6.1. Широкозонная дифференциальная подсистема WAAS

WAAS, широкозонная система геостационарного дополнения GPS, по замыслу заказ­чика, Федеральной'авиационной администрации (ФАА) США, предназначена для обеспече­ния уровня целостности, доступности и точности, соответствующего требованиям, предъяв­ляемым к основным системам для всех фаз полета, вплоть до захода на посадку по 1-й кате­гории в первую очередь на Северо-Американском континенте и, частично, в Северной Ат­лантике [1-3].

По своим характеристикам WAAS в состоянии использоваться и наземными объекта­ми для высокоточной морской и сухопутной навигации, при проведении работ на шельфе и т.д. Разработчиком системы первоначально (контракт от 3.8.1995 г.) была фирма Wilcox. За­тем вследствие отставания работ от графика заказ был передан фирме Hughes (1996 г.).

6.1.1. Структура, принципы построения и функционирования

WAAS должна состоять из космического и наземного сегментов (рис. 6.1). Космический сегмент включает геостационарные КА (ПСА) GEOS (типа Инмарсат или подобные), предназначенные:

для передачи навигационного GPS-подобного сигнала в диапазоне L1 на частоте 1575,42 МГц, который увеличит доступность, точность и надежность навигационных определений, а также сигналов контроля своей целостности;

для ретрансляции сформированных на земле сообщений о целостности КА GPS и ПСА и вектора поправок к эфемеридным данным, шкалам времени и к параметрам ионо­сферной модели.

Наземный сегмент включает:


широкозонные контрольные станции (ШКС или WRS - WAAS Reference Station) мо­ниторинга , предназначенные для контроля и наблюдения за состоянием навигацион­ного поля;

широкозонные главные станции (ШГС или WMS - WAAS Master Station), предназна­ченные для обработки данных мониторинга и наблюдений ШКС;

наземные станции передачи данных (НСПД или GES - Ground Earth Station) космиче­скому сегменту, которые должны осуществлять связь между ШГС и ПСА.

ШКС, ШГС и НСПД объединяются в единую сеть посредством соответствующих ли­ний передачи и обработки данных.

Система выполняет следующие функции [3]:

1) сбор данных о состоянии навигационного поля, 2) определение ионосферных кор­рекций, 3) определение и уточнение параметров орбит спутников, 4) определение коррекций

орбит и временных поправок для КА, 5) контроль целостности КА, 6) обеспечение независи­мой верификации (контроля или подтверждения) выходных данных функций 1-5 перед их использованием потребителями, 7) обеспечение потребителей корректирующей информаци­ей и дополнительными измерениями псевдодальностей, позволяющими повысить надеж­ность и точность навигационных определений, 8) обеспечение работоспособности и собст­венного нормального функционирования.

При сборе данных на ШКС (функция 1) входной информацией являются: наблюдения за сигналами ЮСА GPS и НКА, наблюдения за состоянием тропосферы, данные о местона­хождении приемного оборудования и о калибровках этого оборудования. В результате полу­чаются: измерения ПД по сигналам с С/А-кодом GPS, разностные измерения по сигналам L1/L2 GPS, навигационные данные НКА GPS, измерения ПД по сигналам с С/А-кодом ГКА, навигационные данные ПСА, тропосферные данные, координаты фазовых центров антенн, смещения разностных измерений по сигналам L1/L2, данные для форматирования выходной информации.

При определении ионосферных коррекций на ШГС (функция 2) используются разно­стные измерения по сигналам L1/L2 GPS, смещения разностных измерений по сигналам L1/L2, координаты фазовых центров антенн, навигационные данные НКА GPS, определение сетки ионосферных данных. В результате на выходе получаются данные, которые передают­ся на НСПД и далее на ГКА для закладки их в GPS-подобный сигнал для формирования со­ответствующих дифференциальных поправок.

При определении и уточнении параметров орбит НКА и ГКА на ШГС (функция 3) ис­пользуются: измерения ПД по сигналам с С/А-кодом GPS, разностные измерения по сигна­лам L1/L2 GPS, навигационные данные НКА GPS, измерения ПД по сигналам с С/А-кодом ПСА, навигационные данные ГКА, тропосферные данные, координаты фазовых центров ан­тенн, смещения разностных измерений по сигналам L1/L2, ионосферные данные для ГКА и данные о планируемых маневрах ПСА и НКА GPS. В результате получаются данные: орбит НКА GPS и ПСА, для эфемеридного сообщения ПСА, альманаха ПСА.

Эти же входные данные используются для определения коррекций параметров орбит и временных поправок к "часам" КА (функция 4). В результате получаются: долгосрочные и краткосрочные коррекции, оценка ошибок этих коррекций с вероятностью 99,9%, верифици­рованные фактор ухудшения этой оценки и прогнозируемая СКО определения ПД.

Для контроля целостности сигналов КА и ионосферных коррекций (функция 5) должны использоваться навигационные и ионосферные данные для всех КА, а также соот­ветствующие коррекции и сопутствующие параметры, получаемые при их определении. В результате получаются данные, которые позволяют сигнализировать о том, что не должен использоваться тот или иной сигнал или корректирующее сообщение. Контроль (верифи­кация) всей информации, передаваемой затем потребителю (функция 6), выполняется пу­тем сравнения контролируемых данных с данными независимых наблюдений или посред­ством их комбинации с данными независимых измерений и сравнения получаемых и ожи­даемых результатов.

Для последующего обеспечения потребителей корректирующей информацией на ос­нове верифицированных данных формируются блоки данных, которые затем будут исполь­зоваться в GPS-подобном сигнале ГКА (функция 7) [3].

Обеспечение работоспособности и собственного нормального функционирования сис­темы (функция 8) должно осуществляться автономно без вмешательства человека [3] посред­ством выполнения следующих подфункций: выполнение операций подсистем и управление сбором данных, наблюдение за состоянием системы и управление системой, обслуживание по состоянию, профилактическое обслуживание.

Обращено внимание на обеспечение технической и информационной безопасности в соответствии с документом FAA Order 1600.54В. Среднее время передачи сообщения об от­казе не должно превышать 5 с (максимальное 8 с).

6.1.2. Основные характеристики

Основные требуемые характеристики WAAS [3] приведены в табл. 6.1. Таблица 6.1. Требуемые характеристики WAAS при обеспечении маршрутного

Рабочая зона WAAS представляет собой пространство над поверхностью Земли высо­той до 30 км над уровнем моря. При этом на земной поверхности рабочая область ограничи­вается координатами, сведенными в табл. 6.2 [3].

Требования по точности и целостности должны выполняться во всей зоне ГКА, охва­тывающей контролируемое воздушное пространство США, когда WAAS в состоянии наблю­дать НКА GPS и ГКА.


Требования к точному заходу сформулированы в соответствии с концепцией "тунне­лей" и RNP ИКАО и положениями [7]. Они сведены в табл. 6.3.

Точный заход должен обеспечиваться на высотах до 3000 м в воздушном пространстве 48 континентальных штатов, Гавайских островов, Пуэрто-Рико и Аляски, исключая террито­рию полуострова Аляска западнее 160°, и вне пределов рабочей области ГКА.

Фазовые центры антенн для приема сигналов GPS и ГКА должны быть привязаны к местным опорным геодезическим знакам с точностью (95%) 1 и 2 см в плане и по вертикали соответственно.

Все сигналы с кодом С/А должны иметь мощность между -161 и -153 дБВт при углах места от 5 до 90° и температуре 100° К, а все сигналы L1/L2 с кодами Р и P(Y) GPS должны восприниматься без знания Р(У)-кода. Мощность L1 сигнала с кодом P(Y) должна находить­ся в пределах от -163 до -155 дБВт, L2 сигнала - между -166 и -154 дБВт. При этом сигналы КА при углах места менее 5° не используются.

Все процессы обработки должны проводиться при отношениях помеха/сигнал, не худших приведенных в табл. 6.4 и 6.5 [3].


Требованиями [3] предусмотрены возможности подавления помех, уровни которых превосходят указанные в табл. 6.4 и 6.5. В частности, антенны приемников должны иметь по крайней мере три "нуля" в диаграмме направленности, которые могут направляться на поме­хи и подавлять их по крайней мере на 30 дБ. При этом скорость слежения "нуля" за движени­ем помехи должна быть в диапазоне до 0,3 рад/с. Должны быть предусмотрены также меры временного, в том числе адаптивного, подавления до 30 дБ при времени адаптации 20 мс.

Отметим также ряд важных требований к надежности наземного оборудования. Так, каждая подсистема WAAS должна характеризоваться средним временем наработки на отказ 2190 ч. Среднее время восстановления должно быть не более 30 мин, включая исключение отказа, ремонт и проверку. Отказ программного обеспечения системы должен предусматри­вать время ре инициализации каждого компонента не более 10 мин. Минимальный интервал между сеансами профилактического обслуживания должен быть не менее 2190 ч (ежеквар­тально), которое ограничивается уборкой, проверкой, регулировкой и заменой блоков в соот­ветствии со сроками их службы и состоянием. Общее время перерывов или ухудшения ха­рактеристик не должно превышать при этом 8 ч в год на одну подсистему.

Шкала системного времени сети WAAS должна быть привязана к системному времени GPS с точностью не хуже 50 не. При этом ее показания не должны отличаться от показаний шкалы UTC более, чем на 20 не. Временная стабильность сигнала ГКА должна быть не хуже 2*Е-13за24ч.

При расчетах приняты следующие характеристики возможных временных отключений КА (табл. б.б).


Навигационное сообщение формируется на ГКА со скоростью 500 символов в секунду и добавляется по модулю 2 к 1023-битовому PRN-коду, который затем модулирует несущую. Кратковременная стабильность несущей должна быть не хуже 5*Е-11 за время от 1 до 10 с, включая эффект ионосферы и доплеровский сдвиг.

Передаваемый сигнал имеет круговую поляризацию. Мощность принимаемого сигна­ла ГКА на линейно поляризованную антенну с усилением 3 дБ, находящуюся на или вблизи поверхности земли, больше или равна 161 дБВт при углах места более 5°. Максимум мощно­сти сигнала равен 155 дБВт.

Основная скорость передачи данных 250 бит/с. При этом используются сверточные коды с исправлением ошибок. Все сообщения имеют блочную структуру. Объем одного бло­ка составляет 250 бит. В нем имеется поле данных объемом 212 бит, идентификатор сообще­ния на 6 бит, преамбула из 8 бит. Замыкают блок 24 бита кодовой корректирующей группы для контроля четности.

Предусмотрено два типа корректирующих данных: быстрый и медленный. Быстрые коррекции проводятся с целью компенсации быстро меняющихся ошибок, таких, как быст­рые уходы "часов" НКА, тогда, как медленные коррекции предусматриваются для компенса­ции стабильных уходов "часов" КА и эфемеридных погрешностей.

Предусмотрено 64 типа сообщений (табл. 6.7).

На предварительном этапе (1-я фаза) для определения основных направлений работ в 1992 г. проведены исследования упрощенного варианта системы в составе 3-х ШКС: Old Town (Main), Dayton (Ohio), Georgetown (S. Caroline). В 1993 г. число ШКС бьикУдоведено до 8. ШГС находилась в Техническом Центре ФАА в г. Атлантик-Сити, Нью-Джерси, а НСПД - в г. Саус-бери, Коннектикут. Привлекались также канадские ШКС в Оттаве, Виннипеге и Гандере.

Для проведения работ по 2-й фазе в интересах подтверждения функциональных воз­можностей использовалась система в составе двух ШГС, 5 ШКС, двух НСПД и одного ГКА Инмарсат-2 (AOR - Atlantic Ocean Region). В 1997 г. ФАА США совместно с NAV CANADA в международном аэропорту Тихуана (Мексика) осуществила ряд успешных испытательных заходов на посадку реактивного самолета Challenger до высоты 15 м с тем, чтобы продемонст­рировать возможности WAAS по выработке и передаче сигналов целостности, дифференци­альных поправок и измерения дальности. При демонстрации использовалась основа WAAS, включающая сеть из 18 станций ФАА на территории США и Канады и спутник Инмарсат-3.

Третья фаза (Initial WAAS - IWAAS) работ по развертыванию начальной системы намечена на 1998 г. В составе этой системы предполагалось иметь 2 ШГС, 24 ШКС, б НСПД и 3 ГКА. При этом предполагалось проверить возможности системы по обеспечению мар­шрутного полета, подхода к аэропорту, неточного (некатегорированного) захода на посадку и захода на посадку по 1-Й (специальной) категории.

Четвертая заключительная фаза работ намечалась на период с 1999 до 2002 г. При этом должен обеспечиваться заход на посадку по 1-й категории при использовании спутнико­вой аппаратуры в качестве основного средства. На этом этапе в составе WAAS могут быть 44 ШКС, 6 ШГС, 16 НСПД и 8 ГКА.

Дальнейшее развитие WAAS связано с увеличением числа станций и спутников до 70 ШКС, 6 ШГС и 8 ПСА. Предполагается, дальнейшее расширение WAAS на другие районы и континенты. При этом возможны следующие 5 уровней: 1) использование на другой независи­мой территории (ДНТ) сигналов контроля целостности WAAS без каких-либо дополнительных затрат; 2) на другой независимой территории может размещаться одна ШКС, наблюдения ко­торой передаются на ШГС США или Канады; 3) на ДНТ размещается несколько ШКС, на­блюдения которых передаются на ШГС США (Канады); 4) на ДНТ размещается несколько ШКС и одна ШГС, которая передает данные обработки на НСПД США (Канады); 5) на ДНТ размещается несколько ШКС, одна ШГС и одна НСПД, передающая соответствующую ин­формацию на ГКА WAAS.

Считается, что максимально в состав такой расширенной WAAS может входить до 490 ШКС, 42 ШГС, 36 НСПД и 18 ГКА.

