広域増強システム

広域増強システム (WAAS)

原産国	アメリカ合衆国
オペレーター	連邦航空局
状態	運用
カバレッジ	アメリカ、カナダ、メキシコ
正確さ	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; 21年前 （2003年）
軌道特性
体制	GEO（通信衛星を使用）

広域航行補助システム（WAAS ）は、全地球測位システム（GPS）の精度、整合性、可用性を向上させる目的で連邦航空局が開発した航空航行補助システムです。基本的に、WAASは、カバーエリア内のどの空港への精密アプローチも含め、飛行のすべての段階で航空機がGPSに依存できるようにすることを目的としています。 [ 2 ]重要な地域で^{は、ICAOの推奨用語である}地上航行補助システム（GBAS）としても知られるローカルエリア航行補助システム（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使用して、西半球の GPS 衛星信号の小さな変動を測定します。基準局からの測定値はマスター局にルーティングされ、マスター局は受信した偏差補正 (DC) をキューに入れて、適切なタイミングで (5 秒ごとまたはより正確に) 補正メッセージを静止 WAAS 衛星に送信します。これらの衛星は補正メッセージを地球にブロードキャストし、WAAS 対応の GPS 受信機は、位置を計算する際に補正を使用して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ベースの補強システム(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 補助地理補強航法(GAGAN)、欧州静止衛星航法オーバーレイサービス(EGNOS)、日本の多機能衛星補強システム(MSAS)、ロシアの差分補正および監視システム(SDCM) など、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。

WAASの主な目的は、空港に機器を一切設置せずに航空機がカテゴリーIのアプローチを行えるようにすることであった。これにより、地上機器のない空港でも、新しいGPSベースの計器着陸アプローチを開発できるようになる。カテゴリーIのアプローチでは、横方向に16メートル（52フィート）、垂直方向に4.0メートル（13.1フィート）の精度が必要である。^[3]

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（水平方向と垂直方向の両方の測定）を提供することが求められています。^{[4]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）以上の精度が示されています。^[1]

ナビゲーション システムの整合性には、信号が潜在的に危険を生じさせる可能性のある誤解を招くデータを提供している場合に、タイムリーに警告を発する機能が含まれます。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必要があります。^[4] WAAS が計器飛行方式(IFR) (つまり雲の中を飛行する) に対して安全であることを証明するには、精度の要件を超えるエラーが検出されない可能性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 ⁻⁷とされており、これは 1 年に 3 秒以下の不良データに相当します。これにより、受信機自律整合性監視(RAIM) と同等以上の整合性情報が提供されます。^[5]

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 の登場以前は、GPS 仕様では、年間合計 4 日間のシステム非稼働時間 (99% の可用性) が許容されていました。^[要出典] WAAS 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。^{[4] [5]}

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。これらの精密に測量された地上局は、GPS 信号に関する情報を監視および収集し、地上通信ネットワークを使用して 3 つの広域マスター局 (WMS) にデータを送信します。基準局は、WAAS 静止衛星からの信号も監視し、それらに関する整合性情報も提供します。2007 年 10 月現在、WRS は 38 か所あり、米国本土(CONUS) に 20 か所、アラスカに 7 か所、ハワイに 1 か所、プエルトリコに 1 か所、メキシコに 5 か所、カナダに 4 か所あります。^{[6] [7]}

WMS は、WRS サイトから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^[2]全体の多数のポイント (グリッド パターンで編成) 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を理解するには、以下のユーザー セグメントを参照してください)。

これらの修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]

インディアナポリスを除く全50州のFAA航空路管制センターにはそれぞれWAAS基準局が設置されている。カナダ、メキシコ、プエルトリコにも基準局が設置されている。^{[2]個々の受信アンテナの座標については}WAAS基準局一覧を参照のこと。^[9]

宇宙セグメントは、WAASマスターステーション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放送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放送し、位置の決定に使用できる衛星の数を効果的に増やしています。宇宙セグメントは現在、ユーテルサット117ウェストB、SES-15、ギャラクシー30の3つの商用衛星で構成されています。^{[10] [11] [12]}

元々の2つのWAAS衛星は太平洋地域（POR）と大西洋地​​域-西部（AOR-W）と名付けられ、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送信を停止しました。インマルサットのリースの終了が近づくと、2005年後半に2つの新しい衛星（Galaxy 15とAnik F1R）が打ち上げられました。Galaxy 15はPanAmSatで、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リースサービスであり、WAAS静止衛星リースサービス用のロッキードマーティンと契約しており、2016年まで最大3つの衛星を提供する契約を結んでいました。^[13]

その後、3番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4F3衛星のリースのトランスポンダーでWAASテスト信号を放送しました。^[14]テスト信号はナビゲーションには使用できませんでしたが、受信することはでき、識別番号PRN 133（NMEA #46）で報告されました。2010年11月、信号は動作可能と認定され、ナビゲーションに使用できるようになりました。^[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、数か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、Galaxy 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つのアクティブなWAAS衛星で約3週間後、Anik 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]

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される衛星番号です (NMEA = PRN - 87)。

ユーザー セグメントは GPS および WAAS 受信機であり、各 GPS 衛星からブロードキャストされる情報を使用して位置と現在時刻を決定し、スペース セグメントから WAAS 補正を受信します。受信した 2 種類の補正メッセージ (高速と低速) は、異なる方法で使用されます。

GPS 受信機は、修正された衛星位置とクロック データを含む高速タイプの修正データをすぐに適用し、通常の GPS 計算を使用して現在の位置を特定できます。おおよその位置が判明すると、受信機は低速修正を使用して精度を向上させ始めます。低速修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ときに電離層を通過します。受信機は信号が電離層を貫通した位置を計算し、その位置の電離層遅延値を受信して​​いる場合は、電離層によって生じた誤差を修正します。

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]

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）が共同で開発し、適切に認証された機器を持つすべての航空機に対してカテゴリー1の計器着陸装置（ILS）と同等の性能を提供することを目的としています。^[2] WAASがなければ、電離層擾乱、クロックドリフト、衛星軌道誤差によってGPS信号の誤差と不確実性が大きくなりすぎて、精密進入の要件を満たすことができません（GPSの誤差の原因を参照）。精密進入には高度情報が含まれており、進入経路に沿ったすべてのポイントで、通常、非精密進入よりも低い高度と気象最低気温まで、コースガイダンス、滑走路からの距離、標高情報が提供されます。

WAAS が導入される前、米国国家航空システム (NAS) には、あらゆる場所のすべてのユーザーに対して精密進入のための横方向および垂直方向のナビゲーションを提供する機能がありませんでした。精密進入の従来のシステムは計器着陸装置(ILS) で、一連の無線送信機を使用して、それぞれが航空機に単一の信号をブロードキャストします。この複雑な一連の無線は、滑走路の端ごとに、一部はオフサイトで、滑走路の中心線から延長した線に沿って設置する必要があり、精密進入の実装は困難で非常に高価になります。ILS システムは、構築された各ポイントの 180 個の異なる送信アンテナで構成されています。

FAA とNASA は、以前からマイクロ波着陸システム(MLS)という大幅に改良されたシステムを開発してきました。特定のアプローチ用の MLS システム全体が、滑走路の横にある 1 つまたは 2 つのボックスに隔離されており、実装コストが大幅に削減されています。MLS には、航空機と無線チャネルの両方の交通に関する考慮事項を緩和する実用的な利点も数多くあります。残念ながら、MLS ではすべての空港と航空機の機器のアップグレードも必要になります。

MLS の開発中に、さまざまな品質の消費者向け GPS 受信機が登場し始めました。GPS は、航空機のすべての長距離ナビゲーション システムを 1 つ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であるため、パイロットに非常に多くの利点を提供しました。GPS に基づく航空機ナビゲーション システムの導入は、主に新しい機器ではなく、新しい技術と標準の開発の問題でした。FAA は、既存の長距離システム ( VORおよびNDB ) を廃止し、GPS を導入する計画を開始しました。ただし、これではアプローチの問題が残ります。GPS は ILS システムに代わるほど正確ではありません。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」アプローチでさえ、垂直精度が 4 メートル (13 フィート) 必要です。

GPS のこの不正確さは、主に電離層にある大きな「うねり」が原因で、このうねりによって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 は信号のタイミングによって距離を測定するため、信号が遅くなると衛星が遠くにあるように見えます。うねりはゆっくりと移動し、地上からさまざまな方法を使用するか、GPS 信号自体を調べることで特徴付けることができます。この情報を 1 分ごとに GPS 受信機にブロードキャストすることで、このエラーの原因を大幅に削減できます。これが、個別の無線システムを使用して受信機に補正信号をブロードキャストする、ディファレンシャル GPSの概念につながりました。航空機に受信機を設置して GPS ユニットに接続し、さまざまな周波数で信号がさまざまなユーザー (車には FM ラジオ、船舶には長波など) にブロードキャストされます。必要な電力のブロードキャスターは、通常、大都市の周辺に集中しているため、このような DGPS システムは広域ナビゲーションにはあまり役立ちません。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、同じ補正信号を、衛星などから WAAS に直接つながる、より広い範囲にブロードキャスト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で構成されているため、まったく別のシステムを使用して故障の可能性を 2 倍にするよりも、GPS ユニットが使用するのと同じ周波数で補正信号を送信する方がはるかに理にかなっています。計画されている衛星の打ち上げに「便乗」することで実装コストが下がるだけでなく、静止軌道から信号をブロードキャストできるため、少数の衛星で北米全体をカバーできます。

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% とアラスカの一部がカバーされ、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、アラバマ州に本拠を置く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）アプローチ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フィートの低高度と視界の要件を低減し、これまで不可能だったミッションを可能にしている。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（CALSTAR）向けの最初の3つのヘリコプターWAAS GPSアプローチ手順を承認した。それ以来、同社は米国内だけでなく他の国や大陸のさまざまなEMS病院や航空プロバイダー向けに、承認された多くのWAASヘリコプターアプローチを設計してきた。

