Wide Area Augmentation System - WAAS

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WAAS System Overview


Le WAAS (de l'anglais Wide Area Augmentation System) est un système d'aide à la navigation aérienne développé à la demande de l'administration fédérale de la navigation aérienne américaine (Federal Aviation Administration - FAA) pour augmenter les performances du Global Positioning System (GPS). Il s'agit d'améliorer à la fois sa précision, son intégrité et la disponibilité des mesures. Le but est de permettre aux avions de se servir du GPS pour toutes les phases de vol, y compris les phases d'approche aux instruments, vers tout aéroport dans la zone de couverture[1].

Le WAAS utilise un réseau de stations de référence au sol, en Amérique du Nord et à Hawaii, pour mesurer les petites variations du signal GPS reçu. Les mesures de ces stations de référence sont acheminées vers des stations principales, qui accumulent les corrections de déviation - Deviation Correction (DC) - et envoient des messages vers les satellites géostationnaires du WAAS suffisamment rapidement (au moins toutes les 5 secondes) pour pouvoir être utilisées. Ces satellites diffusent ensuite ces messages et corrections vers la Terre, où les récepteurs de type « WAAS-enabled » peuvent les utiliser pour améliorer la précision.

L'Organisation de l'Aviation Civile Internationale (OACI - ICAO en anglais) dénomme ce type de système un Système d'Augmentation par satellite - Satellite Based Augmentation System (SBAS). L'Europe et l'Asie développent leur propre SBAS, le «  Indian GPS Aided Geo Augmented Navigation » (GAGAN) en Inde, le «  European Geostationary Navigation Overlay Service » (EGNOS) en Europe, ainsi que le «  Japanese Multi-functional Satellite Augmentation System » (MSAS) au Japon, respectivement. Des systèmes commerciaux comme StarFire et OmniSTAR sont également en cours de développement. Le système européen EGNOS, basé sur un principe similaire, est interopérable avec le WAAS[2].

Précision[modifier | modifier le code]

La spécification du WAAS est de fournir une précision meilleure que 7,6 mètres, aussi bien en latéral qu'en vertical, au moins pendant 95 % du temps[3]. Les performances réelles typiques observées à certains emplacements ont montré qu'il est possible d'atteindre 1 m en latéral et 1,5 m en vertical sur la plus grande partie continentale des États-Unis - le « CONUS » ainsi que sur de larges portions du Canada et de l'Alaska[4]. Avec ces résultats, le WAAS autorise les approches de type « Catégorie I » pour l'aviation civile pour lesquelles des précisions de 16 m en latéral et 4,0 en vertical sont requises[5].

Intégrité[modifier | modifier le code]

L'intégrité d'un système de navigation peut être définie comme sa capacité à avertir ses utilisateurs suffisamment tôt au cas où des informations erronées seraient fournies qui pourraient devenir dangereuses. La spécification du WAAS demande que le système détecte une erreur des GPS ou du réseau interne au WAAS pour en avertir l'usager dans les 6,2 secondes[3]. Certifier que le WAAS est suffisamment sûr pour être utilisé en vol aux instruments - 'instrument flight rules' (IFR)- nécessite de démontrer qu'il reste seulement une probabilité infinitésimale qu'une erreur excédant la spécification puisse ne pas être détectée. On admet qu'elle doit être inférieure à 1×10-7, ce qui est équivalent à une tolérance de moins de trois secondes cumulées de données erronées par an. L'intégrité fournie est équivalente ou meilleure qu'en utilisant des récepteurs en RAIM[6].

Disponibilité[modifier | modifier le code]

La disponibilité du WAAS est la probabilité qu'il tienne ses spécifications de précision et d'intégrité. Avant l'avènement des SBAS comme le WAAS, le GPS pouvait ne pas être disponible jusqu'à 4 jours par an. La spécification du WAAS garantit une disponibilité de 99,999 % sur toute la zone de service, soit l'équivalent de moins de 5 minutes d'indisponibilité par an[3],[6].

Opérations[modifier | modifier le code]

WAAS Reference Station (Barrow, Alaska).


Comme pour le GPS, le WAAS est composé de trois segments principaux : le Segment Sol, le Segment Spatial et le Segment Utilisateur. Le GPS est considéré comme un système indépendant.


Segment Sol[modifier | modifier le code]

Le Segment Sol est composé de plusieurs stations de références - Wide-area Reference Stations (WRS). Ces stations, positionnées très précisément, surveillent et collectent les signaux reçus de la constellation GPS, et envoient leurs données vers trois stations principales - Wide-area Master Stations (WMS) - au travers d'un réseau terrestre de communications. Ces stations surveillent également l'intégrité des signaux ré-émis par les satellites géostationnaires du WAAS. En octobre 2007, il y a 38 stations 38 WRS's, 20 localisées dans le " CONUS ", 7 en Alaska, une à Hawaii, une à Puerto Rico, 5 au Mexique et 4 au Canada[7],[8],[9],[10].

Avec les données des WRS, les WMSs génèrent deux types de corrections : rapides et lentes.

  • Les corrections rapides concernent les erreurs susceptibles de changer rapidement et concernent principalement les signaux GPS eux-mêmes, positions instantanées des satellites ou erreurs des horloges embarquées. Ces corrections sont indépendantes de la position de l'usager, autrement dit, elles peuvent être appliquées par n'importe quel récepteur de la couverture WAAS (voir la section Segment spatial ci-dessous)
  • Les corrections lentes concernent les corrections à plus long terme des éphémérides et estimations de biais des horloges, de même que les informations sur les retards et erreurs liés à la scintillation ionosphérique. Le WAAS fournis des corrections pour les retards ionosphériques pour un certain nombre d'emplacements types organisés en une grille de points. Voir la section Segment Utilisateur pour plus de détails[1]

Une fois ces corrections générées, les WMSs les envoient à deux stations montantes - Ground Uplink Stations (GUS) - qui les envoient vers les satellites du Segment Spatial pour diffusion vers le Segment Utilisateur[11].

Table des stations WRS de référence du WAAS[modifier | modifier le code]

Sur le CONUS - partie continentale des États-Unis, chaque zone de contrôle de trafic aérien de la FAA possède une station WAAS de référence, à l'exception de celle d'Indianapolis. Chaque station comporte trois antennes GPS. La table ci-dessous liste chaque emplacement[12].