На ШКС осуществляются двухчастотные измерения псевдодальностей до КА. Резуль­таты наблюдений передаются на главную станцию, где они обрабатываются с целью опреде­ления поправок к параметрам КВО КА и параметров ионосферной модели [4].

В настоящее время широким фронтом идут работы по уточнению процедур функцио­нирования WAAS, а также требований и стандартов к ее рабочим характеристикам. Так, в [9] исследуются алгоритмы контроля целостности системы.

Одновременно проводятся работы по созданию бортовых приемников, работающих в системах GPS и WAAS. При этом RTCA разработан соответствующий стандарт [10, 11] по их минимальным рабочим характеристикам, а в [12] приводятся положительные результаты ра­бот по оценке возможностей их удовлетворения в экспериментальных образцах аппаратуры (бета-версия, класс 3) с учетом требований к ее математическому обеспечению [13]. В работе [14] приведены предварительные результаты летной оценки приемника Gamma Navigator. Об­ращается внимание на необходимость стандартизации интерфейса и индикации для снижения вероятности ошибочных решений в условиях высокой нагрузки пилота при заходе на посадку.

К настоящему времени создана испытательная основа WAAS - National Satellite Test Bed (NSTB), включающая 29 ШКС с номинальными взаимными удалениями порядка 500-600 км [2]. Проведены испытательные полеты на легком самолете Piper Dacota и подготовлен к испытаниям двухмоторный самолет Beechcraft Queen Air. Проведенными в 1997 г. исследо­ваниями показано, что ошибки определения высоты не превышают 5 м.

В августе 1998 г. эти исследования были продолжены специалистами Стэнфордского университета в основном в ходе посадок в аэропорту Джуно (Juneu) штата Аляска, отличаю­щемся плохими погодными условиями, сложным рельефом и отсутствием хорошего назем­ного оборудования. Было выполнено 48 заходов в течение 24 часов полетного времени. Ис­пользовались NSTB и ГКА Инмарсат-Ш (Pacific Ocean Region, POR), "висящий" в точке 178° западной долготы. При этом была продемонстрирована точность определения высоты 1,8 м с вероятностью 95% при доступности 99,155%. Предварительные оценки дают также точность определения плановых координат порядка 2 м [15].

В испытания WAAS включились также специалисты ВВС США [16]. В ходе полетов на самолете Learjet 35А с системой управления полетом (FMS) было продемонстрировано удовлетворение требований к точностным характеристикам захода по категории I (ошибки по боку и высоте не более 7,6 м).

В то же время сообщалось о том, что программа создания широкозонной дифференци­альной подсистемы WAAS находилась под угрозой срыва [5]. Как известно, первоначальной оперативной способности WAAS должна была достичь в 1999 году. Угроза срыва была обу­словлена превышением почти вдвое стоимости работ, проводимых фирмой Hughes (483,5 млн. долл.). Превышение стоимости было аргументировано неопределенностью исходных данных на начальном этапе работ и недооценкой трудностей при создании системы, в том числе при создании ее космического сегмента, базирующегося на использовании геостационарных спут­ников. Не было определено, в частности, будут ли эти спутники собственностью ФАА США, заказчика WAAS, или они будут использоваться системой на правах аренды. В конце октября 1998 г. финансирование программы WAAS было приостановлено и его продолжение зависело от решения ряда политических, экономических и технических вопросов и, например, от того, действительно ли можно рассчитывать на WAAS, как на "единственное средство навигации". При этом общая стоимость жизненного цикла системы оценивалась в 2,5 млрд. долл.

Исследование риска заказчика, проведенное затем Лабораторией прикладной физики (ЛПФ) Университета Джона Гопкинса [6], привело к заключению, что при соответствующих мероприятиях рабочие характеристики систем GPS и WAAS смогут удовлетворить требованиям использования их аппаратуры в качестве единственного навигационного средства, устанавли­ваемого на самолете для обеспечения полетов в национальном воздушном пространстве США.

Шестимесячное исследование ЛПФ было сосредоточено на оценке доступности сиг­налов GPS, WAAS и локальных систем в присутствии преднамеренных и непреднамеренных помех и в условиях влияния ионосферы. В ходе широкомасштабного моделирования и испы­таний ЛПФ установила, что сочетание рациональных процедур управления и эксплуатации, модернизации бортовой аппаратуры, совершенствование GPS и систем функционального дополнения позволят снизить до приемлемого уровня риск подавления сигнала активными помехами и помехами от ионосферы. В упомянутом выше отчете [6] рекомендована система WAAS с четырьмя геостационарными спутниками: С целью уточнения требований к назем­ным корректирующим станциям рекомендована также дальнейшая оценка методики ввода поправок для компенсации ионосферных погрешностей.

В настоящее время работы по системе WAAS продолжаются. WAAS включена в Фе­деральный радионавигационный план США (декабрь 1999 г.).


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я