Если кратко, то ни одометр на приборной панели, ни показания спутниковой навигации никогда не будут идеально точно отображать реальный пробег автомобиля. На этом можно было бы поставить точку, но задача измерения пробега автомобиля является важной не только для личного использования, но и для транспортных компаний и предприятий с автопарками, которые ведут учет эксплуатационных показателей своей техники. Пробег является одним из главных показателей состояния автомобиля, определяющий регламент проведения технического обслуживания, замену расходных материалов и запчастей, а также управление затратами на предприятии. В действительности для большинства этих задач корректнее использовать моточасы двигателя, но эта тема выходит за рамки данной статьи.

В настоящее время существует два основных метода измерения пробега автомобиля: механический или электронный одометры и системы спутниковой навигации, такие как GPS и ГЛОНАСС. Одометр — это традиционный прибор, который фиксирует пройденное расстояние автомобиля с помощью датчиков вращения колес или трансмиссии. Однако его точность зависит от множества факторов, таких как размер шин, давление в них и возможные нарушения в конструкции автомобиля. В то же время спутниковые системы навигации (ГНСС) предлагают альтернативный способ измерения пробега, который позволяет определить местоположение автомобиля и вычислить пройденное расстояние по данным его координат.

На первый взгляд, кажется, что навигация и одометр должны давать идентичные показания, но на практике постоянно возникают расхождения между этими методами. Эти расхождения могут варьироваться от незначительных до существенных в зависимости от условий эксплуатации автомобиля, плотности застройки, рельефа местности и технических характеристик навигационного оборудования. Например, в условиях горного рельефа или плотной городской застройки GPS-сигнал может теряться или получать многократные отражения от зданий, что приводит к ошибкам в показаниях. Одометр же, в свою очередь, зависит от технического состояния автомобиля, в частности от износа шин, и может завышать или занижать пройденное расстояние.

Цель цикла статей — рассмотреть причины расхождений между пробегом, зафиксированным одометром и данными спутниковых систем, а также предложить методы корректировки данных для повышения точности измерений. Мы также обсудим, как комбинация одометрических и навигационных данных может быть полезна для более точного контроля пробега, что имеет ключевое значение для повышения эффективности эксплуатации автопарка, улучшения контроля затрат и планирования технического обслуживания.

Механизм работы одометра

Пробег по одометру в автомобиле рассчитывается на основе данных о вращении колес или вращении в трансмиссии, которые фиксируются датчиками. Методы расчета пробега по одометру делятся на механические и электронные.

В механических одометрах расчет пробега осуществляется за счет соединения колес автомобиля с прибором через систему шестеренок и валов. При каждом обороте колеса передается определенное количество оборотов на шестерни одометра. Так как размер колеса известен, можно подсчитать пройденное расстояние, умножив количество оборотов на длину окружности колеса. Этот метод использовался в старых моделях автомобилей и практически не применяется в современных системах из-за ограниченной точности и надежности. Сейчас механические одометры можно встретить, например, у любителей велоезды.

В современных автомобилях пробег фиксируется с помощью датчика скорости, установленного на трансмиссии или приводных валах. Этот датчик, как правило, использует магнитный принцип и подсчитывает количество оборотов. Затем данные передаются в электронный блок управления (ЭБУ), где умножаются на длину окружности колеса для вычисления пробега.

В некоторых автомобилях пробег рассчитывается на основе данных от системы ABS (антиблокировочной системы), в которой на каждом колесе установлены датчики скорости вращения. Эти данные передаются в ЭБУ, который определяет общее пройденное расстояние. Использование данных от всех колес помогает компенсировать погрешности при движении по криволинейным участкам дороги или при пробуксовке колес, что особенно важно для автомобилей с полным приводом.

В качестве примера можно привести автомобиль Toyota Celica 7-го поколения, которые выпускались с 1999 по 2006 годы. Даже в рамках одной модели для разных рынков использовали различные способы фиксации скорости и пробега. Для машин внутреннего японского рынка (JDM, от англ. Japanese Domestic Market) использовались датчики ABS на передней ведущей оси, а для машин европейского рынка использовался датчик скорости в трансмиссии.

Основные причины погрешности:

1. Износ шин. С износом радиус колеса уменьшается, что влияет на точность одометра. Поэтому необходимо следить за состоянием шин автомобиля и вовремя их обновлять. Для контроля технических работ коммерческих автомобилей в платформе управления автопарком Waliot присутствует модуль технического обслуживания.

2. Изменение давления в шинах. Снижение давления увеличивает контактную площадь колеса, что может влиять на точность измерений. Платформа Waliot предлагает готовое решение для контроля давления в шинах в реальном времени с автоматическими уведомлениями водителю и диспетчеру.

3. Изменение размера колес при замене. Если установить шины и/или диски другого диаметра, данные одометра могут искажаться, поскольку система не учитывает размерные изменения без перекалибровки. Хотя это изменение может казаться незначительным, на современных автомобилях производители могут включать калибровочные коэффициенты для учета износа шин или установки колес другого размера.

Разберем пример на той же Toyota Celica. В официальном руководстве по эксплуатации автомобиля устанавливаемые с завода шины и диски были 205/55R15, где 205 - это ширина шины в мм, 55 - это отношение высоты профиля шины к ее ширине в процентах, а 15 - это диаметр диска в дюймах. Давайте посчитаем высоту боковины шины: 205 мм * 0.55 = 112.75 мм. И теперь диаметр всего колеса как сумма диаметра самого диска (его переводим из дюймов в миллиметры) плюс две высоты боковины: 15 * 25.4 + 2 * 112.75 = 606.5 мм. И наконец мы можем посчитать длину окружности такого колеса: 3.14159 * 606.5 = 1905 мм. Таким образом за один оборот штатных колес на этой машине одометр будет прибавлять 1.905 метра пробега.

Дополнительно в том же руководстве автомобиля есть допустимые к установке размеры шин и дисков. Самый большой из них 225/35R18. Посчитаем длину окружности колеса по аналогичным формулам. Высота боковины: 225 * 0.35 = 78.75 мм. Диаметр всего колеса: 18 * 25.4 + 2 * 78.75 = 614.7 мм. И пройденный путь за один оборот колеса: 3.14159 * 614.7 = 1931 мм. Получается, что при установке максимально допустимых по размеру колес одометр начинает занижать пробег на (1931 - 1905 ) / 1905 = 0.014 = 1.4% или 14 метров на 1 км пути. Здесь мы учитывали “идеальные колеса в вакууме”. На практике, если колеса будут еще и спущенные и изношенные, появится дополнительная погрешность в работе одометра. И это погрешность при разнице в диаметрах колес всего 614.7 - 606.5 = 8.2 мм!

Таким образом, пробег по одометру — это расчет, основанный на количестве оборотов колес (или вала), умноженным на длину окружности, с поправкой на факторы, которые могут повлиять на точность расчета.

Как работает спутниковая навигация

Системы спутниковой навигации, такие как ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США), работают на основе сигналов, отправляемых со спутников, которые находятся на орбите Земли. Основной принцип их работы заключается в определении текущего местоположения объекта с помощью данных от нескольких спутников, что позволяет рассчитывать координаты и перемещение в реальном времени. 

Вот как работают эти системы и их особенности для расчета пробега автомобиля.

1. Спутниковая сеть. Спутники GPS и ГЛОНАСС движутся по стабильным орбитам и посылают на Землю радиосигналы, которые содержат данные о времени и координатах спутника.

2. Принцип триангуляции. Навигационное устройство в автомобиле принимает сигналы от нескольких спутников одновременно. Сравнивая время отправки сигнала со временем его получения, устройство определяет расстояние до каждого спутника.

3. Расчет координат. На основе полученных данных устройство рассчитывает точные координаты своего местоположения. Этот процесс может повторяться несколько раз в секунду, что позволяет отслеживать перемещения и изменения направления автомобиля.

4. Расчет пробега. Система навигации определяет пробег, суммируя пройденное расстояние между последовательными координатами, что позволяет получить общую длину маршрута.

Особенности использования спутниковой навигации для расчета пробега:

1. Зависимость от окружающих условий. В открытых пространствах системы GPS и ГЛОНАСС дают высокую точность определения координат, что позволяет получить достаточно точные данные о пройденном расстоянии. В условиях плотной застройки, в туннелях, под мостами или в лесах сигнал может быть ослаблен или отсутствовать вовсе, что приводит к потере данных или ошибкам в их интерпретации. В городских условиях сигнал может отражаться от зданий, что создает эффект «многолучевости» — ситуации, когда сигнал от одного спутника поступает в навигационное устройство по нескольким путям с разной задержкой. Это приводит к ошибкам в расчете координат и искажает пробег. 

