Система глобального позиционирования ( WAAS ) — это средство аэронавигации, разработанное Федеральным управлением гражданской авиации для дополнения системы глобального позиционирования (GPS) с целью повышения ее точности, целостности и доступности. По сути, WAAS предназначен для того, чтобы позволить воздушному судну полагаться на GPS на всех этапах полета, включая точные заходы на посадку к любому аэропорту в зоне его покрытия. [2] В критических зонах ее можно дополнительно усовершенствовать с помощью локальной системы функционального дополнения (LAAS), также известной под предпочтительным термином ИКАО «Наземная система функционального дополнения» (GBAS).
WAAS использует сеть наземных опорных станций в Северной Америке и на Гавайях для измерения небольших изменений сигналов спутников GPS в западном полушарии . Измерения с опорных станций передаются на главные станции, которые ставят в очередь полученную поправку на отклонение (DC) и своевременно отправляют сообщения о поправках на геостационарные спутники WAAS (каждые 5 секунд или чаще). Эти спутники передают корректирующие сообщения обратно на Землю, где GPS-приемники с поддержкой WAAS используют поправки при вычислении своего положения для повышения точности.
Международная организация гражданской авиации (ИКАО) называет этот тип системы спутниковой системой функционального дополнения (SBAS). Европа и Азия разрабатывают свои собственные SBAS, индийскую геостационарную геостационарную навигационную систему (GAGAN), европейскую геостационарную навигационную службу (EGNOS), японскую многофункциональную спутниковую систему функционального дополнения (MSAS) и российскую систему дифференциальных поправок и мониторинга. (СДКМ) соответственно. Коммерческие системы включают StarFire , OmniSTAR и Atlas .
Основная цель WAAS заключалась в том, чтобы позволить самолетам выполнять заход на посадку по категории I без установки какого-либо оборудования в аэропорту. Это позволит разработать новые заходы на посадку по приборам на основе GPS для любого аэропорта, даже без какого-либо наземного оборудования. Заход на посадку категории I требует точности 16 метров (52 фута) по горизонтали и 4,0 метра (13,1 фута) по вертикали. [3]
Для достижения этой цели спецификация WAAS требует, чтобы она обеспечивала точность определения местоположения 7,6 метра (25 футов) или меньше (как для боковых, так и для вертикальных измерений), по крайней мере, в 95% случаев. [4] Фактические измерения производительности системы в определенных местах показали, что она обычно обеспечивает расстояние лучше, чем 1,0 метра (3 фута 3 дюйма) в поперечном направлении и 1,5 метра (4 фута 11 дюймов) по вертикали на большей части прилегающей территории США и на большей части Канады. и Аляска . [1]
Целостность навигационной системы включает в себя способность своевременно предупреждать, когда ее сигнал предоставляет вводящие в заблуждение данные, которые потенциально могут создать опасность. Спецификация WAAS требует, чтобы система обнаруживала ошибки в сети GPS или WAAS и уведомляла пользователей в течение 6,2 секунды. [4] Для подтверждения того, что WAAS безопасен для правил полетов по приборам (ППП) (т.е. полетов в облаках), необходимо доказать, что существует лишь чрезвычайно малая вероятность того, что ошибка, превышающая требования к точности, останется незамеченной. В частности, вероятность указывается как 1×10 -7 и соответствует не более чем 3 секундам неверных данных в год. Это обеспечивает информацию о целостности, эквивалентную или лучшую, чем автономный мониторинг целостности приемника (RAIM). [5]
Доступность — это вероятность того, что навигационная система соответствует требованиям точности и целостности. До появления WAAS спецификации GPS допускали недоступность системы в течение четырех дней в году (доступность 99%). [ нужна цитата ] Спецификация WAAS требует доступности на уровне 99,999% ( пять девяток ) по всей зоне обслуживания, что эквивалентно времени простоя чуть более 5 минут в год. [4] [5]
WAAS состоит из трех основных сегментов: наземного , космического и пользовательского.
