Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) играют все более значимую роль в мировой экономике и повседневной жизни многих людей. Аналитики агентства European GNSS Agency отмечают следующие новые тренды в области ГНСС в различных рыночных сегментах:
Будучи самыми доступными по цене и эффективными источниками информации о географических координатах, скорости и точном времени, устройства ГНСС стали существенными элементами ряда современных технических решений, включая решения типа IoT, Big Data, дополненной реальности, а также решения для мобильной медицины, умных городов и мультимодальной логистики.
Устройства ГНСС получают все более широкое распространение. По оценкам European GNSS Agency, в 2017 году в мире использовалось 5,8 млрд устройств ГНСС (почти 80% из них — смартфоны), а к 2020 году их число должно возрасти до 8 млрд (более одного устройства на каждого человека на нашей планете).
ГНСС и навигационная аппаратура потребителей (НАП) непрерывно совершенствуются. Новой тенденцией является развитие производства массовых устройств ГНСС, работающих на нескольких частотах одновременно, что значительно повышает точность определения местоположения.
Для достижения требуемых параметров функционирования устройств ГНСС их необходимо тщательно тестировать на этапах разработки, производства, сертификации, эксплуатации, а также при проведении регулировочных и ремонтных работ.
Существует три основных метода тестирования устройств ГНСС, отличающиеся способами получения тестовых сигналов ГНСС.
Это самый дешевый (в своем простейшем виде) метод тестирования устройств ГНСС, но он обладает рядом существенных недостатков. Прежде всего, данный метод не обеспечивает повторяемости тестовых сигналов ГНСС, которая необходима, например, для сравнительного тестирования оборудования или отладки навигационного ПО. Дело в том, что спутники ГНСС постоянно перемещаются относительно поверхности Земли, и на распространение их сигналов влияют различные изменяющиеся во времени факторы, включая атмосферные эффекты, радиопомехи и отражение от разнообразных объектов на земной поверхности, что является причиной многолучевого распространения радиосигналов. Кроме того, отсутствуют какие-либо возможности управления тестовыми сигналами; есть риск возникновения нежелательных помех, многолучевого распространения сигналов; нельзя использовать сигналы региональных навигационных систем без отправки подлежащего тестированию оборудования в зоны действия этих систем. Да и метод этот может быть довольно дорогим, когда требуется многократно проводить полевые испытания навигационных решений в процессе их отладки, а также при необходимости проверять работу этих решений в реальных условиях в удаленных местах или на борту различных транспортных средств. Тестирование принимаемыми спутниковыми сигналами по сути своей не является достаточно точным, чтобы можно было гарантировать нужные рабочие характеристики устройств ГНСС. Поэтому-то в исследовательских лабораториях и на производстве уже довольно давно (более 30 лет) и широко практикуется тестирование навигационных решений с использованием имитаторов сигналов ГНСС.
Имитаторы сигналов ГНСС обеспечивают гибкое управление выдаваемыми сигналами и их повторяемость. Они позволяют полностью автоматизировать процесс тестирования путем многократного исполнения всевозможных сценариев и способны имитировать сигналы не только ГНСС (GPS, ГЛОНАСС, Galileo), но и региональных навигационных систем, а также систем дифференциальной коррекции. Кроме того, эти приборы могут имитировать работу навигационного оборудования на борту разнообразных транспортных средств с любыми нужными траекторией и динамикой движения (поддерживаются широчайшие диапазоны скоростей, ускорений и рывков). Программное обеспечение, предназначенное для работы с имитаторами ГНСС, позволяет моделировать различные тропосферные и ионосферные эффекты, диаграмму направленности антенны устройства ГНСС, многолучевое распространение спутниковых навигационных сигналов и др. На рисунке ниже показан информационный поток в типичным имитаторе с добавлением различных эффектов до выдачи результирующего сигнала через РЧ-выход.
Однако тестирование с помощью имитатора не отменяет необходимости проверять работу навигационных решений в реальных условиях, и тогда приходится покидать стены лаборатории и выезжать «в поля».
Избежать проведения дорогостоящего полевого тестирования позволит применение сравнительно недорогих систем записи и воспроизведения сигналов ГНСС. Данная система принимает все радиосигналы в полосе рабочих частот ГНСС (сигналы ГНСС и всевозможные радиопомехи), преобразовывает их с понижением частоты, оцифровывает и в виде файлов сохраняет на своем накопителе. Затем эти файлы можно многократно воспроизводить в процессе лабораторных испытаний. При воспроизведении оцифрованные сигналы преобразуются обратно в аналоговые с повышением частоты и выдаются на первоначальной радиочастоте. Таким образом в лаборатории обеспечивается тестирование с использованием реальных повторяемых сигналов ГНСС. Системы записи и воспроизведения сигналов ГНСС позволяют регулировать уровень выдаваемого сигнала, что может быть использовано, например, для определения чувствительности устройств ГНСС. Недостатками же систем записи и воспроизведения сигналов ГНСС являются невозможность использования сигналов региональных навигационных систем, действующих в других регионах, а также вероятные трудности с интерпретацией результатов тестирования, поскольку записанные сигналы могут быть непредсказуемо искажены. Кроме того, нельзя оценить работу устройства ГНСС в некоторых случаях применения (например, на борту космического аппарата).
Существует ряд основных параметров, которые в совокупности определяют пользовательский опыт при эксплуатации устройств ГНСС.
