Беспроводные технологии на автомобильном транспорте. Глобальная навигация и определение местоположения транспортных средств

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 
НА АВТОМОБИЛЬНОМ 
ТРАНСПОРТЕ

ГЛОБАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ 
И ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ 
ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Москва
ИНФРА-М
2020

Московский автомобильнодорожный
государственный технический университет (МАДИ)

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

В.М. ВЛАСОВ, Б.Я. МАКТАС, В.Н. БОГУМИЛ, И.В. КОНИН

Допущено
Федеральным УМО в системе высшего образования 
по укрупненной группе направлений подготовки 
23.00.00 «Техника и технологии наземного транспорта» 
в качестве учебного пособия для обучающихся по направлениям 
«Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» 
(квалификация (степень) «бакалавр», «магистр»), 
«Технология транспортных процессов» 
(квалификация (степень) «магистр»)

УДК 629(075.8)
ББК 39.3я73
 
В58

Власов В.М.
В58 
 
Беспроводные технологии на автомобильном транспорте. Глобальная навигация и определение местоположения транспортных средств : 
учебное пособие / В.М. Власов, Б.Я. Мактас, В.Н. Богумил, И.В. Конин. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 184 с. — (Высшее образование: 
Бака лавриат). — www.dx.doi.org/10.12737/textbook_591aea600e5f05.45330352.

ISBN 978-5-16-012733-0 (print)
ISBN 978-5-16-105816-9 (online)

В учебном пособии подробно описана технология спутниковой навигации в применении к задачам мониторинга и контроля движения автомобильного транспорта. Рассмотрена технология определения местоположения, используемая в навигационных приемниках для автомобильного 
транспорта. Изложена технология глобальной спутниковой навигации, 
включая вопросы формирования и обработки навигационных сигналов. 
Даны сравнительные характеристики двух действующих глобальных навигационных спутниковых систем — ГЛОНАСС и GPS. Рассмотрены 
вопросы измерения времени в спутниковой навигационной системе. 
Показано влияние погрешности часов приемника на точность измерения 
местоположения объекта.
Соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
Для студентов, обучающихся по техническим направлениям и специальностям.

УДК 629(075.8)
ББК 39.3я73

Р е ц е н з е н т ы:
Илюхин А.В., доктор технических наук, профессор, заведующий 
кафедрой «Автоматизация производственных процессов» Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета;
Лахтина Н.Ю., кандидат технических наук, доцент кафедры 
«Транспортная телематика» Московского автомобильно-дорожного 
государственного технического университета

ISBN 978-5-16-012733-0 (print)
ISBN 978-5-16-105816-9 (online)
© Власов В.М., Мактас Б.Я., 
Богумил В.Н., Конин И.В., 2017

Авторский коллектив

Владимир Михайлович Власов, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Транспортная телематика» факультета автомобильного транспорта Московского автомобильнодорожного государственного технического университета.
Борис Яковлевич Мактас, кандидат технических наук, доцент

кафедры «Транспортная телематика» факультета автомобильного транспорта Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета.
Вениамин Николаевич Богумил, кандидат технических наук, доцент кафедры «Транспортная телематика» факультета автомобильного транспорта Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета.
Игорь Валентинович Конин, кандидат технических наук, доцент,

заместитель заведующего кафедрой «Транспортная телематика» факультета автомобильного транспорта Московского автомобильнодорожного государственного технического университета.

Список сокращений

АСН — аппаратура спутниковой навигации
АЦП — аналого-цифровой преобразователь
ВТ — высокая точность
ВЧ — высокие частоты (название диапазона частот радиоволн)
ГВЧ — гипервысокие частоты (название диапазона частот радиоволн)
ГИС — Географическая информационная система
ГЛОНАСС — Глобальная навигационная спутниковая система 
(Россия)
ГНСС — Глобальная навигационная спутниковая система
ИСЗ — искусственный спутник Земли
КА — космический аппарат
КВЧ — крайне высокие частоты (название диапазона частот 
 радиоволн)
КСЧ — квантовый стандарт частоты
КХ — код Хемминга
МВ — метка времени
НАП — навигационная аппаратура потребителей (функциональная часть ГЛОНАСС)
НКА — навигационный космический аппарат
НКУ — наземный комплекс управления (функциональная часть 
ГЛОНАСС)
НП — навигационный приемник
НЧ — низкие частоты (название диапазона частот радиоволн)
ОНЧ — очень низкие частоты (название диапазона частот радиоволн)
ОВЧ — очень высокие частоты (название диапазона частот 
 радиоволн)
ОФМ — относительная фазовая модуляция (вид модуляции 
сигнала навигационного сообщения ГЛОНАСС)
ПЗС — прибор с зарядовой связью
ПЗ-90 — модель земного геоида в системе ГЛОНАСС, система 
геодезических координат
ПКА — подсистема космических аппаратов (функциональная 
часть ГЛОНАСС)
ПКУ — подсистема контроля и управления (функциональная 
часть ГЛОНАСС)
ПСДК — псевдослучайный дальномерный код ГЛОНАСС