Наземный сегмент состоит из нескольких опорных станций глобальной зоны (WRS). Эти наземные станции, осуществляющие точное наблюдение, отслеживают и собирают информацию о сигналах GPS, а затем отправляют свои данные на три главные станции глобальной зоны (WMS), используя наземную сеть связи. Опорные станции также отслеживают сигналы от геостационарных спутников WAAS, предоставляя информацию о их целостности. По состоянию на октябрь 2007 года насчитывалось 38 WRS: двадцать в сопредельных Соединенных Штатах (CONUS), семь на Аляске, один на Гавайях, один в Пуэрто-Рико, пять в Мексике и четыре в Канаде. [6] [7]
Используя данные с сайтов WRS, WMS генерируют два разных набора поправок: быстрые и медленные. Быстрые поправки предназначены для ошибок, которые быстро меняются и в первую очередь касаются мгновенного положения спутников GPS и ошибок часов. Эти поправки считаются независимыми от местоположения пользователя, что означает, что они могут быть применены мгновенно любым приемником в зоне действия вещания WAAS . Медленные поправки включают в себя долгосрочные оценки эфемерных и тактовых ошибок, а также информацию об ионосферной задержке . WAAS предоставляет поправки за задержку для ряда точек (организованных в виде сетки) в зоне обслуживания WAAS [2] (см. раздел «Пользовательский сегмент» ниже, чтобы понять, как используются эти поправки).
Как только эти корректирующие сообщения сгенерированы, WMS отправляют их на две пары наземных станций восходящей линии связи (GUS), которые затем передают их на спутники в космическом сегменте для ретрансляции в пользовательский сегмент. [8]
Каждый центр управления воздушным движением ФАУ в 50 штатах имеет опорную станцию WAAS, за исключением Индианаполиса . Есть также станции, расположенные в Канаде, Мексике и Пуэрто-Рико. [2] Координаты отдельных приемных антенн см . в списке опорных станций WAAS . [9]
Космический сегмент состоит из нескольких спутников связи , которые передают корректирующие сообщения, генерируемые главными станциями WAAS, для приема пользовательским сегментом. Спутники также передают ту же информацию о дальности действия, что и обычные спутники GPS, что эффективно увеличивает количество спутников, доступных для определения местоположения. Космический сегмент на данный момент состоит из трёх коммерческих спутников: Eutelsat 117 West B , SES-15 и Galaxy 30 . [10] [11] [12]
Первоначальные два спутника WAAS, названные « Регион Тихого океана» (POR) и «Регион Запада Атлантического океана» (AOR-W), арендовали пространство на спутниках Inmarsat III . Эти спутники прекратили передачу WAAS 31 июля 2007 года. С приближением окончания срока аренды Inmarsat в конце 2005 года были запущены два новых спутника ( Galaxy 15 и Anik F1R ). Galaxy 15 — это PanAmSat , а Anik F1R — Telesat . Как и в случае с предыдущими спутниками, это арендованные услуги в соответствии с контрактом ФАУ на сегмент управления геостационарной спутниковой связью с Lockheed Martin на арендованные услуги геостационарных спутников WAAS, с которыми был заключен контракт на предоставление до трех спутников в течение 2016 года. [13]
Позже к системе был добавлен третий спутник. С марта по ноябрь 2010 года ФАУ транслировало тестовый сигнал WAAS на арендованном транспондере спутника Inmarsat-4 F3. [14] Тестовый сигнал был непригоден для навигации, но мог быть принят, и ему был присвоен идентификационный номер PRN 133 (NMEA #46). В ноябре 2010 года сигнал был сертифицирован как рабочий и доступен для навигации. [15] После орбитальных испытаний спутник Eutelsat 117 West B, передающий сигнал по PRN 131 (NMEA #44), был сертифицирован как работоспособный и доступен для навигации 27 марта 2018 года. Спутник SES 15 был запущен 18 мая 2017 года. и после нескольких месяцев орбитальных испытаний был введен в эксплуатацию 15 июля 2019 года. В 2018 году был заключен контракт на размещение полезной нагрузки WAAS L-диапазона на спутнике Galaxy 30. Спутник был успешно запущен 15 августа 2020 года, а передача WAAS была введена в эксплуатацию 26 апреля 2022 года с повторным использованием PRN 135 (NMEA № 48). [16] [17] Примерно через три недели с четырьмя активными спутниками WAAS оперативные передачи WAAS на Anik F1-R были прекращены 17 мая 2022 года. [17]
В таблице выше PRN — это фактический код псевдослучайного числа спутника. NMEA — номер спутника, отправляемый некоторыми приемниками при выводе спутниковой информации (NMEA = PRN — 87).