Точность определения местоположения — это мера несовпадения истинного местоположения устройства ГНСС с его координатами, которые определило само это устройство. Для выражения точности чаще всего используются два показателя — среднеквадратическое отклонение (Root Mean Square, RMS) и круговое вероятное отклонение (Circular Error Probable, CEP). Показатель RMS рассчитывается как корень квадратный из среднего значения квадратов ошибок (отклонений от истинного местоположения). CEP выражается величиной радиуса круга, очерченного вокруг антенны, в который должно попадать 50% ошибок. Каждый из показателей имеет свои достоинства и недостатки и очень трудно сравнивать результаты, рассчитанные по разным формулам. В идеале нужно тестировать оба этих показателя с использованием соответствующих сценариев для имитатора сигналов ГНСС. По завершении тестирования на этапе разработки устройства ГНСС оно должно пройти полевые испытания.
Работа многих современных инфраструктур, включая сети связи, энергетические сети и финансовые системы, зависит от синхронизации по сигналам, передаваемым спутниками ГНСС. Эта синхронизация обеспечивается первичным эталонным источником (ПЭИ), оснащенным приемником ГНСС. При возникновении проблем в процессе реализации системы синхронизации, проверьте способность ПЭИ выдавать точную шкалу времени и эффективно распространять ее по сети. Отраслевые стандарты предъявляют жесткие требования к точности временной синхронизации. Так, согласно стандарту ITU G.8272, погрешность тактового сигнала на выходе первичного эталонного тактового генератора (PRTC) относительно UTC должна быть в пределах 100 нс.
Это параметр характеризует быстроту, с какой устройство ГНСС может захватывать спутниковые сигналы и начинать выдавать данные ГНСС. Для потребительского устройства ГНСС, в котором функционал ГНСС часто включается и выключается, малое значение этого параметра очень важно. Но еще важнее оно, например, для аварийного радиобуя (чем быстрее он определит и передаст информацию о месте кораблекрушения, тем быстрее начнется поисково-спасательная операция). Значение параметра TTFF определяют при холодном, теплом и горячем стартах. При холодном старте оно самое большое, поскольку в этом случае устройство не имеет информации о времени, текущего альманаха и актуальных данных эфемерид.
Представьте себе, что при выезде из подземного паркинга вам нужно быстро выбрать куда повернуть — направо или налево. В такой ситуации короткое время TTFF важнее высокой точности определения местоположения.
Определяют чувствительность для захвата (минимальную мощность принимаемого сигнала, при которой устройство ГНСС может захватить его и выдать информацию о местоположении, скорости и времени) и чувствительность для слежения (уровень сигнала, нужный, чтобы приемник мог поддерживать его захват). Оба показателя отражают способность устройства ГНСС выдавать точную информацию в сложных условиях работы.
Чувствительность для захвата и чувствительность для слежения обычно выражаются в дБм. Для определения этих параметров, как правило, используется имитатор сигналов ГНСС, минимизирующий колебания C/N0. Для измерения параметра С/N0 используется радиочастотный измеритель мощности. Тестирование чувствительности проводится при различных конфигурациях расположения спутников, включая наихудшие случаи.
Устойчивость функционирования — это то, что все сильнее заботит производителей, интеграторов и пользователей критически важных устройств ГНСС. На работу ГНСС оказывают негативное влияние самые разные факторы, включая ионосферные сцинтилляции, радиопомехи, многолучевое распространение, ошибки спутникового сегмента, а также попытки нарушить нормальное функционирование ГНСС путем постановки преднамеренных помех и проведения атак с использованием ложных сигналов ГНСС (спуфинг ГНСС).
Очень важно знать, как устройства ГНСС будут работать при воздействии вышеназванных факторов. При определенных обстоятельствах устройство ГНСС может выдавать неверную информацию о местоположении и времени. Следует знать эти обстоятельства и предпринимать защитные меры. Для уменьшения влияния помех устройства ГНСС могут иметь:
Работу этих средств и функций нужно проверять, если приемник должен гарантированно выдавать точную информацию о координатах и времени. Оборудование НАП, оснащенное многоэлементными антенными системами с управляемой диаграммой направленности (CRPA), формирующими нули в своих диаграммах направленности в направлении источников помех, тестируют в безэховой камере с антеннами, передающими сигналы ГНСС или помехи (см. рисунок ниже).
Сигналы ГНСС поступают с выходов многоканального имитатора сигналов ГНСС (как показано на рисунке) или синхронизированных одноканальных имитаторов.
В Евросоюзе реализуется проект STRIKE3, целью которого является разработка международных стандартов по информированию об угрозах для ГНСС и тестированию приемников ГНСС. Стандарты по информированию об угрозах для ГНСС призваны обеспечить создание международных баз данных по этим угрозам. Стандарты по тестированию приемников ГНСС нужны для проверки их работоспособности в условиях угроз.
В проекте стандартов по тестированию приемников ГНСС — Draft Standards for Receiver Testing Against Threats — заданы: архитектура испытательного стенда, параметры сценария тестирования, определяемые и анализируемые показатели, методика тестирования. Основными компонентами испытательного стенда являются имитатор сигналов ГНСС, выдающий чистый сигнал ГНСС, и векторный генератор сигналов, который генерирует помехи на основе сэмплов I/Q синтезированных помех или записанных реальных помех из вышеупомянутых баз данных. Сигналы ГНСС, выдаваемые имитатором, и сгенерированные помехи суммируются и подаются на антенный вход испытуемого приемника. В процессе тестирования должны контролироваться следующие показатели: Jamming Signal Lеvel (дБ), временная погрешность (нс), точность определения местоположения (м, RMS), число видимых/используемых спутников, C/N0 для каждого спутника, TTFF.
