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. — Ека-
теринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2016. — 48 с.
 
ISBN 978-5-7996-2044-8

Пособие содержит теоретические сведения о спутниковых навигацион-
ных системах и сигналах. В разделе 3 приведены общие требования, указа-
ния 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 приме-
няются во всем мире. Уже созданы системы GPS (США), 
ГЛОНАСС (Россия); также производится развертывание но-
вых систем Galileo (Европа), Beidou (Китай) и др. Существу-
ющие системы постоянно модернизируются: вводятся новые 
спутники, совершенствуются спутниковые сигналы, улучша-
ются характеристики навигационной аппаратуры потребителя.
Навигационные приемники используются на борту самоле-
тов, на автомобильном, железнодорожном и морском транс-
порте, в геодезии, строительстве, сельском хозяйстве, горном 
деле. При таком массовом выпуске навигационных приемни-
ков необходимо проводить тестирование их работоспособно-
сти и характеристик при различных условиях.
При проведении испытаний, тестировании, определении 
технических характеристик навигационной аппаратуры потре-
бителя (НАП) ГЛОНАСС/GPS возникает целый ряд проблем. 
Во-первых, сложно обеспечить полную повторяемость экспе-
риментов. Во-вторых, уровни мощности сигналов от навигаци-
онных спутников на входе НАП точно не известны. В-третьих, 
организация экспериментов с НАП, которой предстоит эксплу-
атация 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 ГЛО-
НАСС 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 околозем-
ного пространства до высоты в 2000 км.

1.2. Структура системы GPS Введение

Количество НКА в орбитальной группировке и распределе-
ние их по орбитам выбрано таким образом, чтобы в зоне види-
мости над каждой точкой земной поверхности постоянно нахо-
дилось не менее пяти НКА. Исключение составляют полярные 
и приполярные области, где это условие может не выполнять-
ся в некоторые промежутки времени.
Наземный комплекс управления состоит из нескольких назем-
ных станций, осуществляющих слежение за космическими ап-
паратами орбитальной группировки.
Основной задачей НКУ является эфемеридное и частотно-
временное обеспечение НКА.
Эфемеридное обеспечение означает прогноз параметров дви-
жения НКА на опорные моменты времени и загрузку этой ин-
формации на борт НКА для последующей передачи ее потре-
бителю в составе навигационного сигнала. Знание параметров 
движения НКА позволяет потребителю прогнозировать коор-
динаты навигационных спутников на любой текущий момент 
времени и по этим координатам определять координаты соб-
ственного местоположения, выполнив определенные навига-
ционные измерения.
Для формирования эфемеридной информации используются 
уравнения движения космических аппаратов по заданным орби-
там, учитывающие различные возмущающие факторы. Два раза 
в сутки наземными станциями слежения осуществляется изме-
рение 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 закладывает-
ся в навигационный сигнал, поступающий от НКА потребителю.
Частотно-временное обеспечение означает прогноз ухода бор-
товой шкалы времени НКА относительно шкалы времени си-
стемы и загрузку на борт НКА частотно-временных поправок 
к бортовой шкале для последующей передачи этих поправок по-
требителю 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 по-
требителем своих координат.
Для минимизации ухода БШВ на борту каждого НКА при-
менен 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 определе-
ния координат по сигналам опорных станций. Псевдодально-
мерный метод является модификацией дальномерного принци-
па определения местоположения, когда измеряются расстояния 

1.3. Метод определения координат

от местонахождения пользователя до опорных точек, коорди-
наты которых являются известными. При этом для определе-
ния трех координат пользователя (x, y, z) достаточно знать рас-
стояния 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 поль-
зователя, а i = 1, 2, 3 (соответственно, решается система из трех 
уравнений для получения координат).
Уравнение (1) описывает в прямоугольной системе коорди-
нат (X, Y, Z) сферическую поверхность с центром сферы в опор-
ной точке (xi, yi, zi) и с радиусом равным Ri. Эта поверхность, 
образующая геометрическое место точек с одинаковым рас-
стоянием до заданной ОТ, называется поверхностью положе-
ния. Три поверхности положения, соответствующие разным 
ОТ, пересекаются в двух точках, одна из которых является ис-
комым местоположением пользователя. Исключение неодно-
значности достигается использованием априорной информа-
ции или введением в процедуру навигационных определений 
дополнительной ОТ.
В спутниковой навигации функции опорных точек выпол-
няют НКА, излучающие навигационные сигналы. Измерение 
расстояния до НКА проводится путем измерения времени за-
держки 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 независи-
мо от нас имеют сдвиг на неизвестную величину Dt. Эта вели-
чина приводит к ошибке измерения расстояния: