Спутниковые радионавигационные системы

Министерство образования и науки Российской Федерации 

Уральский федеральный университет  

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

И. Н. Корнилов

СПУТНИКОВЫЕ  

РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ  

СИСТЕМЫ

Лабораторный практикум

Рекомендовано методическим советом  
Уральского федерального университета  

для студентов вуза, обучающихся по направлениям  

подготовки 11.05.01 — Радиотехника,  

11.05.01 — Радиоэлектронные  

системы и комплексы

Екатеринбург 

Издательство Уральского университета 

2017 

УДК 621.396 
ББК 32.811я73 
          К67 

Рецензенты: канд. техн. наук Р. А. Окулов (инженер-конструктор 
АО УПП «Вектор»); канд. техн. наук, доц. И. Г. Самсонов 
(заместитель главного инженера АО УПП «Вектор») 

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

К67

Корнилов, И. Н.
Спутниковые радионавигационные системы : лабораторный 
практикум / И. Н. Корнилов. — Екатеринбург : 
Изд-во Урал. ун-та, 2017. — 76 с.
ISBN 978-5-7996-2123-0

Лабораторный практикум содержит теоретические сведения по тематике 
лабораторных работ, общие требования по их выполнению, 
указания к подготовке и выполнению семи лабораторных работ, тре-
бования к составлению отчетов и контрольные вопросы.

Библиогр.: 8 назв. Рис. 24. Прил. 2.

УДК 621.396 

ББК 32.811я73

ISBN 978-5-7996-2123-0
©Уральский федеральный 
    университет, 2017

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ ДЛЯ ПРОХОЖДЕНИЯ  

ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА

Целью лабораторного практикума является закрепление 

и расширение знаний по дисциплине «Спутниковые радио-
навигационные системы», изучаемой студентами дисциплины 
«Теория и техника радиолокации и радионавигации».

Практикум содержит семь работ. В первой лабораторной ра-

боте студенты изучают сигналы системы GPS и их корреляци-
онные и спектральные свойства. Целью второй работы являет-
ся изучение свойств навигационных сигналов ГЛОНАСС. Тре-
тья и четвертая работы рассматривают вопросы точности оп-
ределения координат и факторов, влияющих на нее. Пятая 
и шестая лабораторные работы посвящены обработке сигналов 
GPS и ГЛОНАСС в навигационной аппаратуре потребителя. 
В седьмой работе изучается помехоустойчивость навигацион-
ных приемников ГЛОНАСС.

Выполнение каждой лабораторной работы разделяется 

на три этапа:

1) домашняя подготовка;
2) выполнение 
экспериментальных, 
вычислительных 

и оформительских работ в лаборатории;

3) подготовка отчета по лабораторной работе и его защита.

1. Домашняя подготовка
В процессе домашней подготовки студент обязан изучить 

(или повторить) теоретический материал, относящийся к теме 

Общие требования для прохождения лабораторного практикума 

лабораторной работы, составить необходимые структурные 
и функциональные схемы, относящиеся к выполнению рабо-
ты, продумать порядок проведения работы, подготовить таб-
лицы для записи результатов.

2. Лабораторное занятие
Непосредственному выполнению лабораторной работы, 

как правило, предшествует защита отчета по предыдущей ра-
боте и коллоквиум по предстоящей работе.

На защите отчета преподаватель выясняет, насколько глу-

боко студенты разобрались в результатах и методике прове-
денных исследований, какие сделаны выводы, в какой форме 
представлены результаты. Непредставление отчета или неу-
довлетворительная защита его ведут к недопуску к предстоя-
щей работе.

Коллоквиум по предстоящей работе проводится для провер-

ки уровня подготовки к ней студентов. Преподаватель прово-
дит опрос студентов в основном по содержанию контрольных 
вопросов, перечень которых приведен в указаниях к конкрет-
ным работам. При недостаточной подготовке к выполнению 
работы студенты к ней не допускаются.

Порядок проведения экспериментов изложен в указаниях 

к конкретным лабораторным работам, он может быть скор-
ректирован преподавателем как в сторону уменьшения, так 
и повышения количества экспериментов. При проведении 
измерений параметров необходимо правильно определять их 
масштабные единицы. Экспериментальная часть считается 
выполненной после просмотра и утверждения преподавателем 
черновика отчета.

3. Составление и защита отчета
Отчеты выполняются на листах стандартного формата 

А4 с представлением схем, таблиц, графиков, иллюстрирую-

Общие требования для прохождении лабораторного практикума

щих результаты эксперимента. Особое внимание при состав-
лении отчета следует уделять выводам, в которых должны быть 
сформулированы конкретные результаты исследований. Кро-
ме того, в выводах должен присутствовать анализ соответствия 
результатов, полученных в ходе экспериментов, с теоретиче-
скими положениями и расчетами, выполненными при подго-
товке к работе. При наличии несовпадений необходимо объ-
яснить причины этого явления при выполнении лабораторных 
исследований, по которым составлен отчет.

РАЗДЕЛ 1. НАВИГАЦИОННЫЕ СИГНАЛЫ

1.1. Общие требования к навигационным сигналам

В спутниковой навигации осуществляется непрерывное 

излучение радиосигналов от всех навигационных спутников 
(НС). Для решения задачи навигационных определений в ап-
паратуре потребителя от навигационных сигналов требуется 
наличие некоторых параметров.

1. Энергия сигнала должна быть достаточной для уверенного 

приема аппаратурой потребителя. Необходимая энергия обеспе-
чивается выбором уровня излучаемой мощности от спутников.

