Система широкополосного дополнения ( WAAS ) — это аэронавигационное средство, разработанное Федеральным управлением гражданской авиации для дополнения Глобальной системы позиционирования (GPS) с целью повышения ее точности, целостности и доступности. По сути, WAAS предназначена для того, чтобы позволить самолетам полагаться на GPS на всех этапах полета, включая точные заходы на посадку в любой аэропорт в пределах ее зоны покрытия. [2] Она может быть дополнительно улучшена с помощью локальной системы дополнения (LAAS), также известной под предпочтительным термином ИКАО наземная система дополнения (GBAS) в критических областях.
WAAS использует сеть наземных опорных станций в Северной Америке и на Гавайях для измерения небольших изменений в сигналах спутников GPS в западном полушарии . Измерения с опорных станций направляются на главные станции, которые ставят в очередь полученные поправки на отклонение (DC) и отправляют сообщения о коррекции на геостационарные спутники WAAS своевременно (каждые 5 секунд или чаще). Эти спутники передают сообщения о коррекции обратно на Землю, где приемники GPS с поддержкой WAAS используют поправки при вычислении своих позиций для повышения точности.
Международная организация гражданской авиации (ИКАО) называет этот тип системы спутниковой системой дополнения (SBAS). Европа и Азия разрабатывают свои собственные SBAS: индийская GPS Aided Geo Augmented Navigation (GAGAN), Европейская геостационарная навигационная служба (EGNOS), японская многофункциональная спутниковая система дополнения (MSAS) и российская система дифференциальных поправок и мониторинга (SDCM) соответственно. Коммерческие системы включают StarFire , OmniSTAR и Atlas .
Основной целью WAAS было позволить самолетам выполнять заход на посадку категории I без установки какого-либо оборудования в аэропорту. Это позволило бы разрабатывать 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 менее (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 точность более 1,0 метра (3 фута 3 дюйма) по горизонтали и 1,5 метра (4 фута 11 дюймов) по вертикали на большей части смежных Соединенных Штатов и больших территориях Канады и Аляски . [1]
Целостность навигационной системы включает в себя способность предоставлять своевременные предупреждения, когда ее сигнал предоставляет вводящие в заблуждение данные, которые потенциально могут создавать опасности. Спецификация WAAS требует, чтобы система обнаруживала ошибки в сети GPS или WAAS и уведомляла пользователей в течение 6,2 секунд. [4] Сертификация того, что WAAS безопасна для правил полетов по приборам (IFR) (т. е. полетов в облаках), требует доказательства того, что существует лишь крайне малая вероятность того, что ошибка, превышающая требования к точности, останется незамеченной. В частности, вероятность указывается как 1×10−7 и эквивалентна не более чем 3 секундам неверных данных в год. Это обеспечивает информацию о целостности, эквивалентную или лучшую, чем Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM). [5]
Доступность — это вероятность того, что навигационная система соответствует требованиям точности и целостности. До появления WAAS спецификации GPS допускали недоступность системы в течение суммарного времени до четырех дней в году (доступность 99%). [ необходима цитата ] Спецификация WAAS предписывает доступность в 99,999% ( пять девяток ) по всей зоне обслуживания, что эквивалентно простою чуть более 5 минут в год. [4] [5]
WAAS состоит из трех основных сегментов: наземного сегмента , космического сегмента и пользовательского сегмента.
Наземный сегмент состоит из нескольких широкозонных опорных станций (WRS). Эти точно обследованные наземные станции отслеживают и собирают информацию о сигналах GPS, затем отправляют свои данные на три широкозонные главные станции (WMS) с помощью наземной сети связи. Опорные станции также отслеживают сигналы с геостационарных спутников WAAS, предоставляя информацию о целостности данных относительно них. По состоянию на октябрь 2007 года насчитывалось 38 WRS: двадцать в смежных Соединенных Штатах (CONUS), семь на Аляске, одна на Гавайях, одна 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 мгновенных положений спутников GPS и ошибок часов. Эти поправки считаются независимыми от позиции пользователя, что означает, что они могут быть мгновенно применены любым приемником в зоне вещания WAAS . Медленные поправки включают долгосрочные оценки эфемерид и ошибок часов, а также информацию о задержке ионосферы . WAAS предоставляет поправки задержек для ряда точек (организованных в виде сетки) по всей зоне обслуживания WAAS [2] (см. раздел «Пользовательский сегмент» ниже, чтобы понять, как используются эти поправки).
