Наземные радионавигационные системы. Исследование приёмоиндикатора морской радионавигационной системы средневолнового диапазона

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Сибирский федеральный университет

А. П. Романов, В. Ф. Гарифуллин, Ф. В. Зандер

НАЗЕМНЫЕ  
РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ  
СИСТЕМЫ 

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЁМОИНДИКАТОРА  
МОРСКОЙ РАДИОНАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ  
СРЕДНЕВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА

Учебно-методическое пособие

Красноярск 
СФУ 
2022

УДК 621.396.9(07)
ББК 32.95я73
Р693

Р е ц е н з е н т ы: 
Е. В. Богатырёв, кандидат технических наук, заместитель генерального 
директора – технический директор АО «Научно-производственное 
предприятие "Радиосвязь"»; 
И. В. Говорун, кандидат технических наук, старший научный сотрудник 
лаборатории электродинамики и СВЧ-электроники Института физики 
имени Л. В. Киренского СО РАН

Романов, А. П.
Р693 
Наземные радионавигационные системы. Исследование приёмо-
индикатора морской радионавигационной системы средневолнового 
диапазона : учеб.-метод. пособие / А. П. Романов, В. Ф. Гарифуллин, 
Ф. В. Зандер. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2022. – 120 c.
ISBN 978-5-7638-4555-6

Изложены вопросы радионавигационных измерений, а также приведены методические 
указания к лабораторному практикуму и самостоятельной работе.
Предназначено студентам специальностей 11.05.01 «Радиоэлектронные системы 
и комплексы», 25.05.03. «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования». 
Может быть полезным при подготовке специалистов направлений 
11.05.01.04 «Радионавигационные системы и комплексы», 25.05.03.02 «Инфоком-
муникационные системы на транспорте и их информационная защита», 11.04.01.02 
«Системы приема, передачи и обработки сигналов». 

Электронный вариант издания см.: 
УДК 621.396.9(07)
http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 32.95я73

ISBN 978-5-7638-4555-6 
© Сибирский федеральный 
университет, 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список основных сокращений ................................................................5
Введение .......................................................................................................6
1. Методические указания по обеспечению изучения  
дисциплины  ................................................................................................9
1.1. Цели и задачи изучения дисциплины ..................................................9
1.2. Межпредметная связь ........................................................................ 10
1.3. Методические указания к проведению занятий .............................. 12
1.3.1. Занятие 1–2. Основы теории измерения параметров  
сигналов РНС (4 часа) ............................................................ 12
1.3.2. Занятие 3–4. Разрешение сигналов. Сложные  
(шумоподобные) сигналы (4 часа) ........................................ 18
1.3.3. Занятие 5–7. Алгоритмы и устройства оптимального  
измерения параметров навигационных  
сигналов (4 часа). .................................................................... 23
1.3.4. Занятие 8–9. Следящие измерители параметров  
навигационных сигналов (4 часа) ......................................... 28
1.4. Обучение теории ................................................................................ 36
1.5. Самоаттестация и контроль .............................................................. 38
1.5.1. Вопросы по теме «Основы теории измерения  
параметров сигналов РНС» .................................................... 39
1.5.2. Вопросы по теме «Разрешение сигналов.  
Сложные (шумоподобные) сигналы» ................................... 40
1.5.3. Вопросы по теме «Алгоритмы и устройства  
оптимального измерения параметров  
навигационных сигналов» ..................................................... 41
1.5.4. Вопросы по теме «Следящие измерители параметров   
навигационных сигналов» ..................................................... 42

2. Методические указания по лабораторному практикуму ............ 44
2.1. Обзор радионавигационных систем наземного базирования ........ 44
2.2. Краткие сведения о радионавигационных системах  
средневолнового диапазона «Спрут» ............................................... 47
2.3. Лабораторный стенд как тренажёр радионавигационных  
систем «Спрут» .................................................................................. 48
2.4. Имитатор: окна основных меню ....................................................... 52
2.5. Порядок работы имитатора ............................................................... 73
2.6. Корабельная станция: окна основных меню ................................... 80

Оглавление

2.7. Порядок работы корабельной станции ............................................ 96
2.8. Ввод исходных данных в меню тренажёра РНС «Спрут» ........... 104
2.9. Протоколирование результатов работы ......................................... 108

3. Лабораторная работа 1 «Исследование дальномерного  
режима работы РНС "Спрут"» .......................................................... 110
3.1. Лабораторное задание ..................................................................... 110
3.2. Содержание отчета........................................................................... 112
3.3. Контрольные задания ...................................................................... 113

4. Лабораторная работа 2 «Исследование разностно-дальномерного 
режима работы РНС "Спрут"» .......................................................... 115
4.1. Лабораторное задание ..................................................................... 115
4.2. Содержание отчета........................................................................... 116
4.3. Контрольные задания ...................................................................... 118

Библиографический список ................................................................ 119

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АКФ 
–  автокорреляционная функция
АПЧ 
–  автоматическая подстройка частоты
БС 
–  бортовая станция
ВД 
–  временной дискриминатор
В 
–  временное разделение
ГНСС 
–  глобальная навигационная спутниковая система
ДХ 
–  дискриминационная характеристика
ИСЗ 
–  искусственный спутник Земли
МП 
–  максимальное правдоподобие
МЧМ 
–  минимальная частотная манипуляция
НАП 
–  навигационная аппаратура потребителя
НС 
–  навигационный спутник
ОГ 
–  опорный генератор
ОС 
–  опорная станция
ПСП 
–  пвсевдослучайная последовательность
РНП 
–  радионавигационный параметр
СКО 
–  среднеквадратическое отклонение
СКС 
–  система кодовой синхронизации
СРНС 
–  спутниковая радионавигационная система
СФС 
–  система фазовой синхронизации
СЧ 
–  средние частоты
ССН 
–  система слежения за направлением
СЧ 
–  средние частоты
СФ 
–  согласованный фильтр
УВЧ 
–  ультравысокие частоты
ФАПЧ –  фазовая автоподстройка частоты
ФД 
–  фазовый дискриминатор
ФМ 
–  фазовая манипуляция (модуляция)
ФН 
–  функция неопределенности
ФП 
–  функция правдоподобия 
ФХ 
–  флуктуационная характеристики
ЧВФН –  частотно-временная функция неопределенности 
ЧД 
–  частотный дискриминатор
ЧМ 
–  частотная модуляция 
ЭВЧ 
–  эталон времени и частоты
ШВ 
–  шкала времени
ШПС 
–  шумоподобный сигнал
BOC 
–  бинарная офсетная модуляция (binary offset carrier modulated)

ВВЕДЕНИЕ

В образовании студента, в соответствии с направлением подготовки (
специальность 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы»), 
дисциплина «Радионавигационные системы» занимает важное 
место. При её изучении студенты сталкиваются с комплексным использованием 
знаний, полученных в курсах высшей математики и физики, 
общетехнических и специальных дисциплин, предусмотренных учебным 
планом.
Данное учебно-методическое пособие состоит из трёх частей: 
методических указаний для практических занятий, по лабораторному 
практикуму и для самостоятельной работы. В первой части пособия 
излагаются вопросы теории радионавигационных измерений, методы 
и алгоритмы обработки радионавигационных сигналов, а также вопросы 
их технической реализации. Особенностью изложения материала 
является использование системного подхода, базирующегося на знаниях 
студентов, полученных при изучении предшествующих курсов. 
При этом учтены особенности специализации студентов, обучающихся 
по магистерской программе «Радионавигационные системы и комплексы», 
для которых вопросы анализа устройств и систем более важны, чем 
вопросы их синтеза и проектирования.
Сложность и многообразие задач навигации, а также ограничения, 
свойственные средствам навигации каждого типа, обусловливают необходимость 
комплексирования навигационной аппаратуры. Такой подход 
позволяет органически сочетать возможности различных по принципу 
действия навигационных средств таким образом, чтобы преимущества 
одних компенсировали недостатки других.
Главное преимущество радиотехнических средств навигационного 
обеспечения подвижных объектов – их высокая точность, практически 
не зависящая от погодных условий, времени суток и года. Это позволяет 
широко использовать их для решения практически любых задач навигации 
воздушных судов, космических кораблей, морских судов и других 
объектов как самостоятельно, так и в комплексе с другими навигационными 
средствами (не радиотехническими). В последнем случае их используют 
в качестве высокоточных (прецизионных) средств коррекции 
автономных бортовых навигационных устройств (например инерциальных 
средств навигации).
Нормальное функционирование радиотехнических средств навигации 
существенно зависит от помеховой обстановки: помехи есте-

Введение

ственного и искусственного происхождения сказываются прежде всего 
на снижении точности радионавигационных систем, что вызывает необходимость 
применения специальных мер защиты от помех.
В настоящее время, наряду с радионавигационной системой (РНС) 
наземного базирования, все большее применение находят спутниковые 
РНС. Роль опорных станций (радиомаяков) в спутниковых РНС 
выполняют навигационные спутники, параметры движения которых 
по орбите (эфемериды) определяются наземной подсистемой и периодически 
вводятся в бортовую память каждого спутника. В процессе 
работы эти данные сообщаются потребителям в составе навигационного 
сигнала (применяется совмещенный радиоканал для навигации 
и связи).
Главное преимущество спутниковых РНС – это высокая точность 
определения координат и параметров движения, а также их глобальность (
возможность навигационных измерений в любой точке земного 
шара и околоземного пространства). Однако спутниковым РНС 
свойственны и определенные ограничения. Прежде всего это высокая 
стоимость развертывания и эксплуатации системы. Причем основные 
затраты приходятся на космическую подсистему, так как срок службы 
навигационных ИСЗ составляет несколько лет и приходится запускать 
новые спутники взамен отслуживших свой срок. 
В связи с этим наземные РНС составляют в настоящее время и будут 
составлять в обозримом будущем серьезную конкуренцию спутниковым 
РНС. Также существует большой класс задач, которые наземные 
РНС позволяют решать эффективнее, чем спутниковые. Например, это 
системы посадки воздушных судов, которые в настоящее время не могут 
быть заменены спутниковыми радионавигационными системами.
Во второй части пособия приведены методические указания по лабораторному 
практикуму. Лабораторный практикум способствует закреплению 
теоретических знаний, формированию необходимых навыков 
и умений: применения методов моделирования и экспериментальных 
исследований алгоритмов и устройств обработки сигналов и измерения 
РНП, использования пакета прикладных программ для моделирования 
алгоритмов и устройств измерения РНП, опыта работы с измерительными 
приборами, научного анализа полученных результатов и их практической 
оценки, обобщения и сопоставления с теоретическими положениями, 
достижения при обучении практических компонентов уровней 
«знать», «уметь», «иметь опыт». 
По каждой лабораторной работе приведены цель работы, краткие 
теоретические сведения, содержание домашнего задания и указания 

Введение

по его выполнению, программа экспериментального исследования, содержание 
отчета, контрольные вопросы и рекомендуемая литература.
В третьей части пособия содержатся методические указания по обеспечению 
самостоятельной работы студентов в процессе освоения дисциплины «
Радионавигационные системы»: изучения теоретического 
курса (теоретическому обучению), подготовки к выполнению и защите 
лабораторных работ, подготовки к промежуточному и итоговому контролю.

Теоретическое обучение включает в себя самостоятельное изучение 
студентами базовых вопросов на основе учебно-методических материалов 
дисциплины.
Для получения зачёта по дисциплине студент должен представить 
конспект самостоятельного изучения вопросов теоретического курса 
объемов до 20–25 страниц.
В качестве дополнительных видов самостоятельной работы учитываются 
выполнение домашних расчетных заданий к лабораторным 
работам. Кроме того, дополнительной самостоятельной работой являются 
обработка результатов измерений, получаемых в ходе выполнения 
лабораторных работ, составление отчетов по лабораторным работам, 
выполняемых в аудитории. Трудоемкость – 18 часов.

1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ  
ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ИЗУЧЕНИЯ  
ДИСЦИПЛИНЫ 

1.1. Цели и задачи изучения дисциплины

Дисциплину «Радионавигационные системы» изучают студенты, 
обучающиеся по специальностям 11.05.01 «Радиоэлектронные системы 
и комплексы» и 25.05.03 «Техническая эксплуатация транспортного 
радиооборудования», а дисциплина «Теория и техника радиолокации 
и радионавигации» преподаётся магистрам, обучающимся по направлению 
11.04.01 «Радиотехника». 
Целью преподавания дисциплины «Радионавигационные системы» 
является изучение алгоритмов и устройств измерения параметров радионавигационных 
сигналов применительно к задачам разработки, производства 
и эксплуатации радионавигационных систем.
Основные задачи: 


 овладение методами и средствами измерения радионавигационных 
параметров в современных радионавигационных системах; 


 изучение принципов действия, технических и метрологических 
характеристик средств радионавигационных измерений; 


 исследование современных методов и приобретение навыков обработки 
результатов измерений, оценки погрешности измерений.
В результате студенты должны знать: 


 принципы построения радионавигационных систем, методы измерения 
дальности, скорости и угловых координат;


 основы теории измерения параметров сигналов радионавигационных 
систем; 


 алгоритмы и устройства измерения параметров радионавигационных 
сигналов.
Освоив дисциплину «Радионавигационные системы», студенты 
должны уметь: 


 пользоваться методами измерений, контрольно-измерительной 
аппаратурой при оценке качества функционирования радионавигационных 
систем и устройств; 


 применять методы теории измерения параметров сигналов при 
проектировании радионавигационных систем; 

1. Методические указания по обеспечению изучения дисциплины   

владеть: 


 методами выбора измерительных приборов и работы с ними при 
определении характеристик аппаратуры радионавигационных систем; 


 моделирования алгоритмов измерения параметров сигналов, 
в том числе с использованием стандартных пакетов прикладных программ; 


 
методикой экспериментальных исследований, включая выбор 
технических средств и обработку результатов;


 методикой составления обзоров и отчетов по результатам проводимых 
исследований.
Студент, изучивший курс «Радионавигационные системы», должен 
обладать следующими профессиональными компетенциями:


 способностью использовать результаты освоения фундаментальных 
и прикладных дисциплин магистерской программы (ПК-1); 


 способностью профессиональной эксплуатации современного 
оборудования и приборов (в соответствии с целями магистерской программы) (
ПК-5);
компетенциями в сфере проектно-конструкторской деятельности:


 
способностью анализировать состояние научно-технической 
проблемы путем подбора, изучения и анализа литературных и патентных 
источников (ПК-7);


 способностью проектировать радиотехнические устройства, приборы, 
системы и комплексы с учетом заданных требований (ПК-9);
компетенциями в сфере научно-исследовательской деятельности:


 способностью выполнять моделирование алгоритмов и устройств 
с целью анализа и оптимизации их параметров с использованием имеющихся 
средств исследований, включая стандартные пакеты прикладных 
программ (ПК-17);


 способностью разрабатывать и обеспечивать программную реализацию 
эффективных алгоритмов решения сформулированных задач 
с использованием современных языков программирования (ПК-18); 


 способностью к организации и проведению экспериментальных 
исследований с применением современных средств и методов (ПК-19).

1.2. Межпредметная связь

Для успешного освоения курса необходима предварительная университетская 
подготовка по дисциплинам: 

1.2. Межпредметная связь


 «Высшая математика»: общие разделы (дифференциальное 
и интегральное исчисления, ряды Фурье, Тейлора);


 «Теория вероятностей и математическая статистика»: случайные 
величины (законы распределения, числовые характеристики), 
системы случайных величин (числовые характеристики, числовые характеристики 
функций величин, теоремы о числовых характеристиках случайных 
величин, законы распределения функций случайных аргументов, 
композиция законов распределения, предельные теоремы), стационарные 
случайные процессы, статистическая обработка случайных величин (нахождение 
эффективных оценок, определение законов распределения);


 «Радиотехнические цепи и сигналы»: сигналы, спектральное 
представление сигналов, параметры сигнала (амплитуда, фаза, частота), 
преобразование Гильберта, преобразование сигналов на нелинейных 
элементах, амплитудное детектирование, ограничение сигналов, 
синхронное детектирование, умножение частоты, автокорреляционная 
функция ограниченного случайного процесса, случайные сигналы 
и их характеристики (математическое ожидание, дисперсия, энергетический 
спектр, корреляционная функция, одномерные законы распределения), 
сигналы Баркера, псевдослучайные последовательности; 


 «Основы теории цепей»: понятие и методы расчета частотных 
и переходных характеристик цепей; 


 «Информационные технологии»: основы программирования, 
языки про  граммирования; 


 «Радиоизмерепия»: методы измерения временных интервалов, 
фазового сдвига, частоты, напряжения, мощности; статистическая теория 
погрешностей измерений. 


 «Радиоавтоматика»: основы теории автоматических систем 
(устойчивость, анализ при детерминированных и случайных воздействиях); 
факторы, определяющие основные качественные показатели 
автоматических систем (точность, запас устойчивости, быстродействие); 
особенности построения радиотехнических автоматических 
систем, применяемых в радионавигации (системы частотной и фазовой 
автоподстройки, системы автоподстройки по времени и направлению 
прихода радиосигнала).
Программа изучения дисциплины «Радионавигационные системы» 
предусматривает определённые виды самостоятельной работы: изучение 
теоретического курса, подготовка к выполнению и защите лабораторных 
работ (выполнение домашних заданий, обработка результатов 
измерений, полученных в ходе выполнения лабораторного задания), 
подготовка к промежуточному контролю.

1. Методические указания по обеспечению изучения дисциплины   

1.3. Методические указания  
к проведению занятий

1.3.1. Занятие 1–2. Основы теории измерения 
параметров сигналов РНС (4 часа)

Тема 1. Представление сигналов и помех (1 час)
Данная тема включает в себя следующие вопросы:


 общая модель радионавигационной системы;


 предмет статистической теории радионавигационных систем;


 представление сигналов и помех;


 нормальный белый шум.
Радионавигационные системы относятся к классу информационно 
управляющих радиотехнических систем, осуществляющих извлечение, 
обработку и преобразование информации с использованием радиосигналов. 
Под радиосигналом в навигации принято понимать радиоволну, 
несущую информацию о координатах и параметрах движения объекта 
(навигационное сообщение). По виду применяемых сигналов различают 
РНС с непрерывным и импульсным излучением. В РНС с непрерывным 
излучением информация отображается в изменении параметров 
(амплитуде, задержке, частоте, фазе) непрерывного (обычно гармонического) 
колебания. В импульсных РНС сигнал представляет собой последовательность 
радиоимпульсов, в параметрах которых (амплитуде, 
задержке, частоте, фазе) может содержаться информация о координатах 
объекта и его движении.
Особенностью РНС является то, что навигационное сообщение 
(изменение навигационных параметров вследствие движения объекта) 
всегда непрерывно, в отличие от систем радиосвязи, где передаваемое 
сообщение может быть дискретным либо по своей природе, либо вследствие 
использования цифровых методов передачи. Кроме того, навигационное 
сообщение представляет собой медленно меняющийся случайный 
процесс, энергетический спектр которого сосредоточен в области 
очень низких частот (не выше 10 Гц). Благодаря узкому спектру навигационного 
сообщения могут использоваться узкополосные измерители 
радионавигационных параметров (РНП), обеспечивающие высокую помехоустойчивость 
и точность измерений.
В РНС цифровые методы могут использоваться как при формировании 
модулирующего сигнала, так и при приёме и обработке сигналов. 
Позволяя реализовать близкие к оптимальным (квазиоптимальным) 
алгоритмы, они обеспечивают практически потенциальные (предельно