2. Возможность эффективного разделения сигналов. На вход 

приемника навигационной аппаратуры потребителя (НАП) 
приходит смесь сигналов от всех видимых НС. В приемнике 
необходимо разделить сигналы от разных спутников и обраба-
тывать их отдельно. В приемнике ГЛОНАСС используется ча-
стотное разделение сигналов, а в приемниках GPS и Galileo — 
кодовое. При частотном разделении сигналам от разных спут-
ников отводится своя полоса частот. А при кодовом разделе-
нии сигналы излучаются на одной частоте, но модулируются 
разными кодами.

3. Обеспечение высокой точности измерения параметров сиг-

налов. Основными навигационными параметрами, определя-

1.2. Навигационные сигналы ГЛОНАСС и GPS

7

емыми в приемниках НАП, являются координаты и скорость 
потребителя. Соответствующие им радионавигационные пара-
метры — это задержка распространения сигнала τ и доплеров-
ское смещение частоты fД. Для обеспечения высокой точности 
определения координат и параметров движения потребителя 
необходимо очень точно измерить τ и fД. В [3] показано, что 
точность измерения данных параметров тем выше, чем боль-
ше база используемого сигнала (произведение длительности 
сигнала на ширину его спектра). Поэтому в спутниковой нави-
гации используют сложные сигналы с фазовой манипуляцией, 
у которых база B >> 1 в отличие от простых сигналов с B = 1. 
Фазовая манипуляция обеспечивает более высокую помехоу-
стойчивость приема и обработки радиосигналов по сравнению 
с другими типами модуляции [2].

1.2. Навигационные сигналы ГЛОНАСС и GPS

В современных глобальных навигационных спутниковых 

системах используют фазоманипулированные сигналы, в ко-
торых сигнал с периодом функции модуляции TC разбивается 
на L элементов с длительностью τЭ = TC  /L. При этом база сиг-
нала равна L, а ширина спектра ΔfЭ = 1/τЭ.

Групповой навигационный сигнал на входе НАП являет-

ся смесью сигналов от видимых НС. Фаза несущего колебания 
модулируется двоичной последовательностью, образованной 
суммированием по модулю два дальномерного кода и навига-
ционного сообщения. Дальномерный код предназначен для оп-
ределения расстояния от потребителя до НС и в системе ГЛО-
НАСС представляет собой М-последовательность, состоящую 
из 511 элементов с периодом 1 мс, а в системе GPS — последова-
тельность Голда, состоящую из 1023 элементов с периодом 1 мс.

Раздел 1. Навигационные сигналы

Таким образом, сигнал системы ГЛОНАСС имеет следу-

ющие параметры: TC = 1 мс, τЭ » 2 мкс, база сигнала B = 511. 
Каждый спутник системы ГЛОНАСС излучает периодический 
фазоманипулированный сигнал на собственной несущей ча-
стоте в диапазоне от 1598 до 1604 МГц, причем фазовая манипуляция 
несущей осуществляется на p радиан. Несущие частоты 
отличаются друг от друга на частоту кратную 511 кГц.

Сигнал системы GPS имеет параметры: TC = 1 мс, τЭ » 1 мкс, 

база сигнала B = 1023. Спутники системы GPS излучают периодические 
фазоманипулированные сигналы на одной частоте, 
равной 1575,42 МГц, но модулированные разными кодами.

Навигационное сообщение содержит оперативную и неоперативную 
навигационную информацию. Оперативная информация 
включает в себя:

• значение опорного момента времени, на который дается 

ОИ;

• эфемериды НС;
• сдвиг шкалы времени НС относительно высокоточной 

системной шкалы времени;

• отличие несущей частоты излучаемого радиосигнала 

от номинального значения;

• код метки времени для синхронизации процесса извлечения 
навигационной информации в НАП.

• Неоперативная информация содержит:
• данные о состоянии всех НС системы;
• сдвиг шкалы каждого НС относительно системной шкалы 
времени;

• параметры орбит всех НС системы.
Навигационное 
сообщение 
передается 
со 
скоростью 

50 бит/с [1].

Для группового навигационного сигнала ГЛОНАСС на входе 
приемника НАП справедливо следующее представление:

1.2. Навигационные сигналы ГЛОНАСС и GPS

9

s
t
P h
t
h
t
f
f
t
i
i
i
i
i
i

i
нав
НС 
ДК
ДОП
( )
(
)
(
) cos
(
)
=
Ч
-
Ч
-
Ч
+
+
йл
щы
=

2
2
t
t
p
j

1

N
е
, (1.1) 

где i — порядковый номер навигационного спутника;

N — количество навигационных спутников в зоне видимо-

сти приемника НАП;

Pi  — мощность навигационного сигнала от i-го навигаци-

онного спутника;

h
t
i
НС ( )  — навигационное сообщение от i-го навигационно-

го спутника;

h
t
ДК( ) — функция дальномерного кода;
ti  — задержка навигационного сигнала от i-го навигацион-

ного спутника;

fi  — несущая частота навигационного сигнала i-го навига-

ционного спутника;

fДОП  — доплеровский сдвиг частоты;
ji  — случайная начальная фаза i-го навигационного спут-

ника, распределенная равномерно в интервале от 0 до π.

Функция дальномерного кода h
t
ДК( ) является периодиче-

ской и на длительности одного периода она может быть описа-
на выражением [1]:

 
h
t
a g t
k
K
k
ДК
Э
( )
(
(
)
)
=
-
-

=е
1

511
1 t
,  
(1.2) 

где tЭ  — длительность одного элемента дальномерного кода;

g t( ) — импульс с единичной амплитудой и длительно- 

стью tЭ ;

aK = ±1 — двоичная последовательность, соответствующая 

M-последовательности, определяемой полиномом:

 
G x
x
x
( ) = +
+
1
5
9 .  
(1.3)