2. Качество аппаратной и программной частей ГНСС-приемника. Навигационные устройства часто используют алгоритмы сглаживания, чтобы улучшить качество данных при слабом сигнале. Это может привести к небольшим искажениям, особенно на поворотах или при резких изменениях направления. В большинстве потребительских GPS-устройств частота обновления составляет от 1 до 10 измерений в секунду. При высоких скоростях или резких изменениях траектории точность расчета может снижаться, поскольку данные обновляются не мгновенно. Чем более высококачественный GPS/ГЛОНАСС-приемник, тем меньше вероятность ошибок. Однако многие навигационные системы автомобилей используют приемники средней точности, что также может вносить искажения в пробег.

Таким образом, спутниковые системы дают высокую точность, но зависят от окружающих условий и качества самого оборудования. При этом спутниковые системы не требуют калибровки в зависимости от размера колес, их износа или давления в шинах. 

Реальный пробег автомобиля

С одометрическим и спутниковым пробегами разобрались. Но что же такое реальный пробег автомобиля? Технически, пробег автомобиля — это расстояние, которое проходит его центр масс. Именно движение центра масс автомобиля минимально подвержено отклонениям от реального пройденного пути, тогда как пробег отдельных колес может значительно отличаться. Центр масс автомобиля находится где-то посередине его конструкции и описывает траекторию, вокруг которой вращаются все элементы автомобиля. Этот показатель пробега является наиболее точным, так как измеряется как расстояние, пройденное по дороге и не зависит от поворотов и пробуксовок колес.

Отличия пробега отдельных колес от пробега центра масс:

1. На поворотах внешние колеса проходят большее расстояние, чем внутренние. Например, при повороте направо правые (внутренние) колеса пройдут меньшее расстояние, чем левые (внешние). Радиус поворота для внешних и внутренних колес будет отличаться, так что, в зависимости от интенсивности поворотов и траектории, разница в пробеге колес может накапливаться.

2. Пробуксовка и проскальзывание. При резком ускорении или торможении передние и задние колеса могут пробуксовывать или скользить. Это приводит к тому, что одно или несколько колес проходят большее расстояние. В условиях бездорожья пробуксовка может существенно увеличивать пробег, особенно у ведущих колес, что не отражает реальный путь, пройденный автомобилем.

3. Дифференциал и независимая подвеска. Система дифференциала позволяет колесам вращаться с разной скоростью на поворотах, что особенно важно для полного привода. Это помогает снижать износ шин и повышает проходимость автомобиля, но приводит к разнице в пробеге между колесами на каждой оси. Системы ABS и ESP используют показания датчиков скорости каждого колеса и независимо применяют тормозные усилия на каждое из них.

Насколько могут отличаться пробеги? В реальных условиях разница может составлять от нескольких процентов до нескольких десятков процентов в зависимости от стиля вождения и условий эксплуатации. При длительных поездках по прямой (например, на шоссе) пробеги колес будут очень близки к пробегу центра масс. В условиях городского движения, с частыми поворотами и остановками, особенно на небольших радиусах, пробег колес относительно центра масс может отличаться на несколько километров за поездку в зависимости от того, какие маневры выполняются чаще.

Теоретическая оценка погрешности

Расхождения между одометром и спутниковой навигацией действительно зависят от множества факторов, и их масштаб варьируется в зависимости от условий эксплуатации автомобиля. Ниже теоретическая оценка для двух разных случаев (седельный автопоезд на трассе и легковой автомобиль в городе) на основе личного опыта, который во многом совпадает с общепринятым мнение на эту тему.

Для крупногабаритных автомобилей, движущихся по трассе на высокой скорости с относительно стабильной траекторией, расхождения между одометром и GPS/ГЛОНАСС обычно минимальны. На ровной трассе при стабильном давлении в шинах и минимальных поворотах одометр может дать погрешность около 0,5-1% из-за износа шин и возможных изменений в их диаметре (например, при увеличении нагрузки). На 100 км это составит 0,5-1 км расхождения. Для спутниковых систем на открытой трассе погрешность также низкая, обычно не превышает 1%. На маршруте без многократных изгибов и пересечений погрешность составит примерно 0,5-1 км на 100 км. Однако временные потери сигнала, например, при проезде под мостами или через туннели, могут временно вносить дополнительные колебания, но они сглаживаются на длинной дистанции. В итоге общие расхождения в показаниях между одометром и GPS/ГЛОНАСС на 100 км могут составить до 1-2 км в сумме. Это менее 2%, что можно считать несущественным для целей учета пробега на трассовых маршрутах.