ПСП — псевдослучайная последовательность двоичных чисел
СВЧ — сверхвысокие частоты (название диапазона частот радиоволн)
СИ — Международная система единиц измерения физических 
величин (фр. Le Système International d’Unités, SI)
ССЗ — схема слежения за задержкой (навигационный приемник)
СТ — стандартная точность
СЧ — средние частоты (название диапазона частот радиоволн)
УВЧ — ультравысокие частоты (название диапазона частот радиоволн)
ФАП — фазовая автоподстройка (навигационный приемник)
ЦИ — цифровая информация
ШВ — шкала времени навигационного космического аппарата 
ГЛОНАСС
AVL — Automatic Vehicle Location — Автоматизированная спутниковая навигационная система мониторинга автомобилей
BPSK — BiPhase Shift Keying — метод фазовой модуляции, 
при которой фаза несущего колебания меняется скачкообразно 
в зависимости от значения передаваемой двоичной цифры информационного сообщения
C/A — Clear Acquisition — дальномерный код свободного доступа в системе GPS
CDMA — Code Division Multiple Access — протокол передачи 
данных. Множественный доступ с кодовым разделением — технология радиосвязи, при которой каналы передачи имеют общую полосу частот, но разные ПСП
CF — Correlation Function — показатель корреляции
D-GPS — Differential Global Positioning System — дифференциальный GPS. Система повышенной точности позиционирования
DSSS — Direct sequence spread spectrum — метод модуляции широкополосного сигнала
EHF — Extremely high frequency (название диапазона частот радиоволн)
EPE — Estimated Position Error — ожидаемая ошибка позиции
FDMA — Frequency Division Multiple Access — множественный 
доступ с разделением каналов по частоте (протокол передачи данных)
GDOP — Geometric Dilution of Precision — геометрический фактор понижения точности
GPS — Global Positioning System — система глобального позиционирования (США)

GPST — GPS Time — время в системе GPS
GQ — Geometric Quality — величина, обратная HDOP
HDOP — Horizontal Dilution of Precision — горизонтальная составляющая геометрического фактора понижения точности
HF — High frequency (название диапазона частот радиоволн)
HOW — Hand-over word — информация, которая следует за словом TLM. Представляет собой ключ для распознавания спутника 
и идентификации поступающей информации, а также для формирования показаний счета времени
IRNSS — Indian Radio Navigation Satellite System (название региональной навигационной спутниковой системы (Индия))
LF — Low Frequency (название диапазона частот радиоволн)
MF — Medium frequency (название диапазона частот радиоволн)
NAVSTAR — Navigation System with Time and Ranging (второе название системы GPS)
NSC — Non Standard Code — нестандартный C/A-код
NSY — Non Standard Y — нестандартный Y-код
P-код — Protected (Precise) — дальномерный код повышенной 
точности в системе GPS. Закрыт для использования гражданскими 
потребителями
PDOP — Position Dilution Of Precision — геометрический фактор 
понижения точности
PPS — Precision Positioning Signal — навигационный сигнал высокой точности
PRN — Pseudo Random Number — псевдослучайная последовательность двоичных чисел
QZSS — Quasi Zenith Satellite System (название региональной 
навигационной спутниковой системы (Япония))
RT — Real Time — реальное время
SA — Selective Availability — режим «ограничения доступа», искусственно снижающий точность гражданского GPS
SHF — Super high frequency (название диапазона частот радиоволн)
SPS — Standard Positioning Signal — навигационный сигнал 
стандартной точности
TAI — Temps Atomique International, фр., International Atomic 
Time — международное атомное время, международный стандарт 
времени
TDOP — Time Dilution of Precision — влияние ошибки часов 
в бортовой шкале времени
THF — Tremendously high frequency (название диапазона частот 
радиоволн)

TLM — Telemetry word — первое слово каждого фрейма навигационного сообщения GPS. Содержит после довательность из восьми 
битов преамбулы (10001011), которая используется для синхронизации
UHF — Ultra high frequency (название диапазона частот радиоволн)
UTC — Temps Universel Coordonné фр., Universal Coordinated 
Time англ. — Всемирное координированное время
UTC(SU) — государственный эталон России Координированного всемирного времени (UTC+3)
VDOP — Vertical Dilution of Precision — вертикальная составляющая геометрического фактора понижения точности
VHF — Very high frequency (название диапазона частот радиоволн)
VLF — Very low frequency (название диапазона частот радиоволн)
W-код — секретный код для шифрования P-кода
WGS-84 — World Geodetic System — модель земного геоида 
в системе GPS, система геодезических координат
Y-код — зашифрованный P-код

