美國的聯邦航空局（FAA）開發GPS系統的廣域增強系統（WAAS，Wide Area Augmentation System）和局域增強系統（LASS，Local Area Augmentation System），也就是星基增強系統和地基增強系統。這兩種增強系統具有同樣的一些指標要求：完好性、可用性和精度。

 

　　完好性是指向用戶發送警報的能力，在預設的秒鐘數內實施，緊急退出GPS導航應用。

 

　　可用性之所以需要，是確保用戶在幾乎100%的時間內都能使用GPS民用服務。精度增加是進行飛機精密進近和著陸的導航運作所必須的。

 

　　WAAS覆蓋美國大陸，所提供的導航信號能支持從航路至1類（CAT－1）精密進近的導航。LAAS覆蓋半徑通常在機場周圍為30英里左右的區域內，提供向上支持CAT－Ⅱ/Ⅲ的精密進近能力。WAAS與LAAS一起工作，能為用戶提供航空飛行各階段的導航能力。

　　國際上GNSS和美國的GPS增強系統

 

　　（1）美國的廣域增強系統（WAAS）

 

　　廣域增強系統（WAAS）是由美國FAA首先提出的為民航飛行及其最終著陸階段飛行而建立的一個精密導航系統，該系統可以使數千公里范圍內DGPS定位精度達到2.5米，并可確保系統的完好性和連續性。

 

　　WAAS是聯邦航空局（FAA）發展的星基GPS增強系統（SBAS），該系統用來對國家空域系統（NAS）中所有的飛行階段提供橫向和縱向的導航，但不包含第二類和第三類精密進近服務。WAAS主要是為航空用戶設計，它提供一個空中信號使WAAS用戶能夠在飛行的精密進近階段中進行導航。這個空中信號提供三個服務：1）GPS和地球同步衛星（GEO）信號的完好性數據；2）提供GPS和GEO衛星的差分改正信息來改善精度；3）提供測距能力來提高可用性和連續性。FAA在2000年8月宣布WAAS將連續廣播差分改正信息，并開始用于與生命安全關系不大的應用領域。WAAS作為一個導航的補充手段，它對安全性應用的初始運行能力（IOC）是在2003年以后才開始。WAAS完好性和性能小組（WIPP）建議，在取得初始運行能力后，WAAS可以持續改進來擴大覆蓋范圍、提高非精密進近應用和區域導航（RNAV）的可用性、提高信號冗余度、減少運行限制、支持精密進近。最后，為了提高性能，一個關鍵的建議是，使用新的民用信號GPS L5（1176.45），裝備有L5接收機的用戶提供牢靠的、抗干擾的可用性服務。這種改進的結果將使國家空域系統中裝備有WAAS航空電子設備的飛機得到所有飛行階段的導航（不包含2類和3類精密進近方法）。

　　美國WAAS系統的組成

 

　　WAAS技術就是利用分布在世界或全美各地的基準站對GPS進行連續觀測，從而計算出衛星軌道改正數、衛星鐘差改正數和電離層改正數。利用專用大功率電臺或專用衛星將這些改正數發送給用戶。用戶利用這些改正數對測得的觀測量進行修正，最后計算出所在點位坐標，精度可達到1m。

 

　　為了應對GPS的反電子欺騙（AS）政策，人們采用了一種稱為P-W技術和L1與L2交叉相關技術，恢復出L2載波相位觀測值。這一技術不要求知道W碼的結構，只要求知道W碼的定位信息，于是克服了保密P碼無法解擴的困難。這種定位信息可由實驗方法測定出近似值即可。由Z跟蹤技術提取L2的Y碼信息，從而實現L1，L2載波全波的觀測量。這種方法獲取數據的信噪比是很高的，比相關接收提高了13dB，比平方技術提高了16dB，甚至比碼相關技術提高了3dB。這樣，使得GPS靜態相對定位的精度跨入了毫米量級。

 

　　WAAS是利用地面站導航信號的增強。實現精準測量的地面高精度參考站網，可以從整體上保障美國全國性的（包括阿拉斯加、夏威夷和波多黎各）衛星數據采集，利用站網實際觀測數據導出相關信息用來修正多種多樣的信號誤差。這些改正信息通過上行數據鏈傳送給衛星，隨后通過衛星廣播給用戶接收機，廣播信號的頻率與GPS相同，無需另外設置新的接收機。WAAS的建立旨在提供附加的精度、完好性和可用性，這些都是航空飛行各階段用戶必需的，WAAS能覆蓋的所有相關的飛行階段，利用它可發展更為標準化的精密進近方法，錯失進近和離港引導，在美國空域差不?嚶?100條跑道，數百個直升機場/停機坪。WAAS也能增加定位報告精度，允許更為正規的和高質量的全球航空交通管理（ATM）。此外WAAS還會給航空以外的所有交通運輸方式帶來好處，包括航海、公路、和鐵路。

 

　　WAAS是安全要求極嚴格的系統，由空間信號和地面網絡構成，其目標是增強GPS，用以支持全航路直至精密進近的飛機導航。WAAS信號將從同步衛星向用戶廣播，用作為基本的導航傳感器，提供測距功能，改善可用性和可靠性，提供GPS差分改正以改善定位精度，達到米級，提供完好性監測改善安全性。這種利用同步衛星實現增強的方式稱為星基增強服務（SBAS），己投入工作的除了美國的WAAS，還有歐洲的EGNOS，日本的MSAS也進行此類增強。

　WAAS、EGNOS和MSAS主要服務區

 

　　u WAAS提供的誤差改正數據：WAAS提供兩種不同的誤差改正數，一是改正GPS定位的位置（星歷）和時鐘誤差信息，二是電離層誤差改正數。第一種改正數與用戶位置無關，它們能用于WAAS服務區內所有位置上的用戶。第二種改正數專門針對專門的區域，這就是說WAAS可以提供位于WAAS服務區內的不同點位（組成網格圖）的電離層改正數。用戶接收機計算所接收到的GPS信號時其算法中就應用用戶所在位置相對應的網格點的值。因此，相應的點對于每個衛星是不一樣的，因此在用戶接收機處理數據時，要考慮GPS衛星相對于用戶位于天空中不同的位置這一事實。考慮了兩組改正數的組合應用，能明顯增?傭ㄎ瘓?群涂尚哦取?

 

　　u WAAS提供六秒鐘預警：WAAS在6秒鐘內要完成以下兩個動作之一：一是修正用戶位置，確保精度保護門限以外的回到保護門限以內來。如果WAAS能在6秒之內修正錯誤信息，則無需LAPS系統的完好性。二是關閉連接，指示用戶機不再使用相關衛星導航數據。如果系統在6秒鐘之內不能修正錯誤的信息，則它就變成有害的誤導信息（HMI），將不用于導航。

 

　　u WAAS也能用于車輛導航：對于車輛導航，WAAS是非常有用的，它可以將GPS的水平定位精度從10－12m提高到1－2m。這種提高意味著能分清道路兩邊的往返車道，知道在道路的哪一邊，能確定多車道的所在巷道，以及其它專門的定位。因此，WAAS在車輛應用中變得越來越普遍。事實上，公共安全部門，包括警察、消防、救援和交通運輸部門都已經或正在運用WAAS。利用帶WAAS功能的接收機進行建筑設計、改進公路交通，開展一系列車輛導航服務。美國Onstar公司，已將WAAS組合到2008型的GM汽車上。Onstar聲明在氣囊起作用的15秒之內報告出汽車位置。WAAS除了給定位提高精度外，還能為生命安??仍??春么ΑＲ材蓯迪直煌檔梁捅喚儷殖盜鏡母?俸頹芑瘛４送猓琖AAS能用于智能交通，作為高精度定位的一種最好選擇。

 

　　從GPS工作伊始，國際上，特別是歐洲，透過國際民航組織這一窗口，一直致力于建設一個純民用的全球衛星導航系統（GNSS）的努力。通過實踐和研究，又將GNSS分為兩步走計劃，即GNSS1和GNSS2。簡而言之，GNSS1就是對現有的GPS和GLONASS 進行增強，目前歐洲所積極運作的EGNOS便是GNSS1行動的一個組成部分，當然美國的WAAS和日本的MSAS均屬于這一范疇。值得指出的是，這種增強是區域性的，是星基增強，真正要實現全球性的增強，則多個廣域增強的星基系統必須實施兼容和聯網互動。從更高的應用層次和級別而言，還需要全球性的地面局域增強系統（LAAS）聯??蠆鉤洌?嬌殺ＶずＢ嬌仗於嗄＝煌ㄔ聳淶母咝Ш桶踩?誦小?NSS2則是像Galileo這樣的新穎的全球衛星導航系統，加上現有的或經過現代化改造后的GPS和GLONASS，或者還有其它的新建系統，共同構成全球多個系統的相對獨立、各具特色、互動兼容、互為備份、彼此補充的嶄新格局，當然這類系統也不是越多越好，而是適可而止，最經濟實用的辦法是走國際合作，共同發展的道路。

 

　　（2）WAAS系統的空間段

 

　　廣域增強系統（WAAS），主要依賴位于西經98°W、107°W和133°W三顆地球靜止軌道衛星，在它們的覆蓋范圍提供相應的服務。為了確保該系統提供垂直定位服務的性能目標，是在雙星覆蓋的要求得到長期滿足，也就是用戶接收機同時至少能夠接收到兩個對地靜止衛星的增強信號。

　　WAAS空間段的三顆衛星

　　WAASdGEO衛星覆蓋區域圖形

 

　　（1）WAAS系統的地面段

 

　　由38個WAAS參考站（WRS）組成的北美廣域參考站網，覆蓋加拿大，墨西哥和美國，包括阿拉斯加和夏威夷，以及波多黎各。美國聯邦航空管理局計劃將廣域參考站的接收機進行升級，使之能夠處理新的GPS L5信號。

 

　　3 個WAAS主控站（WMS）：由WRS采集到的數據通過地面通信網絡轉發到WAAS主站（WMS）。在WMS生成為WAAS增強消息。

 

　　6個地球上行站（GUS）：它們負責將WMS生成的WAAS消息傳輸給地球靜止通信衛星導航有效載荷，用于廣播給用戶使用。

 

　　2個運行控制中心（OCC），用于監視系統的性能，并進行必要的校正和定期維護操作。

 

　　（2）WAAS系統的用戶段

 

　　WAAS用戶段，由GNSS接收機構成，它能夠將GPS信息與WAAS GEO衛星廣播的空間信號組合起來。由此可見，用戶段不是在WAAS服務提供商FAA的控制之下，而是由GNSS應用市場所驅動。雖然WAAS的首要目標是民航用戶群體，但是大多數GPS接收機現在均可以配置為接收和處理WAAS的空間信號（SIS），從而使它們可以從WAAS所提供的增強的準確性和/或完好性獲益。

 

　　應該指出，航空應用的用戶機必須滿足一定的標準，并且得到相應機構的認證許可，方能夠在飛機上使用。任何WAAS飛機用戶，必須使用支持SBAS標準的GPS接收機，并且經過SBAS航空電子設備認證批準。 WAAS的用戶設備應符合（認證）的若干標準，如RTCA DO MOPS229（見SBAS標準）。民航認證的設備是相對于成本最高級別。全球有許多個經過大量認證的接收機制造商。

 

　　（3）WAAS的信號

 

　　廣域增強系統（WAAS）提供了由GEO衛星發射的測距信號、廣域差分改正，以及旨在保證GNSS用戶的完好性等附加參數。其中GEO測距，是由GEO衛星發射類似GPS的L1信號，以增加提供給用戶的可用導航衛星數目；廣域差分（WAD），是對現有的GPS和GEO導航服務進行廣域計算出來的差分改正數，以提高導航服務的性能，它們包括衛星軌道和時鐘的誤差改正數，以及信號穿過電離層遭受延遲信息估算；GNSS /地面完好性通道（GIC），完好性告知GPS和GEO的可用性和安全導航服務的信息。

 

　　WAAS空間信號（SIS），已被設計為最低標準GPS接收機的硬件改進型。信號接口特征，包括載波和調制的無線電頻率、消息結構、通信協議，以及WAAS消息的內容。WAAS信號實際上是發送一個類似GPS的L1（1574.42兆赫）信號，用粗/捕獲偽隨機噪聲（PRN）碼調制的3 個GEO衛星廣播。在WAAS L1射頻特性如下表所示。

　WAAS L1射頻信號的主要特性

 

　　（1）WAAS的演變和未來

 

　　WAAS發展分為階段，它們是：

 

　　第一階段 - 初始工作能力（IOC）， 2003年完成；

 

　　第二階段 - 全LPV性能，2008年完成；

 

　　第三階段 - 全LPV-200的性能，計劃2009-2013；

 

　　第四階段 - 雙頻率運作，計劃實施在2014至2028年。

 

　　第一階段，WAAS實現初始工作能力（IOC），提供LNAV / VNAV /有限的LPV能力；第二階段，在美國本土和阿拉斯加，WAAS提供改進LPV可用性，并且擴大覆蓋到墨西哥和加拿大；第三階段，意味著有以下改變，技術更新覆蓋系統開發、現代化改進和增強，穩態運行和維護，如更換舊的WRSs，路由器升級......,以及空間段升級，在空間形成具有WAAS信號的廣播第三個GEO衛星（海事衛星AMR，PRN＃133）。啟動GPS L5的行動：規范、規劃、定義接口和標準，開發接收器機等；第四階段，WAAS將開始推進雙頻（L1-L5）體制運作，這將意味著，逐步過渡到SBAS L1 / L5雙頻服務。而SBAS-L1單頻傳統服務，將延續到2028年，維持一個強大、可靠、可持續的LPV-200能力。在LPV-200功能的維護，特別注意其穩定性和可靠性。為了實現高可用性的性能，與穩步運營和維護平穩，需要提高嚴重太陽活動期間的服務。

 

　　2015年4月，美國聯邦航空管理局（FAA）??已簽署1.03 億美元的合同，由雷神公司承擔保持維護GPS廣域增強系統（WAAS）。公司將研發新的有效載荷，并結合新的地球靜止衛星和兩個相關的地面上行站，以支持美國空域的WAAS系統。該WAAS GEO-6的有效載荷，將裝備到地球靜止軌道（GEO）的商用衛星上托管。GEO-6的WAAS系統，與GEO-5（2012年與雷聲公司簽署的合同），將取代正接近其服務租賃到期的另外兩個WAAS GEO有效載荷。WAAS GEO- 6有效載荷將在2017年第二季度發射。從而，實現WAAS增強從單頻（L1）系統轉換為WAAS雙頻系統（L1 / L5）的運作過程。美國聯邦航空局計劃，將維持雙頻WAAS的GEO直到至少2044 年。