數(shù)倍關(guān)系，都是以1.023MHz為基準(zhǔn)產(chǎn)生，具有強(qiáng)相關(guān)特性。這種特點(diǎn)使GPS擴(kuò)頻碼測(cè)距的變化與載波相位測(cè)距的變化規(guī)律完全一致，一般靜態(tài)或低動(dòng)態(tài)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(kuò)頻測(cè)距的隨機(jī)誤差以得到更高的測(cè)量精度。而WAAS導(dǎo)航信號(hào)在傳輸過(guò)程中經(jīng)過(guò)了同步衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)器，由于轉(zhuǎn)發(fā)器變頻器本振的頻率基準(zhǔn)與地面頻率基準(zhǔn)完全不相關(guān)，破壞了WAAS導(dǎo)航信號(hào)擴(kuò)頻碼與載波的相關(guān)特性。為此，WAAS地面控制系統(tǒng)采用特殊數(shù)據(jù)處理方法動(dòng)態(tài)調(diào)整地面鐘，維持?jǐn)U頻碼與載波的高度相關(guān)特性，使接收WAAS衛(wèi)星信號(hào)的用戶也可以沿用載波相位平滑偽距的算法。

WAAS增強(qiáng)信息包括測(cè)距信號(hào)、差分改正數(shù)以及系統(tǒng)完好性信息三個(gè)分量，其中測(cè)距碼信號(hào)與GPS系統(tǒng)L1 C/A信號(hào)類似，可以改善民用航空用戶的導(dǎo)航可用性；差分改正數(shù)包括衛(wèi)星的軌道、時(shí)鐘以及電離層延遲等誤差的改正數(shù)；系統(tǒng)完好性信息主要為涉及生命安全應(yīng)用的用戶提供系統(tǒng)可用性信息；此外還包括時(shí)間、用戶差分測(cè)距誤差UDRE、格網(wǎng)電離層垂直誤差GIVE、對(duì)流層延遲模型以及服務(wù)水平降級(jí)等一些輔助信息。WAAS增強(qiáng)信號(hào)接口特征載波頻率、電文結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議以及WAAS增強(qiáng)信息數(shù)據(jù)等內(nèi)容，WAAS系統(tǒng)L1頻點(diǎn)增強(qiáng)信號(hào)的主要接口特征如表14所示，

此外，為民航用戶服務(wù)時(shí)，WAAS信號(hào)還需滿足航空機(jī)載設(shè)備相關(guān)要求，主要包括多普勒頻移（Doppler Shift）、載波頻率穩(wěn)定性（Carrier Frequency Stability）、極化方式（Polarization）、偽碼/載波頻率相干性（Code/Carrier Frequency Coherence）以及相關(guān)損失（Correlation Loss）等內(nèi)容，

· 多普勒頻移： 在最壞情況下，穩(wěn)態(tài)用戶的多普勒頻移小于40m/s， 在L1頻點(diǎn)的多普勒頻移近似為210Hz ；

· 載波頻率穩(wěn)定性： 排除電離層延遲和多普勒頻移后，在用戶接收機(jī)天線的輸入端處的載波頻率短期穩(wěn)定性（Allan方差的平方根值）優(yōu)于5x10-11/1s～10s；

· 極化方式： 右旋圓極化，軸比小于2 dB；

· 偽碼/載波頻率相干性：偽碼相位率（code phase rate）和載波頻率之間的頻率差（fractional frequency difference）短期內(nèi)（＜10sec）小于5x10-11 (1 sigma)；偽碼相位變化（轉(zhuǎn)化為載波周期）與載波相位變化之間的差異長(zhǎng)期內(nèi)（＜ 100sec）應(yīng)當(dāng)在一個(gè)載波周期之內(nèi)(1 sigma)；

· 相關(guān)損失： 由于信號(hào)調(diào)制過(guò)程中的不理想或者轉(zhuǎn)發(fā)器濾波損失引起的相關(guān)損失小于1 dB。

綜上所述，WAAS增強(qiáng)信號(hào)與GPS導(dǎo)航信號(hào)的主要差異有兩方面，一是導(dǎo)航電文的信息數(shù)據(jù)速率、格式略有不同，GPS信息速率是50bps，而WAAS為了快速發(fā)播的需求，采用了更高的500bps信息速率；二是WAAS導(dǎo)航電文內(nèi)容、格式存在較大差異，以GPS差分?jǐn)?shù)據(jù)、電離層?xùn)鸥竦葦?shù)據(jù)為主，同步衛(wèi)星星歷直接以空間三維坐標(biāo)、速度、加速度方式表示，區(qū)別于GPS星歷格式；由于WAAS導(dǎo)航信號(hào)功率未增大，而導(dǎo)航電文信息速率卻增加了，因此，為了保證用戶在低仰角時(shí)，信號(hào)電平較低情況下保持導(dǎo)航電文的解調(diào)能力(誤碼率)，WAAS導(dǎo)航電文采用了卷積碼，區(qū)別于GPS采用一般的CRC校驗(yàn)碼。

表14 WAAS系統(tǒng)L1頻點(diǎn)增強(qiáng)信號(hào)的主要接口特征