После того, как эти сообщения коррекции сформированы, WMS отправляют их на две пары наземных станций восходящей связи (GUS), которые затем передают их на спутники в космическом сегменте для ретрансляции в пользовательский сегмент. [8]
Каждый центр управления воздушным движением FAA в 50 штатах имеет опорную станцию WAAS, за исключением Индианаполиса . Также станции расположены в Канаде, Мексике и Пуэрто-Рико. [2] См. Список опорных станций WAAS для координат отдельных приемных антенн. [9]
Космический сегмент состоит из нескольких спутников связи , которые передают сообщения коррекции, генерируемые главными станциями WAAS для приема пользовательским сегментом. Спутники также передают тот же тип информации о дальности, что и обычные спутники GPS, эффективно увеличивая количество спутников, доступных для определения местоположения. В настоящее время космический сегмент состоит из трех коммерческих спутников: Eutelsat 117 West B , SES-15 и Galaxy 30. [ 10] [11] [12]
Первоначальные два спутника WAAS, названные Pacific Ocean Region (POR) и Atlantic Ocean Region-West (AOR-W), были арендованы на спутниках Inmarsat III . Эти спутники прекратили передачи 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 — это Telesat . Как и предыдущие спутники, это арендованные услуги в рамках контракта FAA's Geostationary Satellite Communications Control Segment с Lockheed Martin на арендуемые геостационарные спутниковые услуги WAAS, которые были заключены контракты на предоставление до трех спутников до 2016 года. [13]
Позже к системе был добавлен третий спутник. С марта по ноябрь 2010 года FAA транслировало тестовый сигнал WAAS на арендованном транспондере на спутнике Inmarsat-4 F3. [14] Тестовый сигнал не был пригоден для навигации, но мог быть принят и был передан с идентификационными номерами PRN 133 (NMEA #46). В ноябре 2010 года сигнал был сертифицирован как рабочий и стал 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 передачи WAAS были введены 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 псевдослучайный числовой код спутника. NMEA — это номер спутника, отправляемый некоторыми приемниками при выводе спутниковой информации (NMEA = PRN - 87).
Пользовательский сегмент — это приемник GPS и WAAS, который использует информацию, передаваемую каждым спутником GPS, для определения своего местоположения и текущего времени, и получает поправки WAAS от сегмента Space. Два типа полученных сообщений о поправках (быстрые и медленные) используются по-разному.
Приемник GPS может немедленно применить быстрый тип данных коррекции, который включает исправленное положение спутника и данные часов, и определяет его текущее местоположение с помощью обычных вычислений GPS. После получения приблизительного определения местоположения приемник начинает использовать медленные поправки для повышения точности. Среди медленных данных коррекции есть ионосферная задержка. Когда сигнал GPS проходит 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, исправляет ошибку, созданную ионосферой.
Хотя медленные данные могут обновляться каждую минуту, если это необходимо, ошибки эфемерид и ионосферных данных не меняют это часто, поэтому они обновляются только каждые две минуты и считаются действительными в течение шести минут. [20]
Система WAAS была совместно разработана Министерством транспорта США (DOT) и Федеральным управлением гражданской авиации (FAA) в рамках Федеральной радионавигационной программы (DOT-VNTSC-RSPA-95-1/DOD-4650.5), начиная с 1994 года, для обеспечения производительности, сопоставимой с системой посадки по приборам категории 1 (ILS) для всех воздушных судов, имеющих соответствующим образом сертифицированное оборудование. [2] Без WAAS ионосферные возмущения, дрейф часов и ошибки орбиты спутников создают слишком много ошибок и неопределенности в сигнале GPS для соответствия требованиям точного захода на посадку (см. Источники ошибок GPS ). Точный заход на посадку включает информацию о высоте и обеспечивает наведение по курсу, расстояние от взлетно-посадочной полосы и информацию о высоте во всех точках вдоль захода на посадку, обычно до более низких высот и погодных минимумов, чем неточные заходы на посадку.
До WAAS Национальная система воздушного пространства США (NAS) не имела возможности предоставлять боковую и вертикальную навигацию для точных заходов на посадку для всех пользователей во всех местах. Традиционной системой для точных заходов на посадку является система посадки по приборам (ILS), которая использует ряд радиопередатчиков, каждый из которых передает один сигнал на самолет. Этот сложный ряд радиоприемников необходимо установить на каждом конце взлетно-посадочной полосы, некоторые за ее пределами, вдоль линии, простирающейся от осевой линии взлетно-посадочной полосы, что делает реализацию точного захода на посадку и сложной, и очень дорогой. Система ILS состоит из 180 различных передающих антенн в каждой построенной точке.
В течение некоторого времени FAA и NASA разрабатывали значительно улучшенную систему, микроволновую систему посадки (MLS). Вся система MLS для конкретного подхода была изолирована в одном или двух ящиках, расположенных рядом с взлетно-посадочной полосой, что значительно снижало стоимость внедрения. MLS также предлагала ряд практических преимуществ, которые облегчали рассмотрение трафика, как для самолетов, так и для радиоканалов. К сожалению, MLS также потребовала бы от каждого аэропорта и самолета модернизации своего оборудования.
Во время разработки MLS начали появляться потребительские GPS-приемники различного качества. GPS предлагал пилоту огромное количество преимуществ, объединяя все системы дальней навигации самолета в одну простую в использовании систему, часто достаточно маленькую, чтобы ее можно было держать в руке. Развертывание системы навигации самолета на основе GPS было в значительной степени проблемой разработки новых методов и стандартов, а не нового оборудования. FAA начало планировать отключение своих существующих систем дальней навигации ( VOR и NDB ) в пользу GPS. Однако это оставило проблему 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 обусловлена большими «волнами» в ионосфере , которые замедляют радиосигнал от спутников на случайную величину. Поскольку GPS полагается на синхронизацию сигналов для измерения расстояний, это замедление сигнала заставляет спутник казаться дальше. Волны движутся медленно и могут быть охарактеризованы с помощью различных методов с земли или путем изучения самих сигналов GPS. Транслируя эту информацию на приемники GPS каждую минуту или около того, этот источник ошибок может быть значительно уменьшен. Это привело к концепции дифференциального GPS , который использовал отдельные радиосистемы для трансляции сигнала коррекции на приемники. Затем самолет мог установить приемник, который был бы подключен к блоку GPS, сигнал транслировался бы на различных частотах для разных пользователей (FM-радио для автомобилей, длинные волны для кораблей и т. д.). Вещатели необходимой мощности обычно группируются вокруг крупных городов, что делает такие системы DGPS менее полезными для широкополосной навигации. Кроме того, большинство радиосигналов либо передаются в пределах прямой видимости, либо могут искажаться землей, что затрудняет использование DGPS в качестве системы точного захода на посадку или при полетах на малых высотах по другим причинам.
FAA рассматривало системы, которые могли бы позволить транслировать те же сигналы коррекции на гораздо более широкую область, например, со спутника, напрямую в WAAS. Поскольку блок GPS уже состоит из спутникового приемника, было бы гораздо разумнее отправлять сигналы коррекции на тех же частотах, которые используются блоками GPS, чем использовать полностью отдельную систему и тем самым удваивать вероятность отказа. В дополнение к снижению затрат на реализацию за счет «присоединения» к запланированному запуску спутника, это также позволяло транслировать сигнал с геостационарной орбиты , что означало, что небольшое количество спутников могло покрыть всю Северную Америку.
10 июля 2003 года сигнал WAAS был активирован для авиации общего назначения, охватывая 95% территории США и часть Аляски, обеспечивая минимум 350 футов (110 м).
17 января 2008 года компания Hickok & Associates из Алабамы стала первым разработчиком вертолетных WAAS с Localizer Performance (LP) и Localizer Performance with Vertical guide (LPV) подходами, и единственной организацией с одобренными FAA критериями (которые даже FAA еще не разработало). [21] [22] [23] Эти критерии вертолетных WAAS предлагают минимальные значения в 250 футов и сниженные требования к видимости, чтобы сделать возможными миссии, которые ранее были невозможны. 1 апреля 2009 года FAA AFS-400 одобрила первые три вертолетных процедуры захода на посадку WAAS GPS для клиента Hickok & Associates California Shock/Trauma Air Rescue (CALSTAR). С тех пор они разработали множество одобренных вертолетных подходов WAAS для различных больниц и поставщиков услуг скорой помощи в Соединенных Штатах, а также в других странах и на других континентах.
