[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.
| Система | Число спутников | Основные частоты | Особенность |
|---|---|---|---|
| ГЛОНАСС | 24 | 1602 МГц, 1246 МГц | Частотное разделение сигналов спутников |
| GPS | 31 | 1575,42 МГц, 1227,60 МГц, 1176,45 МГц | Кодовое разделение сигналов |
| Galileo | 28 | 1575,42 МГц, 1207,14 МГц, 1176,45 МГц | Совместимость по частоте с GPS |
| BeiDou | 35 | 1561,10 МГц, 1575,42 МГц, 1207,14 МГц | Наличие 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 оглавлению2. 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.
| Величина | Значение |
|---|---|
| Мощность передатчика спутника | от 25 до 50 Вт |
| Потери при распространении | около 184 дБ |
| Уровень сигнала у поверхности Земли | от минус 158 до минус 163 дБВт |
| То же в децибел-милливаттах | от минус 128 до минус 133 дБм |
| Уровень теплового шума в полосе 2 МГц | около минус 111 дБм |
| Превышение сигнала над шумом до обработки | минус 20 дБ, то есть сигнал ниже шума |
| Выигрыш обработки при корреляции | от 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.
| Значение | Состояние приёма |
|---|---|
| от 45 до 50 дБ-Гц | Отличный приём, открытое небо |
| от 40 до 45 дБ-Гц | Нормальный рабочий уровень |
| от 35 до 40 дБ-Гц | Приём ослаблен, возможны срывы слежения |
| от 30 до 35 дБ-Гц | Удержание слежения на пределе |
| менее 30 дБ-Гц | Слежение срывается, решение неустойчиво |
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 показателя | Оценка геометрии | Пригодность |
|---|---|---|
| менее 1 | Идеальная | Высокоточные измерения |
| от 1 до 2 | Отличная | Все виды полётов |
| от 2 до 5 | Хорошая | Рабочий диапазон |
| от 5 до 10 | Умеренная | Полёт с осторожностью |
| от 10 до 20 | Слабая | Автоматические режимы ненадёжны |
| более 20 | Непригодная | Полёт 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.
4. Практическая работа
Практическая работа 4.1
Цель. Изучить показатели качества навигационного поля и их изменение в различных условиях.
Порядок выполнения.
- Подключить приёмник спутниковой навигации к компьютеру и вывести таблицу спутников с отношением сигнал-шум по каждому.
- Выполнить наблюдение на открытой площадке продолжительностью 10 минут. Записать число спутников, показатель снижения точности, средний уровень.
- Повторить наблюдение вблизи здания, закрывающего часть небосвода.
- Повторить наблюдение под кроной дерева.
- Повторить наблюдение в автомобиле с металлической крышей.
- 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.
5. Проверьте себя
- Почему для определения координат требуется не менее четырёх спутников?
- На сколько децибел сигнал спутниковой навигации слабее собственного шума приёмника?
- Что показывает величина отношения сигнал-шум в дБ-Гц и каково её рабочее значение?
- Почему большое число спутников не гарантирует высокой точности?
- Какое значение показателя снижения точности делает автоматические режимы ненадёжными?
Контрольный перечень
6. Источники
- Интерфейсный контрольный документ системы ГЛОНАСС, редакция 5.1.
- Interface Specification IS-GPS-200 на сигналы системы GPS.
- Каплан Э., Хегарти К. Основы GPS: принципы и применение.
Проверено: 20.09.2026
↑ К оглавлению- мод. : Понедельник, 21 сентября 2026