Тестирование навигационной аппаратуры потребителя GPS/ГЛОНАСС

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

И. Н. Корнилов

ТЕСТИРОВАНИЕ 
НАВИГАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ 
ПОТРЕБИТЕЛЯ GPS/ГЛОНАСС

Учебно-методическое пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся 
по направлению подготовки
11.05.01 — Радиотехника

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2017

УДК 621.396
ББК 32.811я73
          К67

Рецензенты:
инженер-конструктор, канд. тенх. наук Р. А. Окулов;
канд. техн. наук, доцент И. Г. Самсонов, зам. гл. инженера 
АО УПП «Вектор»

Научный редактор — проф., канд. техн. наук Д. В. Астрецов

 
Корнилов, И. Н.
К67    Тестирование навигационной аппаратуры потребителя 
GPS/ГЛОНАСС : учеб.-метод. пособие / И. Н. Корнилов. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2016. — 48 с.
 
ISBN 978-5-7996-2044-8

Пособие содержит теоретические сведения о спутниковых навигационных системах и сигналах. В разделе 3 приведены общие требования, указания к подготовке и выполнению лабораторных работ, контрольные вопросы.

Библиогр.: 10 назв. Рис. 12.

УДК 621.396
ББК 32.811я73

ISBN 978-5-7996-2044-8 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2017

Оглавление

Введение ....................................................................................5

Раздел 1. Теоретические сведения о спутниковых 
навигационных системах ............................................................7
1.1. Области применения спутниковой радионавигации ........7
1.2. Структура системы GPS .....................................................8
1.3. Метод определения координат ........................................10
1.4. Погрешность определения координат ............................13
1.5. Дифференциальный режим навигации ...........................15

Раздел 2. Имитация навигационных сигналов .........................18
2.1. Описание имитатора Spirent GSS6700 .............................18
2.2. Методика имитации навигационных сигналов ..............20
2.3. Методика оценки точности определения 
        координат и скорости НАП .............................................24
2.4. Помехоустойчивость НАП ...............................................27

2.4.1. Тестирование помехоустойчивости НАП 
            на соответствие стандартам ...................................27
2.4.2. Методика количественной оценки 
            помехоустойчивости НАП .....................................29
2.4.3. Пример исследования помехоустойчивости 
           НАП GPS/ГЛОНАСС ............................................31

Раздел 3. Лабораторный практикум .........................................33
Общие требования при прохождении 
лабораторного практикума .....................................................33
Лабораторная работа № 1. Знакомство с лабораторным 
оборудованием и программными средствами .......................35

Оглавление

Лабораторная работа № 2. Изучение характеристик 
системы GPS ...........................................................................36
Лабораторная работа № 3. Исследование точности 
навигации в дифференциальном режиме ..............................38
Лабораторная работа № 4. Влияние помех на НАП ..............40
Лабораторная работа № 5. Разработка траектории 
движения для транспортного средства ..................................42
Лабораторная работа № 6. Влияние затенения 
и многолучевого распространения радиоволн ......................44

Библиографический список ...................................................46

Введение

С
путниковые навигационные технологии широко применяются во всем мире. Уже созданы системы GPS (США), 
ГЛОНАСС (Россия); также производится развертывание новых систем Galileo (Европа), Beidou (Китай) и др. Существующие системы постоянно модернизируются: вводятся новые 
спутники, совершенствуются спутниковые сигналы, улучшаются характеристики навигационной аппаратуры потребителя.
Навигационные приемники используются на борту самолетов, на автомобильном, железнодорожном и морском транспорте, в геодезии, строительстве, сельском хозяйстве, горном 
деле. При таком массовом выпуске навигационных приемников необходимо проводить тестирование их работоспособности и характеристик при различных условиях.
При проведении испытаний, тестировании, определении 
технических характеристик навигационной аппаратуры потребителя (НАП) ГЛОНАСС/GPS возникает целый ряд проблем. 
Во-первых, сложно обеспечить полную повторяемость экспериментов. Во-вторых, уровни мощности сигналов от навигационных спутников на входе НАП точно не известны. В-третьих, 
организация экспериментов с НАП, которой предстоит эксплуатация на море, в полете или даже в космосе, затруднительна 
и имеет высокую стоимость.
Решением обозначенных проблем является использование 
имитаторов навигационных сигналов для тестирования НАП 
в лабораторных условиях. Существует большое количество 
имитаторов зарубежного и российского производства [1–5]. 
Но создавать сложные траектории движения транспортных 

Введение

средств с НАП на борту практически без ограничений по скорости, ускорению и высоте могут только имитаторы компании 
Spirent [6]. Поэтому в исследовательских лабораториях и на производстве широко применяется тестирование навигационных 
решений с использованием имитаторов навигационных сигналов. Такие имитаторы обеспечивают управление выдаваемыми сигналами и их повторяемость. Они позволяют полностью 
автоматизировать процесс тестирования путем многократного 
исполнения заданных пользователем сценариев.

Раздел 1.  
Теоретические сведения  
о спутниковых навигационных системах

1.1. Области применения спутниковой радионавигации

С
путниковые радионавигационные системы GPS и ГЛОНАСС предоставляют услуги высокоточного персонального позиционирования, открытые для массового использования на безвозмездной основе. Это обеспечивает их внедрение 
во многие области человеческой деятельности.
Наиболее массовым является использование спутниковой 
навигации на борту автомобиля для помощи водителю в управлении его движением по незнакомому маршруту, ориентации 
в незнакомой местности, поиска интересующих объектов, оперативного планирования движения, получения экстренной помощи в аварийных или иных чрезвычайных ситуациях.
Навигатор (GPS-приемник) необходим путешественникам 
и туристам, спортсменам, рыбакам и охотникам, любителям 
продолжительных лесных прогулок.
Навигаторы имеют и множество профессиональных применений. Они используются в авиации и в космосе, на морском, 
речном и железнодорожном транспорте, в грузовых и пассажирских автомобильных перевозках. Особо точная аппаратура навигации применяется для топографического картографирования местности, проведения работ по землеустройству, 
в строительных делах.

Следует отметить, что спутниковые радионавигационные 
системы по первоначальному замыслу были созданы для военных целей и поэтому охватывают также обширную область 
военных применений.
Системы GPS и ГЛОНАСС реализуют технологию спутниковой навигации в основном на одинаковых принципах. Рассмотрим эти принципы применительно к системе GPS [2].

1.2. Структура системы GPS

Спутниковая радионавигационная система GPS (Global 
Positioning System) создана в США и полностью введена в эксплуатацию в 1995 году. Она включает в себя три сегмента: космический с орбитальной группировкой навигационных космических аппаратов (НКА), наземный комплекс управления 
(НКУ), содержащий станции слежения и контроля за состоянием НКА, и пользовательский, содержащий аппаратуру потребителей системы.
Полная орбитальная группировка космического сегмента GPS 
образована из 24 основных и трех резервных НКА, которые размещены на шести круговых орбитах высотой приблизительно 
20000 км, наклоненных к плоскости экватора на 55° и равномерно разнесенных по долготе через 60°. Каждый НКА предназначен для формирования и излучения навигационного сигнала. 
Навигационные сигналы разных НКА излучаются на одной частоте — 1575,42 МГц — и различаются структурой дальномерного кода, входящего в состав сигнала. Навигационные радиосигналы излучаются в сторону Земли с помощью передающих 
антенн с шириной диаграммы направленности 38°. Такой ширины достаточно для освещения всего диска Земли и околоземного пространства до высоты в 2000 км.

1.2. Структура системы GPS Введение

Количество НКА в орбитальной группировке и распределение их по орбитам выбрано таким образом, чтобы в зоне видимости над каждой точкой земной поверхности постоянно находилось не менее пяти НКА. Исключение составляют полярные 
и приполярные области, где это условие может не выполняться в некоторые промежутки времени.
Наземный комплекс управления состоит из нескольких наземных станций, осуществляющих слежение за космическими аппаратами орбитальной группировки.
Основной задачей НКУ является эфемеридное и частотновременное обеспечение НКА.
Эфемеридное обеспечение означает прогноз параметров движения НКА на опорные моменты времени и загрузку этой информации на борт НКА для последующей передачи ее потребителю в составе навигационного сигнала. Знание параметров 
движения НКА позволяет потребителю прогнозировать координаты навигационных спутников на любой текущий момент 
времени и по этим координатам определять координаты собственного местоположения, выполнив определенные навигационные измерения.
Для формирования эфемеридной информации используются 
уравнения движения космических аппаратов по заданным орбитам, учитывающие различные возмущающие факторы. Два раза 
в сутки наземными станциями слежения осуществляется измерение истинных параметров движения НКА. Результаты этих 
измерений используются для уточнения уравнений движения. 
Сформированная таким образом эфемеридная информация далее 
передается через станции слежения на борт НКА, где закладывается в навигационный сигнал, поступающий от НКА потребителю.
Частотно-временное обеспечение означает прогноз ухода бортовой шкалы времени НКА относительно шкалы времени системы и загрузку на борт НКА частотно-временных поправок 
к бортовой шкале для последующей передачи этих поправок потребителю в составе навигационного сигнала. Знание этих по

правок обеспечивает синхронизацию бортовых шкал времени 
(БШВ) всех НКА между собой и со шкалой времени системы. 
Без такой синхронизации невозможно точное определение потребителем своих координат.
Для минимизации ухода БШВ на борту каждого НКА применен атомный стандарт частоты, имеющий относительное отклонение среднесуточных значений частоты (2…4) · 10–13. Этот 
стандарт частоты используется для формирования БШВ. Для 
синхронизации всех НКА наземные станции следят за изменениями бортовых шкал времени всех навигационных спутников, 
определяют расхождения БШВ относительно системной шкалы 
для каждого навигационного спутника и передают на борт каждого НКА частотно-временные поправки, относящиеся к его 
БШВ. Эти поправки затем закладываются в навигационный 
сигнал, излучаемый НКА, и с этим сигналом поступают потребителю. Таким образом, потребитель имеет информацию о поправках к БШВ всех НКА, находящихся в зоне видимости, что 
и обеспечивает их синхронизацию.
Решение задач эфемеридного и частотно-временного обеспечения гарантирует необходимый уровень точности навигационных определений потребителем.
Прибор пользователя системой GPS (навигатор) имеет возможность принимать сигналы одновременно от нескольких 
НКА. По принятым сигналам он определяет координаты пользователя, параметры его движения и выдает точное время, соответствующее всемирному координированному времени (UTC).

1.3. Метод определения координат

Навигатор использует псевдодальномерный метод определения координат по сигналам опорных станций. Псевдодальномерный метод является модификацией дальномерного принципа определения местоположения, когда измеряются расстояния 

1.3. Метод определения координат

от местонахождения пользователя до опорных точек, координаты которых являются известными. При этом для определения трех координат пользователя (x, y, z) достаточно знать расстояния до трех опорных точек.
Искомые координаты пользователя получают из решения 
уравнения
 
R
x
x
y
y
z
z
i
i
i
i
=
+
+
(
)
(
)
(
)
2
2
2 , 
(1)

где xi, yi, zi — известные координаты опорных точек (ОТ); Ri — 
измеренные расстояния до этих ОТ от местоположения пользователя, а i = 1, 2, 3 (соответственно, решается система из трех 
уравнений для получения координат).
Уравнение (1) описывает в прямоугольной системе координат (X, Y, Z) сферическую поверхность с центром сферы в опорной точке (xi, yi, zi) и с радиусом равным Ri. Эта поверхность, 
образующая геометрическое место точек с одинаковым расстоянием до заданной ОТ, называется поверхностью положения. Три поверхности положения, соответствующие разным 
ОТ, пересекаются в двух точках, одна из которых является искомым местоположением пользователя. Исключение неоднозначности достигается использованием априорной информации или введением в процедуру навигационных определений 
дополнительной ОТ.
В спутниковой навигации функции опорных точек выполняют НКА, излучающие навигационные сигналы. Измерение 
расстояния до НКА проводится путем измерения времени задержки дальномерного кода, входящего в состав излучаемого 
спутниками навигационного сигнала. Для точного измерения 
времени задержки необходимо знать точное время излучения 
«начала» дальномерного кода и момент времени его приема 
в навигаторе. На приемной стороне начало излучения точно 
неизвестно, т. к. шкалы времени навигатора и НКА независимо от нас имеют сдвиг на неизвестную величину Dt. Эта величина приводит к ошибке измерения расстояния: