Перейти к содержимому
5

[4.1] Как работает спутниковая навигация #

Техник БПЛА · радиосвязь, РЭБ и РЭР

Понимание принципа определения координат объясняет, почему навигация настолько уязвима к слабым помехам.

Содержание

1. Состав и принцип работы

Глобальная навигационная спутниковая система определяет координаты по измерению времени распространения сигнала от нескольких спутников. Приёмник вычисляет расстояние до каждого спутника и решает систему уравнений относительно трёх координат и поправки собственных часов. Поэтому минимально необходимое число спутников равно четырём.

СистемаЧисло спутниковОсновные частотыОсобенность
ГЛОНАСС241602 МГц, 1246 МГцЧастотное разделение сигналов спутников
GPS311575,42 МГц, 1227,60 МГц, 1176,45 МГцКодовое разделение сигналов
Galileo281575,42 МГц, 1207,14 МГц, 1176,45 МГцСовместимость по частоте с GPS
BeiDou351561,10 МГц, 1575,42 МГц, 1207,14 МГцНаличие геостационарных спутников

1.1 Совмещённый приём

Современный приёмник принимает сигналы нескольких систем одновременно. Это повышает число видимых спутников, улучшает геометрию и сокращает время определения первых координат. Однако все системы работают в близких полосах частот, поэтому помеха, перекрывающая полосу около 1575 МГц, нарушает работу GPS [вики], Galileo [вики] и BeiDou [вики] одновременно. Сигналы ГЛОНАСС [вики] расположены несколько выше по частоте и в отдельных случаях сохраняются дольше.

↑ К оглавлению

2. Мощность сигнала и главная уязвимость

Спутник излучает мощность порядка 25–50 Вт с высоты около 20 000 км. За счёт огромного расстояния сигнал приходит к поверхности Земли крайне ослабленным.

ВеличинаЗначение
Мощность передатчика спутникаот 25 до 50 Вт
Потери при распространенииоколо 184 дБ
Уровень сигнала у поверхности Землиот минус 158 до минус 163 дБВт
То же в децибел-милливаттахот минус 128 до минус 133 дБм
Уровень теплового шума в полосе 2 МГцоколо минус 111 дБм
Превышение сигнала над шумом до обработкиминус 20 дБ, то есть сигнал ниже шума
Выигрыш обработки при корреляцииот 43 до 53 дБ

О двух шкалах. Уровень сигнала навигации записывают и в децибел-ваттах, и в децибел-милливаттах; разница между шкалами составляет ровно 30 дБ: \( P_{\text{дБм}} = P_{\text{дБВт}} + 30 \). Отсюда распространённая ошибка: значение минус 160 дБВт из нормативного документа переносят в текст как «минус 160 дБм», занижая мощность в тысячу раз. Встретив в источнике «минус 155…160 дБм», проверьте, не подразумеваются ли децибел-ватты. Отдельно различайте уровень сигнала у поверхности Земли (от минус 128 до минус 133 дБм) и порог слежения приёмника (от минус 165 до минус 167 дБм) из документации на микросхему: второе достигается за счёт накопления и не является уровнем в эфире.

Ключевой вывод. Полезный сигнал спутниковой навигации на 20 дБ слабее собственного шума приёмника и выделяется только за счёт корреляционной обработки. Именно поэтому источник помехи мощностью в доли ватта нарушает работу приёмника на расстоянии в десятки километров, тогда как для нарушения командной линии требуется мощность на порядки большая.

2.1 Отношение сигнал-шум в приёмнике

Качество приёма характеризуется отношением мощности сигнала к спектральной плотности шума, обозначаемым как \\( C/N_{0} \\) и измеряемым в дБ-Гц.