Site code aéroport Lat (+N, -S) - Longitude (+E, -W) Altitude (m)
Bethel (Alaska) PABE 60° 47′ 16″ N 161° 50′ 30″ O / 60.787898226, -161.841705626 (Bethel, AK - elevation 52.202 m) 52,202 m
Billings (Montana) KBIL 45° 48′ 13″ N 108° 32′ 23″ O / 45.803726761, -108.539727967 (Billings, MT - elevation 1112.261 m) 1 112,261 m
Barrow (Alaska) PABR 71° 16′ 58″ N 156° 47′ 24″ O / 71.282786134, -156.789914977 (Barrow, AK - elevation 15.581 m) 15,581 m
Cold Bay (Alaska) PACD 55° 12′ 01″ N 162° 43′ 07″ O / 55.200376531, -162.718528459 (Cold Bay, AK - elevation 53.652 m) 53,652 m
Fairbanks (Alaska) PAFA 64° 48′ 35″ N 147° 50′ 51″ O / 64.809686817, -147.847403468 (Fairbanks, AK - elevation 149.888 m) 149,888 m
Honolulu (Hawaii) PHNL 21° 18′ 46″ N 157° 55′ 15″ O / 21.312783159, -157.920876933 (Honolulu, HI - elevation 24.922 m) 24,922 m
Juneau (Alaska) PAJN 58° 21′ 45″ N 134° 35′ 08″ O / 58.362530123, -134.585495176 (Juneau, AK - elevation 16.024 m) 16,024 m
Mérida, Yucatán MMMD 20° 55′ 55″ N 89° 39′ 46″ O / 20.931919004, -89.662872977 (Mérida, YUC - elevation 29.157 m) 29,157 m
Mexico MMMX 19° 25′ 54″ N 99° 04′ 06″ O / 19.431653193, -99.068389463 (Mexico City, DIF - elevation 2236.638 m) 2 236,638 m
Puerto Vallarta (Jalisco) MMPR 20° 40′ 45″ N 105° 14′ 57″ O / 20.679034758, -105.249200735 (Puerto Vallarta, JAL - elevation 11.077 m) 11,077 m
San José del Cabo, Baja California Sur MMSD 23° 09′ 37″ N 109° 43′ 04″ O / 23.160416093, -109.717667886 (San José del Cabo, BCS - elevation 104.286 m) 104,286 m
Tapachula (Chiapas) MMTP 14° 47′ 29″ N 92° 22′ 05″ O / 14.791340027, -92.367991216 (Tapachula, CHP - elevation 54.922 m) 54,922 m
Kotzebue (Alaska) PAOT 66° 53′ 14″ N 162° 36′ 41″ O / 66.887352636, -162.611355542 (Kotzebue, AK - elevation 10.911 m) 10,911 m
Iqaluit (Nunavut) CYFB 63° 43′ 53″ N 68° 32′ 36″ O / 63.731446844, -68.543393603 (Iqaluit, NU - elevation 9.998 m) 9,998 m
Gander (Terre-Neuve-et-Labrador) CYQX 48° 57′ 59″ N 54° 35′ 51″ O / 48.966447828, -54.597532074 (Gander, NL - elevation 146.891 m) 146,891 m
Winnipeg (Manitoba) CYWG 49° 54′ 02″ N 97° 15′ 33″ O / 49.900606898, -97.259280113 (Winnipeg, MB - elevation 222.046 m) 222,046 m
Goose Bay, Newfoundland and Labrador CYYR 53° 18′ 31″ N 60° 25′ 10″ O / 53.308720955, -60.41940133 (Goose Bay, NL - elevation 37.842 m) 37,842 m
Albuquerque (Nouveau-Mexique) KZAB 35° 10′ 25″ N 106° 34′ 02″ O / 35.173560874, -106.567308273 (Albuquerque, NM - elevation 1620.154 m) 1 620,154 m
Anchorage, Alaska PAZA 61° 13′ 45″ N 149° 46′ 49″ O / 61.229174557, -149.780364869 (Anchorage, AK - elevation 80.654 m) 80,654 m
Aurora (Illinois) KZAU 41° 46′ 57″ N 88° 19′ 53″ O / 41.782616622, -88.33130805 (Aurora, IL - elevation 195.922 m) 195,922 m
Nashua (New Hampshire) KZBW 42° 44′ 09″ N 71° 28′ 49″ O / 42.735705193, -71.480378445 (Nashua, NH - elevation 39.141 m) 39,141 m
Leesburg (Virginie) KZDC 39° 06′ 06″ N 77° 32′ 34″ O / 39.101556058, -77.542750106 (Leesburg, VA - elevation 80.085 m) 80,085 m
Longmont (Colorado) KZDV 40° 11′ 14″ N 105° 07′ 38″ O / 40.187286655, -105.127181633 (Longmont, CO - elevation 1541.389 m) 1 541,389 m
Fort Worth (Texas) KZFW 32° 49′ 50″ N 97° 03′ 59″ O / 32.830614792, -97.066488376 (Fort Worth, TX - elevation 155.604 m) 155,604 m
Houston, Texas KZHU 29° 57′ 43″ N 95° 19′ 53″ O / 29.961833882, -95.331462501 (Houston, TX - elevation 10.947 m) 10,947 m
Hilliard (Floride) KZJX 30° 41′ 56″ N 81° 54′ 29″ O / 30.698824796, -81.908178358 (Hilliard, FL - elevation 2.141 m) 2,141 m
Olathe (Kansas) KZKC 38° 52′ 49″ N 94° 47′ 27″ O / 38.880140378, -94.790729104 (Olathe, KS - elevation 305.814 m) 305,814 m
Palmdale (Californie) KZLA 34° 36′ 13″ N 118° 05′ 02″ O / 34.603503189, -118.083872233 (Palmdale, CA - elevation 763.546 m) 763,546 m
Salt Lake City (Utah) KZLC 40° 47′ 10″ N 111° 57′ 08″ O / 40.786007936, -111.952158417 (Salt Lake City, UT - elevation 1287.420 m) 1 287,420 m
Miami (Floride) KZMA 25° 49′ 29″ N 80° 19′ 09″ O / 25.824644475, -80.319246501 (Miami, FL - elevation -7.882 m) -7,882 m
Memphis (Tennessee) KZME 35° 04′ 03″ N 89° 57′ 19″ O / 35.067423639, -89.9553917 (Memphis, TN - elevation 68.788 m) 68,788 m
Farmington (Minnesota) KZMP 44° 38′ 15″ N 93° 09′ 07″ O / 44.637444415, -93.152039309 (Farmington, MN - elevation 262.667 m) 262,667 m
Ronkonkoma (New York) KZNY 40° 47′ 03″ N 73° 05′ 50″ O / 40.784293219, -73.097181151 (Ronkonkoma, NY - elevation 6.108 m) 6,108 m
Fremont (Californie) KZOA 37° 32′ 35″ N 122° 00′ 57″ O / 37.543019928, -122.01592257 (Fremont, CA - elevation -3.459 m) -3,459 m
Oberlin (Ohio) KZOB 41° 17′ 50″ N 82° 12′ 23″ O / 41.297135898, -82.206391657 (Oberlin, OH - elevation 224.115 m) 224,115 m
Auburn (Washington) KZSE 47° 17′ 13″ N 122° 11′ 18″ O / 47.286919203, -122.188372739 (Auburn, WA - elevation 82.128 m) 82,128 m
San Juan (Porto Rico) TJZS 18° 25′ 52″ N 65° 59′ 37″ O / 18.431249167, -65.993480433 (San Juan, PR - elevation -28.547 m) -28,547 m
Hampton (Georgie) KZTL 33° 22′ 47″ N 84° 17′ 48″ O / 33.379671593, -84.296678124 (Hampton, GA - elevation 261.142 m) 261,142 m

Segment Spatial[modifier | modifier le code]

Current WAAS satellite signal footprint

Le Segment Spatial consiste en plusieurs satellites géostationnaires - donc, situés à une orbite bien plus élevée que celle des GPS - qui diffusent les messages de correction en provenance des GUS vers le Segment Utilisateur. Ces satellites diffusent aussi des messages similaires à ceux des GPS, simulant des satellites GPS complémentaires. Le Segment spatial est actuellement constitué de deux satellites commerciaux de télécommunications, Galaxy 15 et Anik F1R.

Voici leur position et le numéro de pseudo-satellite GPS qu'ils utilisent(le "PRN" qui s'affiche sur un récepteur). Plus de détails sont disponibles sur ces satellites, en anglais.

Nom du satellite & détails NMEA / PRN Position
Galaxy 15 NMEA #48 / PRN #135 133°W
Anik F1R NMEA #51 / PRN #138 107.3°W

Historiquement, deux satellites de l'organisation Inmarsat étaient initialement utilisés :

Nom du satellite & détails NMEA / PRN Position Commentaire
Pacific Ocean Region (POR) NMEA #47 / PRN #134 178°E Ne transmet plus le WAAS
Atlantic Ocean Region-West NMEA #35 / PRN #122 142°W Ne transmet plus le WAAS

Segment Utilisateur[modifier | modifier le code]

Le Segment Utilisateur est constitué des récepteurs GPS et WAAS, qui utilisent l'information diffusée par la constellation des satellites GPS pour déterminer sa position et le temps courant. Ils reçoivent aussi les messages du WAAS venant du Segment Spatial. Deux types de corrections, lentes et rapides sont utilisés.

Le récepteur GPS peut appliquer immédiatement les corrections rapides, qui incluent une position satellite corrigée, des données de correction de l'horloge, ce qui permet de déterminer la position du récepteur en utilisant les calculs habituels des récepteurs GPS.

Une fois une position approximative établie, le récepteur commence à utiliser les corrections lentes pour améliorer la précision du positionnement. Les corrections concernent notamment le retard ionosphérique. Dans son trajet du satellite au récepteur, le signal satellite traverse l'ionosphère. Le récepteur calcul le point où le signal entre dans la ionosphère, et, quand il a reçu une donnée concernant ce point, applique la correction correspondante afin de compenser la variation de trajet introduite par les conditions ionosphériques.

Les données de corrections lentes peuvent être mises à jour toutes les minutes si nécessaires. Cependant les corrections d'éphémérides et d'erreurs ionosphériques ne changent pas si rapidement et ne sont mises à jour que toutes les deux minutes, tout en étant valables pour les 6 minutes qui suivent[13]

Historique[modifier | modifier le code]

Quelques points de repères importants du développement du WAAS
Année Date Evènement
2008 De nouvelles stations WRS sont mises en service au Mexique et au Canada, étendant la zone de couverture du service WAAS
2007 Galaxy XV (NMEA#48) débute la transmission des messages de corrections certifiés, restaurant le service WAAS sur le nord-est des États-Unis
2006 Mars 2006 Le WAAS est autorisé à fournir une aide à la navigation aéronautique jusqu'à 200 pieds au-dessus d'un terrain d'aéroport en approche aux instruments en LPV
Février 2006 Le satellite Inmarsat AOR-W (NMEA#35) est déplacé de la position 54° ouest à 142 ° ouest, interrompant le service WAAS sur le nord-est des États-Unis
2005 13 octobre 2005 Lancement du satellite géostationnaire de télécommunication Galaxy XV (NMEA#48) de Panamsat
9 septembre 2005 Lancement du satellite géostationnaire de télécommunication Anick F1R (NMEA#51) de Telesat
Juin 2005 Installation de la première station internationale WRS à Gander, au Labrador (province Terre-Neuve-et-Labrador, Canada)
Mars 2005 La FAA sélectionne Lockheed Martin comme nouveau maître d'œuvre pour le segment de contrôle au sol
2004 Octobre 2004 la FAA autorise le Garmin 480 comme premier équipement d'avionique embarqué compatible WAAS pour des approches en LPV
Septembre 2004 Les campagnes de tests de compatibilité des nouveaux sites pour le WAAS au Canada et en Alsaka sont terminées.
2003 10 juillet 2003 L'administration fédérale de l'aviation civile américaine, la FAA, recette le Wide Area Augmentation System (WAAS)
31 mars 2003 Premier vol commercial réalisé par Capstone utilisant un récepteur TSO-145 GPS/WAAS
2002
2001
2000
1999 Decembre 1999 Premier signal de test WAAS transmis par satellite
1998 Janvier 1998 Rachat de Hughes Aircraft par Raytheon Systems, et transfert du contrat WAAS à Raytheon
1997 Juin 1997 Lancement du satellite géostationnaire de télécommunications maritimes AOR-W (NMEA#35) par Inmarsat
1996 Decembre 1996 Lancement du satellite géostationnaire de télécommunications maritimes POR (NMEA#47) par Inmarsat
Octobre 1996 Le contrat pour réalisation de la phase 1 est confié à Hughes Aircraft le 1er avril 1999
Avril 1996 Le contrat Wilcox est interrompu à la suite de difficultés techniques trop importantes
Février 1996 L'architecture du WAAS, version 1.5 est livrée.
1995 août 1995 Wilcox Electric remporte un contrat pour développer le WAAS

Comparaison de précision entre différent systèmes de positionnement par radionavigation[modifier | modifier le code]

Comparaisons entre précision des différents systèmes de positionnement par radionavigation
Système Précision à 95 %
(Latérale / Verticale)
Détails
LORAN-C / Spécification 460 m / 460 m Précision absolue spécifiée pour le système LORAN-C.
Distance Measuring Equipment (DME) Spécification 185 m (Linear) Le DME est une aide de radionavigation qui peut calculer la distance linéaire entre un aéronef et l'équipement DME au sol.
GPS / Spécification 100 m / 150 m La précision spécifiée du système GPS en usage civil, avec l'option Selective Availability' (SA) éteinte. La SA a été employée par le gouvernement américain jusqu'au .
LORAN-C / Mesures répétables constatées 50 m / 50 m Le rapport des gardes-côtes américains mentionne des précisions en « retour sur position » de 50 mètres en mode différence de temps.
E-LORAN / Mesures répétables Par des récepteurs LORAN-C modernes, qui utilisent tous les signaux disponibles simultanément et des antennes polarisées sur le champ magnétique
Differential global positioning system (DGPS) 10 m / 10 m Ceci est la précision dans le pire cas du GPS différentiel Differential global positioning system (DGPS). D'après le rapport 2001 sur les systèmes de radionavigation fédéraux (FRS) publié conjointement par les ministères américains des Transports (DOT) et de la Défense (DoD), la précision se dégrade en s'éloignant de l'équipement. La précision peut être < 1 m mais elle est normalement < 10 m.
Wide Area Augmentation System (WAAS) / Spécification 7,6 m / 7,6 m Précision pire cas que le WAAS doit tenir en approche de précision.
GPS / Mesuré 2,5 m / 4,7 m Valeur réellement mesurée du système, en excluant les erreurs dues au récepteurs, sans la SA, en se basant sur les résultats de l'agence pour l'aviation civile américaine (FAA) utilisant le banc de test " National Satellite Test Bed - NSTB ".
WAAS / Mesuré 0,9 m / 1,3 m Valeur réellement mesurée du système, en excluant les erreurs dues aux récepteurs, d'après les résultats sur le NSTB.
Local Area Augmentation System (LAAS) / Spécification Le but du programme LAAS program est de fournir une capacité Catégorie III ILS. Ceci permet un atterrissage avec une visibilité nulle sur pilote automatique et indique une très haute précision < 1 m.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a et b Federal Aviation Administration (FAA) FAQ for WAAS
  2. http://www.esa.int/esaNA/GGG63950NDC_egnos_0.html
  3. a, b et c FAA. Specification for the Wide Area Augmentation System(WAAS). FAA-E- 2892b. .
  4. National Satellite Test Bed (NSTB), WAAS PAN Report (juillet 2006). Consulté le 22 novembre 2006.
  5. Federal Aviation Administration (FAA), Press Release FAA Announces Major Milestone for Wide Area Augmentation System (WAAS). .
  6. a et b US House of Representatives Committee on Transportation's Subcommittee on Aviation Hearing on Cost Overruns & Delays in the FAA's Wide Area Augmentation System (WAAS) & Related Radio Spectrum Issues.
  7. Federal Aviation Administration (FAA), National Airspace System Architecture Wide-Area Reference Station Accessed 7 novembre 2006
  8. Federal Aviation Administration (FAA), National Airspace System Architecture, WAAS Master Station. Accessed 29 novembre 2006
  9. News release from FAA announcing WAAS expansion into Mexico and Canada
  10. FAA presentation, WAAS and LAAS status at 47th meeting of the Civil Global Positioning System Service Interface Committee, September 25, 2007
  11. Federal Aviation Administration (FAA), National Airspace System Architecture, Ground Uplink Stations
  12. NSTB/WAAS T&E Team, « Wide-Area Augmentation System Performance Analysis Report #26 » [PDF], FAA/William J. Hughes Technical Center,‎ octobre 2008 (consulté le 17 janvier 2009), p. 93-95
  13. (en) « DGPS on Garmin Receivers » (consulté le 13 avril 2007)


Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Sources[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]