Предисловие

Учебное пособие написано в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом по направлениям 
подготовки 23.04.03 «Эксплуатация транспортно-технологических 
машин и комплексов», направленность (профиль); «Синтез инфраструктуры телематики автотранспортного комплекса» и 38.03.02 
«Менеджмент», направленность (профиль) «Логистика и управление цепями поставок».
Авторы стремились последовательно и с необходимой детальностью изложить довольно широкий круг вопросов, касающихся 
глобальной спутниковой навигации и определения местоположения транспортных средств, давая таким образом студенту возможность достаточно глубоко изучить и освоить предлагаемый 
материал.
Изложение теоретического материала дополнено рассмотрением двух наиболее полно сформированных к настоящему времени 
систем глобальной навигации и позиционирования —  ГЛОНАСС 
и GPS. Особое внимание уделено пояснению физического содержания различных аспектов технологии глобального позиционирования и навигации, используемой на автомобильном транспорте.
Распределение материала по главам выполнено следующим образом. 
В первой главе содержится краткая история создания и развития 
спутниковых навигационных систем. Изложены основные идеи, 
реализованные в системах глобальной спутниковой навигации. 
Даны общие сведения о спутниковых навигационных системах 
ГЛОНАСС и GPS. 
Во второй главе описаны принципы навигационных определений местоположения объекта в глобальных навигационных системах, основанные на измерении расстояния от объекта до видимых 
над горизонтом спутников. Дан поэтапный метод вычисления местоположения объекта в географических координатах. Рассмотрены 
основные источники погрешностей определения местоположения 
объекта.
Третья глава содержит описание структуры сигналов и сообщений глобальных навигационных спутниковых систем. Описаны 
механизмы формирования дальномерных кодов, выделения дальномерных кодов в навигационном приемнике на фоне шума. Пока

зана энергетическая эффективность корреляционного принципа 
выделения полезных сигналов (дальномерного кода) на фоне помех. Пояснены структура навигационного сообщения, а также содержание альманаха и эфемеридной информации, передаваемые 
спутниками Глобальной спутниковой навигационной системы. 
Рассмотрены принципы работы бортовых квантовых стандартов 
частоты («атомных часов»).
Четвертая глава посвящена основным характеристикам и технологии формирования и обработки сигналов в системе GPS. Изложены методы формирования дальномерных кодов и навигационных сообщений GPS, даны их основные характеристики. Описаны 
три вида дальномерных кодов. Рассмотрены методы модуляции несущих частот L1 и L2 псевдокодами C/A и P.
Пятая глава посвящена основным характеристикам и технологии формирования и обработки сигналов в системе ГЛОНАСС.
Изложены концепция навигационных определений в системе, 
частотный план радиосигналов. Описаны навигационные сигналы 
и сообщения. Рассмотрена структура навигационного сообщения. 
Описаны методы формирования и использования меток времени 
в навигационных сообщениях.
При создании пособия авторы ориентировались на материалы 
из значительного количества отечественных и зарубежных источников, на которые даются ссылки в тексте. Поместив в книгу 
большое количество иллюстративного материала, авторы стремились сделать изложение материала максимально наглядным 
и доступным для понимания. При этом преследовалась еще одна 
методическая цель — сделать каждый из параграфов пособия максимально автономным, предоставляя таким образом читателю возможность изучить интересующий его вопрос с минимальным количеством отсылок на другие параграфы.
Целью курса является углубленное изучение теории спутниковой 
навигации, системы формирования и передачи навигационных 
сигналов и их использования для решения навигационных задач 
потребителями автомобильного транспорта.
Задачами курса являются изучение истории развития спутниковой навигации, основных принципов функционирования глобальной спутниковой навигации, технологии глобальной спутниковой навигации.
Для достижения целей и решения поставленных задач в пособии 
рассмотрены базовые положения и основы теории современных 
глобальных спутниковых систем (ГНСС) навигации и определения 

местоположения, а также основные современные алгоритмические 
и схемные решения навигации и определения местоположения 
применительно к отрасли автомобильного транспорта.
В результате изучения материала учебного пособия студент 
должен:
знать
 
• назначение, структуру и принцип действия глобальных спутниковых систем радионавигации ГЛОНАСС и GPS;
 
• принципы навигационных определений в глобальных спутниковых системах радионавигации ГЛОНАСС и GPS;
 
• структуру сигналов и сообщений глобальных спутниковых 
систем радионавигации ГЛОНАСС и GPS;
уметь
 
• использовать методы и средства глобальной спутниковой навигации при разработке перспективных технологических процессов автосервиса;
 
• применять методы и средства глобальной спутниковой навигации в логистических системах для слежения за цепями поставок и за местоположением транспортных средств, задействованных в логистических процессах;
 
• использовать технологии глобальной спутниковой навигации 
при решении практических задач автосервиса;
 
• применять технологии глобальной спутниковой навигации при 
решении практических задач транспортной логистики;
владеть
 
• навыками формирования технических требований к средствам 
спутниковой навигации, используемым в технологических процессах автосервиса;
 
• формирования технических требований к средствам спутниковой навигации, используемым для слежения за местоположением транспортных средств, задействованных в логистических 
процессах;
 
• оценки возможностей средств спутниковой навигации при решении задач контроля режимов движения автотранспортных 
средств.