ЗначениеСостояние приёма
от 45 до 50 дБ-ГцОтличный приём, открытое небо
от 40 до 45 дБ-ГцНормальный рабочий уровень
от 35 до 40 дБ-ГцПриём ослаблен, возможны срывы слежения
от 30 до 35 дБ-ГцУдержание слежения на пределе
менее 30 дБ-ГцСлежение срывается, решение неустойчиво
↑ К оглавлению

3. Геометрия и точность

Точность определения координат зависит не только от качества приёма, но и от взаимного расположения спутников. Этот фактор описывается показателем снижения точности.

Значение показателяОценка геометрииПригодность
менее 1ИдеальнаяВысокоточные измерения
от 1 до 2ОтличнаяВсе виды полётов
от 2 до 5ХорошаяРабочий диапазон
от 5 до 10УмереннаяПолёт с осторожностью
от 10 до 20СлабаяАвтоматические режимы ненадёжны
более 20НепригоднаяПолёт в автоматических режимах запрещён

Суммарная ошибка определения координат оценивается произведением показателя снижения точности на среднеквадратичную ошибку измерения дальности:

\( \sigma_{поз} = PDOP \cdot \sigma_{изм} \)

При типичном значении ошибки измерения дальности около 3 м и показателе снижения точности 1,5 ожидаемая ошибка составляет около 4,5 м.

3.1 Критерии готовности к полёту

  • Число используемых спутников не менее десяти при полётах в автоматических режимах.
  • Показатель снижения точности не более 2,5.
  • Отношение сигнал-шум [вики] большинства спутников не ниже 38 дБ-Гц.
  • Расхождение координат в неподвижном состоянии за минуту наблюдения не более 2 м.
↑ К оглавлению

4. Практическая работа

Практическая работа 4.1

Цель. Изучить показатели качества навигационного поля и их изменение в различных условиях.

Порядок выполнения.

  1. Подключить приёмник спутниковой навигации к компьютеру и вывести таблицу спутников с отношением сигнал-шум по каждому.
  2. Выполнить наблюдение на открытой площадке продолжительностью 10 минут. Записать число спутников, показатель снижения точности, средний уровень.
  3. Повторить наблюдение вблизи здания, закрывающего часть небосвода.
  4. Повторить наблюдение под кроной дерева.
  5. Повторить наблюдение в автомобиле с металлической крышей.
  6. Для каждого случая зафиксировать разброс координат за 5 минут.

Критерий выполнения. Составлена таблица зависимости числа спутников, показателя снижения точности и разброса координат от условий приёма. Сделан вывод о минимально допустимых условиях для полёта в автоматических режимах.

4.1 Типичные ошибки

  • Начало полёта по числу спутников без проверки показателя снижения точности. Двенадцать спутников, расположенных в одном секторе небосвода, дают худшую точность, чем шесть спутников с хорошей геометрией.
  • Взлёт сразу после включения без прогрева приёмника. Первое решение может содержать ошибку в десятки метров, которая записывается как точка возврата.
  • Размещение антенны [вики] приёмника ниже уровня элементов конструкции аппарата, что закрывает часть небосвода.
  • Отсутствие контроля отношения сигнал-шум: снижение среднего уровня на 10 дБ при неизменном числе спутников является признаком помехи.
↑ К оглавлению

5. Проверьте себя

  1. Почему для определения координат требуется не менее четырёх спутников?
  2. На сколько децибел сигнал спутниковой навигации слабее собственного шума приёмника?
  3. Что показывает величина отношения сигнал-шум в дБ-Гц и каково её рабочее значение?
  4. Почему большое число спутников не гарантирует высокой точности?
  5. Какое значение показателя снижения точности делает автоматические режимы ненадёжными?

Контрольный перечень

↑ К оглавлению

6. Источники

  1. Интерфейсный контрольный документ системы ГЛОНАСС, редакция 5.1.
  2. Interface Specification IS-GPS-200 на сигналы системы GPS.
  3. Каплан Э., Хегарти К. Основы GPS: принципы и применение.

Проверено: 20.09.2026

↑ К оглавлению
  • мод. : Понедельник, 21 сентября 2026