30 декабря 2009 года базирующаяся в Сиэтле авиакомпания Horizon Air осуществила первый регулярный пассажирский рейс [24] с использованием WAAS с LPV на рейсе 2014 года из Портленда в Сиэтл, который выполнялся самолетом Bombardier Q400 с WAAS FMS от Universal Avionics. Авиакомпания в партнерстве с FAA оснастит семь самолетов Q400 системой WAAS и поделится полетными данными, чтобы лучше определить пригодность WAAS для регулярных авиаперевозок. [ требуется обновление ]
Хронология широкополосной системы дополнения (WAAS)
[25]
WAAS решает все «навигационные проблемы», обеспечивая высокоточное позиционирование, которое чрезвычайно просто в использовании, по цене одного приемника, установленного на самолете. Наземная и космическая инфраструктура относительно ограничена, и не требуется никакой системы на аэродроме. WAAS позволяет публиковать точный заход на посадку для любого аэропорта, по цене разработки процедур и публикации новых схем захода на посадку. Это означает, что почти любой аэропорт может иметь точный заход на посадку, а стоимость внедрения резко снижается.
Кроме того, WAAS работает так же хорошо между аэропортами. Это позволяет самолету лететь напрямую из одного аэропорта в другой, а не следовать маршрутам, основанным на наземных сигналах. Это может значительно сократить протяженность маршрута в некоторых случаях, экономя время и топливо. Кроме того, из-за своей способности предоставлять информацию о точности информации каждого спутника GPS, самолеты, оборудованные WAAS, могут летать на более низких высотах по маршруту, чем это было возможно с наземными системами, которые часто были заблокированы местностью с различной высотой. Это позволяет пилотам безопасно летать на более низких высотах, не полагаясь на наземные системы. Для негерметичных самолетов это экономит кислород и повышает безопасность.
Вышеуказанные преимущества не только обеспечивают удобство, но и могут обеспечить значительную экономию средств. Стоимость предоставления сигнала WAAS, обслуживающего все 5400 аэропортов общественного пользования, составляет чуть менее 50 миллионов долларов США в год. Для сравнения, текущие наземные системы, такие как система посадки по приборам (ILS), установленные только в 600 аэропортах, обходятся в 82 миллиона долларов США в год на техническое обслуживание. [ необходима цитата ] Без приобретения наземного навигационного оборудования общая стоимость публикации подхода WAAS к взлетно-посадочной полосе составляет приблизительно 50 000 долларов США; по сравнению со стоимостью установки радиосистемы ILS в размере от 1 000 000 до 1 500 000 долларов США. [27]
Несмотря на все свои преимущества, WAAS не лишена недостатков и критических ограничений:
В 2007 году прогнозировалось, что вертикальное наведение WAAS будет доступно практически все время (более 99%), а его покрытие будет охватывать всю континентальную часть США, большую часть Аляски, северную Мексику и южную Канаду. [30] В то время точность WAAS будет соответствовать или превосходить требования для заходов на посадку ILS категории 1 , а именно, трехмерную информацию о местоположении до 200 футов (60 м) над уровнем зоны приземления. [3]
Улучшения программного обеспечения, которые должны быть внедрены к сентябрю 2008 года, значительно улучшают доступность сигнала вертикального наведения по всему CONUS и Аляске. Площадь, покрываемая 95% доступным решением LPV на Аляске, увеличивается с 62% до 86%. А в CONUS 100% доступное покрытие LPV-200 увеличивается с 48% до 84%, при 100% покрытии решением LPV. [7]
И Galaxy XV (PRN #135), и Anik F1R (PRN #138) содержат полезную нагрузку L1 и L5 GPS. Это означает, что они потенциально могут использоваться с модернизированными сигналами GPS L5 , когда станут доступны новые сигналы и приемники. С L5 авионика сможет использовать комбинацию сигналов для предоставления максимально точного сервиса, тем самым увеличивая доступность сервиса. Эти системы авионики будут использовать ионосферные поправки, транслируемые WAAS, или самогенерируемые бортовые двухчастотные поправки, в зависимости от того, какой из них точнее. [31]