Городские условия существенно увеличивают погрешности как у одометра, так и у GPS, из-за частых поворотов, ускорений, торможений и возможных проскальзываний колес. При частых поворотах (например, на сложных перекрестках или развязках) внутренние и внешние колеса проходят разное расстояние. Это приводит к дополнительной погрешности, которая может достигать 1-3% на 100 км, что составляет 1-3 км расхождения. В условиях города GPS-сигнал часто отражается от зданий, а в плотной застройке и под деревьями возникают эффекты многолучевости. Системы навигации могут терять сигнал и восполнять пробелы сглаживанием данных, что тоже добавляет погрешность. В городе погрешность может доходить до 3-5% на 100 км, то есть до 5 км расхождения, особенно если автомобиль часто оказывается в зонах с плохим сигналом. В итоге для легкового автомобиля в городе совокупные расхождения на 100 км между одометром и ГНСС могут составить до 5-8 км. 

Получается, что в условиях трассы расхождения будут минимальны и редко превысят 1-2%, что можно считать допустимым. В условиях города, особенно на коротких участках и при частых остановках, погрешности могут достигать 5-8%, что является более значительным отклонением. Дополнительно для южной и юго-западной частей России обязательно стоит учитывать применение радиоэлектронной борьбы (РЭБ) и глушение спутникового сигнала, которые накладывают существенную погрешность в работу ГНСС в этих зонах.

Методика расчета реальной погрешности

На своей практике я сталкивался с компаниями, которые просили доказательств погрешности штатного одометра и точности работы спутниковой навигации. Чаще всего это были вопросы от бухгалтерии, требующей путевые листы и платежные ведомости с идеальными значениями как на "приборке" без каких-либо отклонений. В качестве доказательства можно предложить простой эксперимент, который покажет различия между показаниями одометра, ГЛОНАСС и реальным пройденным расстоянием. 

1. Экспериментальный маршрут

Выберите маршрут длиной 10-20 км для городской поездки и аналогичный для трассовой поездки, чтобы сравнить влияние разных условий. В городских условиях маршрут должен включать несколько поворотов, остановок и различных скоростных режимов (пробки, светофоры и свободные улицы). В случае трассы выберите ровный, прямой участок с минимальными перекрытиями. Тестовый маршрут должен быть максимально близок к реальным условиям эксплуатации ТС.

2. Сбор данных

Запишите начальные и конечные показания одометра и/или используйте возможность расчета пробега текущей поездки (функция "Trip"). Это покажет пробег, рассчитанный внутренней системой автомобиля. Включите навигационное устройство, чтобы оно фиксировало данные о движении и отправляло их на телематических сервер системы мониторинга транспорта (СМТ). Убедись, что устройство корректно установлено и настроено, а также хорошо ловит спутниковый сигнал.

3. Измерение реального расстояния

Используйте спутниковую карту высокого разрешения или специализированные приложения (например, Яндекс.Карты с ручной разметкой маршрута). Проведите маршрут на карте и измерьте его расстояние вручную, используя точные географические точки старта и финиша. Дополнительно можно использовать километровые указатели (столбы) на трассе, но стоит учитывать, что точность таких указателей обычно находится в пределах погрешности от 0,1 до 0,5%.

4. Расчет погрешности

После завершения эксперимента и сбора всех данных рассчитайте процентную погрешность для каждого способа измерения пробега относительно измеренного маршрута:

* Погрешность одометра = (Пробег по одометру - Реальное расстояние) / Реальное расстояние * 100%

* Погрешность ГЛОНАСС = (Пробег по ГЛОНАСС - Реальное расстояние) / Реальное расстояние * 100%

Эти расчеты дадут четкую картину того, как сильно данные одометра и ГЛОНАСС отличаются от реального пройденного расстояния в городских и трассовых условиях. Получение таких практических данных наглядно покажет различия между одометром и навигацией и их зависимости от условий движения.

При проведении некоторого количества таких точечных замеров, мы будем понемногу приближаться примерно к тем же цифрам погрешностей, которые указывались ранее в этой статье и считаются общепринятыми. Но для большинства таких доказательств недостаточно, и я могу с этим согласиться! Поэтому в следующей статье мы перейдем к анализу на реальных данных из платформы управления автопарком Валиот.