王绪宁 孙彩英 张熙
1.中国电子科技集团公司第五十四研究所；
2.中国西安卫星测控中心
随着卫星导航应用的发展，导航终端已在各个领域获得了广泛的应用，对其进行全面的测试评估已成为广泛共识并且需求迫切。在室内受控条件下对WAAS接收机进行测试时，需要构建仿真信号环境，为导航接收机提供信号激励，同时可对WAAS仿真信息进行精确灵活控制，提供各种典型条件下的WAAS仿真场景，为接收机提供完备、精确的WAAS信号环境，同时为接收机WAAS信号处理功能测试评估提供精确的评判基准。
本文研究了一种WAAS模拟技术，实现了WAAS系统GEO卫星星座、GPS广域增强信息和WAAS信号的模拟。WAAS系统主要由监测站、广域主控站、GEO卫星和上行注入站等组成，系统构成及数据处理复杂。相对于WAAS系统的复杂数据处理方法，针对WAAS模拟器的应用特点，简化了WAAS信号生成过程，使用灵活可控的数据模拟方法。WAAS模拟技术已使用商业接收机进行了验证，应用于机载接收机导航信号环境模拟中。
广域增强系统(WAAS)是美国基于卫星的增强系统，于1992年开始，由联邦航空管理局(FAA)为民航机构研制。其目的是要在覆盖美国本土的范围内使GPS民用服务的精度、完好性、连续性和可用性达到民用航空从航路到I类精密进近的要求。系统于2003年底开始运营，目前支持在美国和加拿大的1000多家机场的数千架飞机上运行。WAAS服务区域包括美国大陆、阿拉斯加、加拿大和墨西哥，WAAS系统覆盖区域和体系架构如图1所示。
图1 WAAS系统覆盖区及体系结构 Fig.1 WAAS system coverage area and architecture
WAAS系统主要由38个广域监测站（Wide Area Reference Station-WRS）、3个广域主控站（Wide Area Master Station-WMS）、3颗地球同步卫星（GEO Satellites-GEO）、6个地面上行注入站（Ground Uplink Subsystem）组成。终端用户接收GEO卫星传输的增强信号，对信号进行处理得到增强信息。信号中包含测距信息，差分改正信息和完好性信息，以保证GNSS导航信号的完整性。
（1）GEO测距信号：GEO卫星发射和GPS L1信号类似的测距信号，以增加向用户提供的导航卫星的数量。
（2）广域差分信息：对现有的GPS和GEO导航服务的差分修正,以提高导航服务的性能。
（3）GNSS完好性信息：提供导航系统的完好性信息,以告知GPS和GEO安全导航服务的可用性。
WAAS模拟系统的服务对象是具备GPS星基增强功能的接收机，提供接收机端的WAAS模拟信号。WAAS模拟系统由WAAS信息处理单元和WAAS信号产生单元构成，两者通过网络进行信息传输。信息处理单元由通用计算机和数据处理软件构成，负责生成WAAS仿真场景，建立WAAS系统的仿真模型，确定增强信息参数。实现系统的星座、电离层、对流层、系统完好性和用户轨迹仿真，并由仿真信息生成卫星测距信息、GPS导航电文、WAAS增强信息，将信息通过网络送往导航信号产生单元。导航信号产生单元将信息处理单元的仿真信息调制到导航信号上，产生仿真的GPS导航信号及WAAS仿真信号。WAAS模拟导航系统构成如图2所示，其中GPS模拟器和接收机为外部辅助系统，和WAAS模拟系统一起构成一个完整的模拟导航系统。
图2 WAAS模拟导航系统构成Fig.2 Composition of WAAS simulation navigation system
WAAS模拟系统仿真并生成广域差分改正数，广域差分改正数的完好性信息是通过对各类改正数的误差进行评估来确定的。广域差分改正数包括卫星钟差改正、卫星星历改正和电离层格网点垂直改正。钟差和卫星星历都是与卫星有关的误差改正，分别在快速钟差修正和慢变改正信息中给出；
网格点电离层垂直延迟改正以格网形式表示，包括电离层垂直延迟改正和误差估计；
对流层误差和用户所处位置环境有关，由用户自行确定，不在增强信息处理范围。WAAS模拟系统在发播广域差分信息时，使用如表1所示种类的WAAS电文，其中类型6完好性信息、类型24快速/长期改正项信息和其他信息内容重复，类型12时间信息为非必须内容，可根据需要选择是否播发。
表1 仿真的WAAS电文类型Tab.1 Simulated WAAS message types
播放WAAS增强信号的GEO卫星具备向终端用户提供测距信号的能力，可以增加用户端可用测距信号的数量，改善系统的几何分布因子，提高系统的可用度。在仿真GEO卫星伪距时，需要考虑对应GEO卫星的快速差分修正信息，卫星的慢变改正参数不适用于GEO卫星的修正，GEO伪距计算公式如式(1)所示：
其中：
t
：伪距计算时刻；
完好性信息仿真为快变改正、长期改正、电离层延迟改正精度评估信息及降效系数。快变精度评估信息及降效系数在电文类型2-5、类型6和类型7中播发，长期改正降效系数在电文消息类型10、类型25和类型28中播发，电离层改正降效参数在电文类型10和类型26中播发。完好性参数种类繁多，WAAS系统一般在进行改正数据综合处理，信号监测后和改正信息一起给出，系统实现复杂，不适用于导航信号仿真实现。在本系统WAAS信号仿真时，设置典型的完好性信息作为模板，用户可根据需要对完好性信息进行调整，满足灵活仿真控制的需求,主要参数参考设置如下：
用户差分距离误差：UDREI=0；快变改正数降效因子：UDREI降效因子=0；
电文类型10降效参数：
I
=6，I
=6，I
=60，I
=240，其余值可设置为0；电离层：GIVEI=0。
电文生成将仿真的WAAS差分改正信息、GEO卫星信息和完好性信息，按照信息播发要求分配到不同类型的导航电文帧中，转换成比特流数据，添加帧头、帧类型和CRC校验，然后对数据帧进行编码。WAAS电文数据的播发速率为250bps，由8bit帧头，6bit帧类型，212bit数据和24位CRC校验构成。数据组帧后，采用前向纠错（FEC）码进行编码，实现方式为二分之一卷积编码，输出数据的速率为500sps。为保证增强信息的实时性和有效性，WAAS各类信息需要满足最大更新时间，否则将导致超时，对于精密进近等关键应用，超时后导致相关卫星信号不可用。在典型的仿真32颗卫星增强信息的条件下，使用表2频度生成并播发WAAS增强信息，满足增强信息的完整性和实时性要求。
表2 WAAS电文更新间隔Tab.2 WAAS message update interval
各类信息的播发频度依据仿真的目的进行调整，以实现是否触发增强信息超时或无效的仿真效果。
WAAS信号产生单元完成由信号描述信息、信号搭载信息的信号实现，生成搭载有WAAS增强信息的WAAS测距信号。WAAS系统采用与GPS L1相同的信号频率和伪码,并与GPS系统时间同步。信号结构分3个层次：用于长距离传输和多普勒测速的调制载波；
用于距离测量的扩频码；
用于传送信息的基带数据。导航信号的数学表示如式(3)所示:
A
为信号幅度；PN
(t
))为伪随机码；D
(t
)为数据；cos
(2πft
)为调制载波。信号产生单元主要包含主控单元、基带信号产生单元和射频调制单元。主控单元负责信息处理、逻辑控制和外部通信工作；
基带信号产生单元完成伪码生成、伪距控制、基带信号产生功能；
射频调制单元完成信号的正交调制、上变频、功率控制和信号合路等功能。生成的WAAS仿真信号和GPS仿真信号合路后通过射频链路送往WAAS接收机，构成完整的WAAS仿真信号环境。
随着卫星导航技术的发展，导航信号模拟仿真技术也在不断改进。目前,导航信号模拟仿真技术已从单纯的导航系统信号模拟发展到针对不同行业、不同应用的模拟，包括星基增强系统、地基增强系统、组合导航系统模拟等。本系统的WAAS模拟技术，可以构成可控WAAS信号环境，为深入对相关接收机进行测试，实现在各种复杂、临界条件下的接收机测试，提供了有效的手段。