広域増強システム
GPS受信機の精度を向上させるシステム
広域補強システム（WAAS）

原産国アメリカ合衆国
運航者FAA
ステータス運用中
対象地域アメリカ合衆国、カナダ、メキシコ
精度1.0メートル（3.3フィート）[1]
星座の大きさ
現在使用可能な衛星3
最初の打ち上げ2003年、23年前 （2003年）
軌道特性
体制GEO（通信衛星を使用）
WAASシステムの概要

広域航法補強システム（WAAS）は、連邦航空局（FAA）が開発した航空航法支援システムで、全地球測位システム（GPS）の精度、整合性、可用性の向上を目的としています。WAASは基本的に、航空機が飛行のあらゆる段階でGPSを利用できるようにすることを目的としており、カバーエリア内の任意の空港への垂直誘導による進入も含まれます。WAASは、重要な地域においては、ICAOの推奨用語である地上型航法補強システム（GBAS）としても知られるローカルエリア航法補強システム（LAAS）によってさらに強化される可能性があります。

WAASは、北米とハワイにある地上基準局のネットワークを用いて、西半球におけるGPS衛星信号の微小な変動を測定します。基準局からの測定値は親局に送られ、親局は受信した偏差補正値（DC）をキューに入れ、適切なタイミングで（5秒間隔以上で）WAAS静止衛星に補正メッセージを送信します。これらの衛星は補正メッセージを地球に送信し、WAAS対応のGPS受信機はこれらの補正値を用いて位置を計算し、精度を向上させます。

国際民間航空機関（ICAO）は、このタイプのシステムを衛星航法補強システム（SBAS）と呼んでいます。ヨーロッパとアジアでは、それぞれインドのGPS支援GEO航法補強システム（GAGAN）、欧州静止衛星航法オーバーレイサービス（EGNOS）、日本の多機能衛星航法補強システム（MSAS）、ロシアの差分補正・監視システム（SDCM）といった独自のSBASを開発しています。商用システムには、StarFire、OmniSTAR、Atlasなどがあります。

SBASサービスエリア

WAASの目標

典型的なWAASサービスエリア。濃い赤はWAASの最良のカバレッジを示します。サービスコンターは、衛星の配置と電離層の状況により、時間の経過とともに変化します

精度

WAASの主な目的は、空港に機器を設置することなく、航空機がカテゴリーIの進入を可能にすることでした。これにより、地上設備のない空港を含むあらゆる空港において、GPSベースの新しい計器着陸進入法を開発することが可能になります。カテゴリーIの進入では、横方向16メートル（52フィート）、縦方向4.0メートル（13.1フィート）の精度が求められます。[2]

この目標を達成するために、WAAS仕様では、少なくとも95％の時間で7.6メートル（25フィート）以下の位置精度（水平および垂直測定の両方）を提供することが求められています。[3]特定の場所でのシステムの実際のパフォーマンス測定では、通常、米国本土のほとんどとカナダとアラスカの大部分で、水平方向に1.0メートル（3フィート3インチ）、垂直方向に1.5メートル（4フィート11インチ）以上の精度を提供することが示されています。[ 1 ]

完全性

ナビゲーションシステムの完全性には、信号が潜在的に危険を引き起こす可能性のある誤解を招くデータを提供している場合に、タイムリーな警告を提供する能力が含まれます。WAAS仕様では、システムがGPSまたはWAASネットワークのエラーを検出し、6.2秒以内にユーザーに通知することが求められています。[3] WAASが計器飛行方式（IFR）（つまり、雲の中を飛行する）に安全であることを証明するには、精度要件を超えるエラーが検出されない確率が極めて低いことを証明する必要があります。具体的には、その確率は1×10⁻⁻と規定されており、これは年間3秒以下の不良データに相当します。これは、受信機自律完全性監視（RAIM）と同等以上の完全性情報を提供します。 [4]

可用性

可用性とは、ナビゲーションシステムが精度と整合性の要件を満たす確率です。WAASが登場する前は、GPSの仕様では、年間合計4日間（99%の可用性）のシステム非可用性が許容されていました。[要出典] WAASの仕様では、サービスエリア全体で99.999%（ファイブナイン）の可用性が義務付けられており、これは年間5分強のダウンタイムに相当します。[3] [4]

運用

アラスカ州ウチギアグビックのWAAS基準局

WAASは、地上セグメント、宇宙セグメント、ユーザーセグメント の3つの主要セグメントで構成されています

地上セグメント

地上セグメントは複数の広域基準局（WRS）で構成されています。これらの精密測量された地上局はGPS信号を監視・収集し、地上通信ネットワークを介して3つの広域親局（WMS）にデータを送信します。これらの基準局はWAAS静止衛星からの信号も監視し、それらの整合性情報も提供します。2007年10月現在、WRSは38箇所あり、アメリカ合衆国本土（CONUS）に20箇所、アラスカに7箇所、ハワイに1箇所、プエルトリコに1箇所、メキシコに5箇所、カナダに4箇所です。[5] [6]

WMSはWRSサイトのデータを使用して、高速と低速の2つの異なる補正セットを生成します。高速補正は、急速に変化する誤差に対するもので、主にGPS衛星の瞬間的な位置とクロック誤差に関係します。これらの補正はユーザーの位置に依存しないと考えられており、WAASブロードキャストフットプリント内の任意の受信機によって即座に適用できます。低速補正には、長期的なエフェメリックおよびクロック誤差の推定値、および電離層遅延情報が含まれます。WAASは、WAASサービスエリア[7]全体の多数のポイント（グリッドパターンに編成）に対して遅延補正を提供します（これらの補正がどのように使用されるかについては、以下のユーザーセグメントを参照してください）。

これらの補正メッセージが生成されると、WMSはそれを2組の地上アップリンク局（GUS）に送信し、GUSはそれを宇宙セグメントの衛星に送信してユーザーセグメントに再放送します。[8]

基準局

インディアナポリスを除く全50州のFAA航空路交通管制センターには、WAAS基準局が設置されています。カナダ、メキシコ、プエルトリコにも基準局があります。[7]個々の受信アンテナの座標については、WAAS基準局一覧を参照してください。 [9]

宇宙セグメント

宇宙セグメントは、WAASマスター局によって生成された補正メッセージをユーザーセグメントが受信できるようにブロードキャストする複数の通信衛星で構成されています。衛星は通常のGPS衛星と同じ種類の距離情報もブロードキャストするため、位置測定に利用できる衛星の数を効果的に増やすことができます。宇宙セグメントは現在、ユーテルサット117 West B、SES-15、Galaxy 30の3つの商用衛星で構成されています。[10] [11] [12]

衛星の歴史

当初の2基のWAAS衛星は、太平洋地域（POR）と大西洋地​​域西部（AOR-W）と呼ばれ、インマルサットIII衛星のスペースをリースしていました。これらの衛星は2007年7月31日にWAASの送信を停止しました。インマルサットのリース期間終了が近づく中、2005年後半に2基の新しい衛星（Galaxy 15とAnik F1R）が打ち上げられました。Galaxy 15はPanAmSat、Anik F1RはTelesatです。以前の衛星と同様に、これらはFAAの静止衛星通信制御セグメント契約に基づくWAAS静止衛星リースサービスであり、ロッキード・マーティン社は2016年まで最大3基の衛星を提供することで契約を締結していました。[13]

その後、3基目の衛星がシステムに追加されました。2010年3月から11月にかけて、FAAはインマルサット4号F3衛星に搭載されたリーストランスポンダーからWAAS試験信号を発信しました。[14]この試験信号は航行には使用できませんでしたが、受信は可能であり、識別番号PRN 133（NMEA #46）が報告されました。2010年11月、この信号は運用可能と認定され、航行に利用可能となりました。[15]軌道上試験の後、PRN 131（NMEA #44）で信号を放送しているユーテルサット117ウェストBは、2018年3月27日に運用が認定され、ナビゲーションに利用可能になりました。SES 15衛星は2017年5月18日に打ち上げられ、数ヶ月の軌道上試験の後、2019年7月15日に運用を開始しました。2018年には、ギャラクシー30衛星にWAAS Lバンドペイロードを搭載する契約が締結されました。衛星は2020年8月15日に正常に打ち上げられ、WAAS送信は2022年4月26日に運用を開始し、PRN 135（NMEA #48）を再利用しました。[16] [17] 4基のWAAS衛星が約3週間稼働した後、アニクF1-Rでの運用中のWAAS送信は2022年5月17日に終了しました。[17]

衛星名と詳細 PRN NMEA 指定子 位置 有効期間（テストモード以外） ステータス 信号能力
大西洋地域（西部） 122 35 西経 西経54度、後に西経142度に移動[18] 2003年7月10日～2017年7月31日 2017年7月31日にWAASの運用を停止しました。 L1ナローバンド
太平洋地域（POR） 134 47 POR 東経178度 2003年7月10日～2017年7月31日 2017年7月31日にWAASの運用を停止しました。 L1
ギャラクシー15 135 48 CRW 西経133度 2006年11月～2019年7月25日 2019 年 7 月 25 日に WAAS 送信の運用を停止しました。 L1、L5（テストモード）
アニック F1R 138 51 CRE 西経107.3度 2007年7月～2022年5月17日 2022年5月17日にWAASの運用を停止した。[17] L1、L5（テストモード）
インマルサット4F3 133 46 AMR 西経98度 2010年11月 – 2017年11月9日 2017年11月9日をもってWAASの運用を停止した。[19] L1 ナローバンド、L5（テストモード）
ユーテルサット 117 ウェスト B 131 44 SM9 西経117度 2018年3月～現在 運用 L1、L5（テストモード）
SES 15 133 46 S15 西経129度 2019年7月15日～現在 運用 L1、L5（テストモード）
ギャラクシー30 135 48 G30 西経125度 2022年4月26日現在 運用 L1、L5（テストモード）

上記の表で、PRNは衛星の実際の疑似乱数コードです。NMEAは、一部の受信機が衛星情報を出力するときに送信する衛星番号です（NMEA = PRN - 87）。

ユーザーセグメント

ユーザーセグメントはGPSおよびWAAS受信機であり、各GPS衛星から放送される情報を用いて位置と現在時刻を特定し、宇宙セグメントからWAAS補正情報を受信します。受信した2種類の補正メッセージ（高速と低速）は、それぞれ異なる方法で使用されます

GPS受信機は、補正された衛星位置とクロックデータを含む高速補正データを即座に適用し、通常のGPS計算を用いて現在位置を特定します。おおよその位置が確定すると、受信機は低速補正データを用いて精度を向上させます。低速補正データには電離層遅延が含まれます。GPS信号は衛星から受信機に伝わる際に電離層を通過します。受信機は信号が電離層を通過した位置を計算し、その位置の電離層遅延値を受信した場合、電離層によって生じた誤差を補正します。

低速データは必要に応じて1分ごとに更新できますが、エフェメリス誤差と電離層誤差はそれほど頻繁には変化しないため、2分ごとに更新され、最大6分間有効であると見なされます。[20]

歴史と発展

WAASは、1994年に連邦無線航法プログラム（DOT-VNTSC-RSPA-95-1/DOD-4650.5）の一環として、米国運輸省（DOT）と連邦航空局（FAA）によって共同開発され、適切に認証された機器を備えたすべての航空機にカテゴリー1計器着陸装置（ILS）と同等の性能を提供することを目的としていました。 [7] WAASがなければ、電離層擾乱、クロックドリフト、衛星軌道誤差により、GPS信号に過大な誤差と不確実性が生じ、精密進入の要件を満たすことができません（GPS誤差源を参照）。精密進入には高度情報が含まれ、進入経路上のすべての地点におけるコースガイダンス、滑走路からの距離、高度情報が提供されます。通常、非精密進入よりも低い高度と最低気象条件まで提供されます

WAAS導入以前、米国国家航空宇宙システム（NAS）は、あらゆる場所のあらゆる利用者に精密進入のための水平方向および垂直方向のナビゲーションを提供する能力を持っていませんでした。精密進入のための従来のシステムは計器着陸装置（ILS）であり、これは複数の無線送信機からそれぞれが単一の信号を航空機に送信するものでした。この複雑な無線システムは、滑走路の両端に設置する必要があり、滑走路中心線の延長線上に設置する箇所も含め、滑走路端ごとに設置する必要があるため、精密進入の実施は困難で非常に高額な費用がかかります。ILSシステムは、各地点に設置された180本の異なる送信アンテナで構成されています。

FAAとNASAは、しばらくの間、大幅に改良されたシステムであるマイクロ波着陸システム（MLS）を開発しました。特定の進入経路に対応するMLSシステム全体が、滑走路脇に設置された1つまたは2つのボックスに分離されているため、導入コストが大幅に削減されました。MLSには、航空機と無線チャネルの両方において、交通管理上の懸念を軽減する多くの実用的な利点もありました。しかし残念なことに、MLSの導入には、すべての空港と航空機の機器のアップグレードが必要でした。

MLSの開発中に、様々な品質の消費者向けGPS受信機が登場し始めました。GPSは、航空機の長距離航法システムすべてを、単一の使いやすいシステムに統合し、多くの場合、手で持てるほど小型化するなど、パイロットに非常に多くの利点を提供しました。GPSに基づく航空機航法システムの導入は、新しい機器ではなく、主に新しい技術と標準の開発という問題でした。FAAは、既存の長距離システム（VORとNDB）を廃止し、GPSを導入する計画を開始しました。しかし、これでは進入路の問題が残ります。GPSはILSシステムを置き換えるほど精度が足りません。一般的な精度は約15メートル（49フィート）ですが、最も要求の少ない「CAT I」進入路でさえ、4メートル（13フィート）の垂直精度が必要です。

GPSのこの不正確さは、主に電離層における大きな「うねり」が原因で、衛星からの無線信号がランダムな量だけ遅くなります。GPSは距離を測定するために信号のタイミングに依存しているため、この信号遅延により衛星はより遠くにあるように見えます。うねりはゆっくりと移動し、地上から様々な方法、あるいはGPS信号自体を調べることで特徴づけることができます。この情報をGPS受信機に約1分ごとに送信することで、この誤差源を大幅に低減できます。これが、別々の無線システムを用いて受信機に補正信号を送信するディファレンシャルGPSの概念につながりました。航空機にGPSユニットに接続する受信機を搭載することで、信号は様々なユーザー（車にはFMラジオ、船舶には長波など）向けに様々な周波数で送信できます。必要な出力の送信機は一般的に大都市周辺に集中しているため、このようなDGPSシステムは広域航法にはあまり役に立ちません。さらに、ほとんどの無線信号は見通し内であるか、地面によって歪む可能性があるため、DGPS を精密進入システムとして使用したり、他の理由で低空飛行したりすることは困難でした。

FAAは、衛星などからWAASに直接接続し、同じ補正信号をより広範囲に発信できるシステムを検討しました。GPSユニットは既に衛星受信機を備えているため、全く別のシステムを使用して故障確率を倍増させるよりも、GPSユニットと同じ周波数で補正信号を送信する方がはるかに合理的でした。計画されている衛星打ち上げに「便乗」することで実装コストを削減できるだけでなく、静止軌道から信号を送信することも可能になり、少数の衛星で北米全域をカバーできるようになりました。

2003 年 7 月 10 日、WAAS 信号が一般航空向けに有効化され、米国の 95% とアラスカの一部地域をカバーし、最低 350 フィート (110 メートル) の高度が提供されるようになりました。

2008年1月17日、アラバマ州に拠点を置くHickok & Associates社は、ローカライザー性能（LP）および垂直誘導によるローカライザー性能（LPV）進入を備えたヘリコプターWAASの最初の設計者となり、FAA承認の基準（FAAですらまだ開発していない）を持つ唯一の企業となった。[21] [22] [23]このヘリコプターWAAS基準は、最低250フィートまで下げ、視程要件を下げて、これまで不可能だった任務を可能にしている。2009年4月1日、FAA AFS-400は、Hickok & Associates社の顧客であるカリフォルニアショック/トラウマ航空救助隊（CALSTAR）向けに、最初の3つのヘリコプターWAAS GPS進入手順を承認した。それ以来、同社は米国内だけでなく他の国や大陸でも、さまざまなEMS病院や航空提供者向けに承認された多くのWAASヘリコプター進入を設計してきた。

2009年12月30日、シアトルを拠点とするホライゾン・エアは、2014便目となるポートランド発シアトル行きの定期旅客便において、WAASとLPVを組み合わせた初の飛行を実施しました[24]。この便は、ユニバーサル・アビオニクス社製のWAAS FMSを搭載したボンバルディアQ400型機で運航されました。ホライゾン・エアはFAAと提携し、7機のQ400型機にWAASを搭載し、飛行データを共有することで、定期航空便におけるWAASの適合性をより的確に判断する予定です。[要更新]

タイムライン

広域航法補強システム（WAAS）タイムライン

[25]

精度の比較

各種無線航法システムの精度の比較
システム 95%の精度
（横方向/縦方向） 		詳細
LORAN-C仕様 460 メートル/ 460メートル LORAN-C システムの規定絶対精度。
距離測定装置（DME）の仕様 185メートル（直線距離） DMEは、航空機から地上設備までの直線距離を計算できる無線航法支援装置です
GPS仕様 100m / 150m 選択的可用性（SA）オプションをオンにしたGPSシステムの指定精度。SAは2000年5月1日まで米国政府によって採用されていました
LORAN-C測定の再現性 50メートル/50メートル 米国沿岸警備隊は、時間差モードでの「位置復帰」精度が50メートルであると報告しています
eLORANの再現性[要出典] 利用可能なすべての信号を同時に使用し、H フィールド アンテナを使用する最新の LORAN-C 受信機。
ディファレンシャルGPS（DGPS） 10m / 10m これはディファレンシャルGPS（DGPS）の最悪ケースの精度です。米国運輸省と国防総省（DoD）が共同で発行した2001年の連邦無線航法システム（FRS）報告書によると、精度は施設からの距離とともに低下し、1m未満になることもありますが、通常は10m未満になります
広域補強システム（WAAS）仕様 7.6メートル / 7.6メートル 精密進入で使用するためにWAASが提供しなければならない最悪の精度
GPS測定 2.5メートル / 4.7メートル FAAの国立衛星試験場（NSTB）の調査結果に基づき、SAをオフにした状態でのシステムの実際の測定精度（受信機の誤差を除く）。
WAAS測定値 0.9メートル/1.3メートル NSTBの調査結果に基づく、システムの実際の測定精度（受信機の誤差を除く）。
ローカルエリア拡張システム（LAAS）仕様 LAASプログラムの目標は、カテゴリーIIICのILS機能を提供することです。これにより、航空機は「自動着陸」システムを利用して視界ゼロの状態で着陸することができ、1m未満の非常に高い精度を示すことになります。[26]

利点

カリフォルニア州ナパのWAAS地上アップリンク局（GUS）

WAASは、航空機に受信機を1台搭載するだけで、極めて使いやすく高精度な測位を実現し、「航法上の問題」のすべてに対処します。地上および宇宙ベースのインフラは比較的限られており、空港内にシステムを設置する必要はありません。WAASは、手順の開発と新しい進入プレートの発行費用のみで、あらゆる空港で精密進入が可能になります。つまり、ほぼすべての空港で精密進入が可能になり、導入コストが大幅に削減されます。

さらに、WAASは空港間でも同様に機能します。これにより、航空機は地上信号に基づくルートをたどるのではなく、ある空港から別の空港まで直接飛行することができます。これにより、場合によってはルート距離が大幅に短縮され、時間と燃料の両方を節約できます。さらに、WAASは各GPS衛星の情報精度に関する情報を提供できるため、WAASを搭載した航空機は、標高の異なる地形によって妨げられることが多かった地上ベースのシステムよりも低い経路高度での飛行が許可されます。これにより、パイロットは地上システムに頼ることなく、より低い高度で安全に飛行できます。与圧されていない航空機では、酸素を節約し、安全性を高めます。

上記の利点は利便性をもたらすだけでなく、大幅なコスト削減にもつながります。全5,400の公共空港にサービスを提供するWAAS信号の提供コストは、年間5,000万米ドル弱です。これに対し、計器着陸装置（ILS）などの地上システムは、わずか600空港に設置されているものの、年間8,200万米ドルの維持費がかかります。[要出典]地上航法用ハードウェアを購入しない場合、滑走路のWAAS進入経路を公開するための総コストは約5万米ドルです。一方、ILS無線システムの設置コストは100万米ドルから150万米ドルです。[27]

欠点と制限

WAAS には多くの利点がありますが、欠点や重大な制限がないわけではありません。

  • 宇宙天気。すべての人工衛星システムは、宇宙天気と宇宙デブリの脅威にさらされています。例えば、極めて大規模かつ高速な地球に向かうコロナ質量放出（CME）を含む太陽嵐のような大規模な事象は、WAASの静止衛星やGPS衛星の要素を停止させる可能性があります。
  • 放送衛星は静止軌道であるため、緯度71.4度以北では地平線から10度未満しか高度が上がりません。そのため、アラスカやカナダ北部の地域では航空機がWAAS信号の捕捉を維持するのが困難になる可能性があります。[28]
  • 電離層グリッドポイントの遅延を計算するには、そのポイントを衛星と基準局の間に配置する必要があります。衛星と地上局の数が少ないため、計算できるポイントの数は限られています。
  • WAASアプローチを実施する航空機は、認証済みのGPS受信機を使用しますが、これは認証されていない機器よりもはるかに高価です。2024年時点で、ガーミンの認証済み受信機の中で最も安価なGPS 175の希望小売価格は5,895米ドルでした。
  • WAASは、カテゴリーIIまたはIIIのILS進入に必要な精度を達成できません。したがって、WAASは唯一の解決策ではなく、既存のILS機器を維持するか、ローカルエリア航法補強システム（LAAS）などの新しいシステムに置き換える必要があります。[29]
  • WAASローカライザーの性能と垂直誘導（LPV）アプローチによる200フィートの最低高度（LPV-200）は、中輝度灯、精密滑走路標示、平行誘導路のない空港では公表されません。現在これらの設備を備えていない小規模空港は、施設を改修するか、パイロットにより高い最低高度の使用を義務付ける必要があります。[27]
  • 精度が向上し、誤差がゼロに近づくにつれて、 2 つの航行ポイント間の最短距離線上で 2 つの船舶が同じ空間を占有する可能性が高くなり、衝突のリスクが増加すると航行パラドックスは述べています。

WAASの将来

航空運用の改善

2007年には、WAAS垂直誘導はほぼ常時（99%以上）利用可能になると予測され、その範囲は米国本土全域、アラスカの大部分、メキシコ北部、およびカナダ南部を網羅していました。[30]当時、WAASの精度は、カテゴリー1 ILS進入の要件、すなわちタッチダウンゾーン高度200フィート（60メートル）までの3次元位置情報を満たすか、それを上回るものでした。[2]

ソフトウェアの改善

2008年9月までに実施されるソフトウェアの改良により、米国本土およびアラスカ全域における垂直誘導信号の可用性が大幅に向上します。アラスカにおける95%利用可能なLPVソリューションのカバーエリアは、62%から86%に向上します。また、米国本土では、LPV-200の100%利用可能範囲が48%から84%に向上し、LPVソリューションのカバー率は100%となります。[6]

宇宙セグメントのアップグレード

Galaxy XV（PRN #135）とAnik F1R（PRN #138）はどちらもL1およびL5 GPSペイロードを搭載しています。つまり、新しい信号と受信機が利用可能になった場合、L5近代化GPS信号で使用できる可能性があります。L5を使用すると、航空電子機器は信号を組み合わせて可能な限り最も正確なサービスを提供できるようになり、サービスの可用性が向上します。これらの航空電子機器システムは、WAASによってブロードキャストされる電離層補正、または機内で自己生成される2周波数補正のいずれか、より正確な方を使用します。[31]

一般航空および回転翼航空機航空における応用

WAASは、一般航空において、主要な航法手段として、また計器着陸装置（ILS）を備えていない空港における垂直誘導（LPV）進入によるローカリゼーション性能の飛行に広く採用されています。WAASによって得られる精度と整合性の向上により、多くの小規模飛行場において、決定高度200フィート（約60メートル）という低い高度での進入手順が可能になります。さらに、WAASを利用した進入手順は、回転翼航空機の運航において、ヘリポートや病院の着陸パッドへの垂直誘導進入を提供するためにますます利用されており、悪天候や複雑な地形におけるアクセスを改善しています。[32]

参照

参考文献

  • 米国運輸省および連邦航空局、広域航行補助システム（WAAS）の仕様
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