Пользовательский сегмент — это приемник GPS и WAAS, который использует информацию, передаваемую от каждого спутника GPS, для определения его местоположения и текущего времени, а также получает поправки WAAS из космического сегмента. Два типа получаемых корректирующих сообщений (быстрые и медленные) используются по-разному.
Приемник GPS может немедленно применить данные коррекции быстрого типа, которые включают в себя скорректированное положение спутника и данные часов, а также определить свое текущее местоположение с помощью обычных вычислений GPS. Как только приблизительное определение местоположения получено, приемник начинает использовать медленные поправки для повышения своей точности. Среди данных медленной коррекции есть ионосферная задержка. Когда сигнал GPS передается от спутника к приемнику, он проходит через ионосферу. Приемник вычисляет место, где сигнал пронзил ионосферу, и, если он получил значение ионосферной задержки для этого места, корректирует ошибку, созданную ионосферой.
Хотя медленные данные при необходимости могут обновляться каждую минуту, ошибки эфемерид и ионосферы изменяются нечасто, поэтому они обновляются только каждые две минуты и считаются действительными в течение до шести минут. [20]
WAAS был совместно разработан Министерством транспорта США (DOT) и Федеральным авиационным управлением (FAA) в рамках Федеральной радионавигационной программы (DOT-VNTSC-RSPA-95-1/DOD-4650.5), начиная с 1994 года. обеспечить характеристики, сопоставимые с системой посадки по приборам (ILS) категории 1, для всех самолетов, имеющих соответствующим образом сертифицированное оборудование. [2] Без WAAS ионосферные возмущения, дрейф часов и ошибки спутниковой орбиты создают слишком много ошибок и неопределенности в сигнале GPS, чтобы соответствовать требованиям для точного захода на посадку (см. Источники ошибок GPS ). Точный заход на посадку включает в себя информацию о высоте и обеспечивает наведение по курсу, расстоянии от взлетно-посадочной полосы и информацию о высоте во всех точках захода на посадку, обычно вплоть до меньших высот и погодных минимумов, чем неточные заходы на посадку.
До появления WAAS Национальная система воздушного пространства США (NAS) не имела возможности обеспечивать боковую и вертикальную навигацию для точных заходов на посадку для всех пользователей во всех местах. Традиционной системой точного захода на посадку является система посадки по приборам (ILS), в которой используется ряд радиопередатчиков, каждый из которых передает на самолет один сигнал. Эту сложную серию радиостанций необходимо установить на каждом конце взлетно-посадочной полосы, некоторые за ее пределами, вдоль линии, проходящей от осевой линии взлетно-посадочной полосы, что делает реализацию точного захода на посадку сложной и очень дорогостоящей. Система ILS состоит из 180 различных передающих антенн в каждой построенной точке.
В течение некоторого времени ФАУ и НАСА разработали значительно улучшенную систему — систему микроволновой посадки (MLS). Вся система MLS для конкретного захода на посадку была изолирована в одном или двух блоках, расположенных рядом с взлетно-посадочной полосой, что резко снижало стоимость внедрения. MLS также предлагал ряд практических преимуществ, которые облегчали учет трафика как для самолетов, так и для радиоканалов. К сожалению, MLS также потребует от каждого аэропорта и самолета модернизировать свое оборудование.
В ходе развития MLS стали появляться потребительские GPS-приемники различного качества. GPS давала пилоту огромное количество преимуществ, объединяя все навигационные системы самолета на большие расстояния в единую, простую в использовании систему, часто достаточно маленькую, чтобы ее можно было держать в руках. Развертывание авиационной навигационной системы на основе GPS было в значительной степени проблемой разработки новых методов и стандартов, а не нового оборудования. ФАУ начало планировать отключить существующие системы дальней связи ( VOR и NDB ) в пользу GPS. Однако при этом остается проблема подходов. GPS просто недостаточно точен, чтобы заменить системы ILS. Типичная точность составляет около 15 метров (49 футов), тогда как даже подход «CAT I», наименее требовательный, требует вертикальной точности 4 метра (13 футов).
Эта неточность в GPS в основном связана с большими «волнами» в ионосфере , которые замедляют радиосигнал от спутников на случайную величину. Поскольку GPS использует синхронизацию сигналов для измерения расстояний, из-за замедления сигнала спутник кажется более удаленным. Волны движутся медленно, и их можно охарактеризовать с помощью различных методов с земли или путем изучения самих сигналов GPS. Передавая эту информацию на GPS-приемники примерно каждую минуту, этот источник ошибок можно значительно уменьшить. Это привело к появлению концепции дифференциального GPS , в которой использовались отдельные радиосистемы для передачи корректирующего сигнала на приемники. Затем самолет может установить приемник, который будет подключен к блоку GPS, при этом сигнал будет транслироваться на различных частотах для разных пользователей (FM-радио для автомобилей, длинноволновое для кораблей и т. д.). Вещательные станции необходимой мощности обычно группируются вокруг крупных городов, что делает такие системы DGPS менее полезными для глобальной навигации. Кроме того, большинство радиосигналов либо находятся на линии прямой видимости, либо могут быть искажены землей, что затрудняет использование DGPS в качестве системы точного захода на посадку или при низком полете по другим причинам.
ФАУ рассматривало системы, которые могли бы позволить транслировать одни и те же сигналы коррекции на гораздо более широкую территорию, например, со спутника, ведущего непосредственно к WAAS. Поскольку устройство GPS уже состоит из спутникового приемника, было гораздо разумнее отправлять корректирующие сигналы на тех же частотах, что и устройства GPS, чем использовать совершенно отдельную систему и тем самым удваивать вероятность отказа. Помимо снижения затрат на реализацию за счет «совмещения» запланированного запуска спутника, это также позволило транслировать сигнал с геостационарной орбиты , а это означало, что небольшое количество спутников могло покрыть всю Северную Америку.
10 июля 2003 г. сигнал WAAS был активирован для авиации общего назначения, охватывая 95% территории Соединенных Штатов и некоторые части Аляски с минимальной высотой 350 футов (110 м).
17 января 2008 года компания Hickok & Associates из Алабамы стала первым разработчиком вертолетных WAAS с подходами Localizer Performance (LP) и Localizer Performance с вертикальным наведением (LPV), а также единственной организацией с критериями, одобренными FAA (которые есть даже у FAA). еще предстоит разработать). [21] [22] [23] Критерии WAAS для этого вертолета предусматривают минимальную высоту полета всего 250 футов и пониженные требования к видимости, что позволяет выполнять миссии, которые ранее были невозможны. 1 апреля 2009 года FAA AFS-400 утвердило первые три процедуры захода на посадку вертолета WAAS GPS для клиента Hickok & Associates, компании California Shock/Trauma Air Rescue (CALSTAR). С тех пор они разработали множество одобренных заходов на посадку вертолетов WAAS для различных больниц скорой помощи и поставщиков авиаперевозок в США, а также в других странах и континентах.
30 декабря 2009 г. базирующаяся в Сиэтле компания Horizon Air совершила первый регулярный рейс с пассажирами [24] с использованием WAAS с LPV на рейсе 2014 г., рейс из Портленда в Сиэтл, выполняемый самолетом Bombardier Q400 с WAAS FMS от Universal Avionics. Авиакомпания в партнерстве с ФАУ оснастит семь самолетов Q400 системой WAAS и поделится полетными данными, чтобы лучше определить пригодность WAAS для регулярных авиаперевозок.
Хронология глобальной системы функционального дополнения (WAAS)
[25]
WAAS решает все «проблемы навигации», обеспечивая высокоточное позиционирование, которое чрезвычайно просто в использовании, по цене одного приемника, установленного на самолете. Наземная и космическая инфраструктура относительно ограничена, и никакой системы в аэропорту не требуется. WAAS позволяет публиковать информацию о точном заходе на посадку для любого аэропорта за счет затрат на разработку схем и публикацию новых табличек захода на посадку. Это означает, что почти любой аэропорт может иметь точный заход на посадку, а стоимость внедрения значительно снижается.
Кроме того, WAAS также хорошо работает между аэропортами. Это позволяет самолету летать напрямую из одного аэропорта в другой, а не следовать маршрутам, основанным на наземных сигналах. В некоторых случаях это может значительно сократить расстояние маршрута, экономя время и топливо. Кроме того, из-за своей способности предоставлять информацию о точности информации каждого спутника GPS, самолетам, оснащенным WAAS, разрешено летать на меньших высотах по маршруту, чем это было возможно с наземными системами, которые часто блокировались из-за местности с различными условиями. возвышение. Это позволяет пилотам безопасно летать на малых высотах, не полагаясь на наземные системы. Для самолетов без давления это позволяет экономить кислород и повышает безопасность.
Вышеуказанные преимущества создают не только удобство, но и могут привести к значительной экономии средств. Стоимость предоставления сигнала WAAS для обслуживания всех 5400 аэропортов общего пользования составляет чуть менее 50 миллионов долларов США в год. Для сравнения, нынешние наземные системы, такие как система посадки по приборам (ILS), установленные всего в 600 аэропортах, обходятся в 82 миллиона долларов США на ежегодное обслуживание. [ нужна ссылка ] Без приобретения наземного навигационного оборудования общая стоимость публикации данных о заходе на взлетно-посадочную полосу WAAS составляет примерно 50 000 долларов США; по сравнению со стоимостью от 1 000 000 до 1 500 000 долларов на установку радиосистемы ILS. [27]
При всех своих преимуществах WAAS не лишен недостатков и критических ограничений:
В 2007 году предполагалось, что вертикальное наведение WAAS будет доступно почти постоянно (более 99%), а его покрытие охватит всю континентальную часть США, большую часть Аляски, север Мексики и юг Канады. [30] В то время точность WAAS будет соответствовать или превосходить требования для заходов на посадку ILS категории 1 , а именно, трехмерную информацию о местоположении на высоте до 200 футов (60 м) над превышением зоны приземления. [3]
Улучшения программного обеспечения, которые будут реализованы к сентябрю 2008 года, значительно улучшат доступность сигналов вертикального наведения на всей территории CONUS и на Аляске. Площадь, охваченная 95% доступным решением LPV на Аляске, увеличилась с 62% до 86%. А в CONUS 100% доступность покрытия LPV-200 повышается с 48% до 84% при 100% покрытии решения LPV. [7]
И Galaxy XV (PRN № 135), и Anik F1R (PRN № 138) содержат полезную нагрузку GPS L1 и L5. Это означает, что их потенциально можно будет использовать с модернизированными сигналами GPS L5, когда новые сигналы и приемники станут доступными. Благодаря L5 авионика сможет использовать комбинацию сигналов для обеспечения максимально точного обслуживания, тем самым повышая доступность услуги. Эти системы авионики будут использовать ионосферные поправки, передаваемые WAAS, или самогенерируемые бортовые двухчастотные поправки, в зависимости от того, какая из них более точна. [31]