2009年12月30日、シアトルを拠点とするホライゾン航空は、2014便目となるポートランドからシアトルへのフライトで、WAASとLPVを使用した初の定期旅客サービスフライト^[24]を運航しました。このフライトは、ユニバーサル アビオニクスのWAAS FMSを搭載したボンバルディアQ400で運航されました。同航空会社はFAAと提携して、7機のQ400機にWAASを装備し、フライトデータを共有して、定期航空サービスアプリケーションにおけるWAASの適合性をより適切に判断する予定です。^{[更新が必要]}

広域補強システム (WAAS) のタイムライン

^[25]

WAAS は、航空機に受信機を 1 台設置するだけのコストで、非常に使いやすく高精度な測位を提供し、すべての「ナビゲーション問題」に対処します。地上および宇宙ベースのインフラストラクチャは比較的限られており、空港上のシステムは必要ありません。WAAS を使用すると、手順の開発と新しい進入プレートの発行のコストで、どの空港でも精密進入を発行できます。つまり、ほぼすべての空港で精密進入が可能になり、実装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、各 GPS 衛星の情報の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、高度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飛行できます。これにより、パイロットは地上ベースの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の場合、これにより酸素が節約され、安全性が向上します。

上記の利点は利便性をもたらすだけでなく、大幅なコスト削減も生み出す可能性があります。5,400の公共空港すべてにサービスを提供するWAAS信号を提供するコストは、年間5,000万米ドル弱です。比較すると、600の空港にのみ設置されている計器着陸装置（ILS）などの現在の地上ベースのシステムの年間メンテナンスコストは8,200万米ドルです。^[要出典]地上ナビ​​ゲーションハードウェアを購入しない場合、滑走路のWAASアプローチを公開するための総コストは約5万ドルです。これに対し、ILS無線システムを設置するには100万～150万ドルのコストがかかります。^[27]

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、宇宙天気と宇宙ゴミの脅威にさらされています。たとえば、非常に大きくて高速な地球に向かうコロナ質量放出(CME) で構成される太陽の超嵐イベントにより、WAAS の静止衛星または GPS 衛星要素が無効になる可能性があります。
• 放送衛星は静止衛星であるため、緯度71.4度以北では地平線から10度未満の高さにある。つまり、アラスカやカナダ北部の地域では航空機がWAAS信号のロックを維持するのが困難になる可能性がある。^[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が制限されます。
• WAAS アプローチを実施する航空機は、認定された GPS 受信機を使用しますが、これは非認定ユニットよりもはるかに高価です。2024 年、Garmin の最も安価な認定受信機である 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アプローチに必要な精度を実現できません。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、ローカルエリア拡張システム（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ローカライザー性能と垂直誘導（LPV）アプローチによる200フィートの最小高度（LPV-200）は、中強度照明、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では、施設をアップグレードするか、パイロットにより高い最小高度の使用を要求する必要があります。^[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ナビゲーション パラドックスが示します。

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、そのカバー範囲は米国本土全体、アラスカの大部分、メキシコ北部、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アプローチの要件、すなわちタッチダウンゾーンの標高から200フィート（60メートル）上までの3次元位置情報を満たすか上回っていました。^[3]

2008 年 9 月までに実施されるソフトウェアの改善により、CONUS およびアラスカ全域で垂直誘導信号の可用性が大幅に向上します。アラスカで 95% 利用可能な LPV ソリューションがカバーするエリアは、62% から 86% に向上します。また CONUS では、100% 利用可能な LPV-200 のカバー範囲が 48% から 84% に増加し、LPV ソリューションのカバー率は 100% になります。^[7]

Galaxy XV (PRN #135) と Anik F1R (PRN #138) はどちらも L1 と L5 の 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ると、 L5 の最新 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の組み合わせを使用して可能な限り正確なサービスを提供できるため、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、または機内で生成されるデュアル周波数補正のいずれかを使用します。どちらがより正確であるかによって異なります。^[31]

• 衛星航法補強システム（SBAS）
• EGNOS —欧州の運用SBAS
• MSAS —日本の運用SBAS
• CDGPSカナダ ディファレンシャル GPS
• ローカルエリア拡張システム(LAAS)
• 統合精密進入着陸システム（JPALS）
• 距離測定装置（DME）
• 計器飛行方式（IFR）
• 計器着陸装置（ILS）
• 垂直誘導によるローカライザー性能(LPV)
• 長距離無線航法（LORAN）
• マイクロ波着陸システム(MLS)
• 無指向性ビーコン（NDB）
• 戦術航空航法システム（TACAN）
• トランスポンダー着陸システム(TLS)
• VHF全方向範囲（VOR）

• 米国運輸省および連邦航空局、広域航行増強システム (WAAS) の仕様

• FAA WJHTC のリアルタイム インタラクティブ WAAS パフォーマンス ディスプレイ
• FAAのWAASプログラム
• Garmin の WAAS とは何ですか?
• 米国政府の 2005 年連邦無線航行計画 (FRP) ^{[永久リンク切れ‍ ]}
• カナダにおけるWAASの適用範囲