Главная передача заднего моста ВАЗ-2101:
1 – фланец карданного вала;
2 – сальник;
3 – маслоотражательное кольцо;
4 – передний подшипник ведущей шестерни;
5 – задний подшипник ведущей шестерни;
6 – регулировочное кольцо;
7 – опорное кольцо шестерни полуоси;
8 – шестерня полуоси;

Существует простая формула, отражающая связь между частотами вращения коробки дифференциала и полуосевых шестерен. Если через а1 и а2 обозначить частоты вращения полуосевых шестерен, а через а — частоту вращения коробки дифференциала, то: а = (а1+а2)/2. Формула показывает, что если одно из колес автомобиля неподвижно, то другое колесо вращается с удвоенной частотой. Если одно из двух ведущих колес попадает на скользкую поверхность дороги (мокрый асфальт, масляные пятна, лед), сопротивление его вращению резко падает, уменьшается и сцепление с дорогой, а значит, колесо не в состоянии иметь необходимую силу тяги. Такое колесо начнет быстрее вращаться и пробуксовывать. К другому ведущему колесу, имеющему достаточное сцепление с дорогой, будет подводиться такой же крутящий момент, как и к буксующему. Имея возможность образовать большую силу тяги, второе колесо не сможет этого сделать потому, что дифференциал передаст ему только половину крутящего момента от главной передачи. Если сопротивление движению автомобиля превысит силу тяги у небуксующего колеса, то машина не сможет двигаться. Частота вращения буксующего колеса резко возрастет, а второе колесо остановится. Возникнет буксование автомобиля. Попытка водителя повысить силу тяги на колесах за счет увеличения подачи топлива приведет только к увеличению частоты вращения одного из колес. В такой ситуации проявляется существенный недостаток обычного дифференциала, снижающего проходимость автомобиля как на скользких дорогах, так и на грунтах, оказывающих большое сопротивление качению колес (пeсок, снег, распутица). 

Принудительная блокировка

На автомобилях, предназначенных для движения по бездорожью, приходится устанавливать дифференциалы специальных конструкций. Блокировки Часто применяют дифференциалы с принудительной блокировкой. В них водитель с помощью специального привода (чаще всего пневматического) останавливает на время вращение сателлитов, и колeca автомобиля начинают вращаться с одинаковой скоростью. Следует учесть, что автомобиль с заблокированным дифференциалом на извилистой дороге расходует больше топлива и у него происходит интенсивный износ шин. Как только взаимный поворот колес на общей оси с заблокированным дифференциалом будет больше, чем это допускает упругая деформация шин, произойдет буксование колес, продолжающееся до тех пор, пока какое-либо колесо на неровности не оторвется от дороги. Это говорит о том, что водитель не должен забывать выключать блокировку дифференциала после преодоления тяжелого участка. В ряде конструкций предусмотрена его автоматическая разблокировка или ограничение возможности включения блокировки по скорости.

Самоблокирующиеся дифференциалы

Для упрощения процесса управления применяются так называемые самоблокирующиеся дифференциалы. В настоящее время, в основном, используют четыре вида блокировок: дисковая (фрикционная, повышенного трения, LSD), вязкостная (вискомуфты) и винтовая (червячная). В самых современных разработках используются электронные системы контроля проскальзывания колес, основанные на применении датчиков вращения и использовании штатных тормозов (как правило, эти системы совмещаются с антиблокировочными и противопробуксовочными).

Дисковая блокировка

Существуют две наиболее характерные конструкции дифференциалов с фрикционными муфтами. В первом применяют одну, во втором — две муфты. В первом случае фрикционная дисковая муфта 1 введена между одной из полуосей и коробкой дифференциала. Бронзовые диски установлены в шлицах гильзы 2, связанной с коробкой дифференциала, стальные диски сидят на шлицах полуоси 3. Диски прижимаются друг к другу пружинами 4. Когда оба колеса испытывают одинаковое сопротивление, весь дифференциал вращается как одно целое и трение в муфте 1 отсутствует.

Вторая конструкция представляет из себя дифференциал повышенного трения с двойными фрикционными муфтами, получивший широкое распространение на американских автомобилях. В этой конструкции крестовина заменена двумя отдельными, пересекающимися под прямым углом осями 5 сателлитов 6. Оси 5 имеют возможность перемещаться одна относительно другой как в осевом, так и в угловом направлении, для чего их концы имеют скосы соответственно А и Б, которыми они опираются на коробку 9 дифференциала. Кроме того, в дифференциал введены промежуточные чашки 7, так же как и полуосевые шестерни, надетые на шлицы полуосей. При невращающихся сателлитах усилие к полуосям передается как и в простом дифференциале. При вращении сателлитов последние будут сдвигать концевые скосы осей 5 так, что усилие на фрикционную муфту 8, передаваемое через чашку 7, будет увеличиваться для отстающей полуоси и уменьшаться для оси, вращающейся быстрее. При этом величина подтормаживающего момента не будет постоянной, как в дифференциале с одной дисковой муфтой, а будет пропорциональна моменту, передаваемому колесами. 

Для нормальной работы такого дифференциала требуется использование специального трансмиссионного масла для LSD или соответствующих присадок к обычному маслу. Кроме того, со временем возникает необходимость регулировки из-за износа дисков.

Вязкостная блокировка

Принцип ее действия такой же, как у дисковой. Гидравлическая муфта состоит из большого числа дисков с липкими рабочими поверхностями. Благодаря свойствам особой вязкой жидкости на силиконовой основе отвердевать при нагреве диски передают крутящий момент в зависимости от разности частот вращения входных и выходных валов. Нагрев происходит, когда одна полуось начинает вращаться быстрее другой. Характерной особенностью конструкции является то, что в случае длительного буксования колес блокирующая муфта с вязкой жидкостью работает вначале мягко, а затем происходит значительный рост эффективности блокировки. В затвердевшем силиконе диски получают жесткое зацепление и полуоси блокируются. Вискомуфты не требуют обслуживания и считаются весьма надежными, однако для их продолжительной работы необходимо сохранение полной герметичности устройства. 

Винтовая блокировка

Принцип ее действия таков: в обычном режиме винты (или червяки, как их называют из-за характерной формы) свободно обкатываются вокруг центральной шестерни. В случае изменения момента винты проскальзывают в крайнее положение и фиксируются в эксцентричных пазах. Когда момент выравнивается, винты возвращаются в исходное положение. Момент срабатывания винтовых блокировок определяется профилем винтов. Такие дифференциалы мало подвержены износу (срок службы сопоставим со сроком коробки или классического дифференциала), а масло используется обычное трансмиссионное.

Кулачковая блокировка

Такая блокировка срабатывает при возникновении разности в скоростях вращения колес. Рассмотрим пример реализации дифференциала от компании Tractech. В корпусе дифференциала между парами корончатых шестерен установлены поворотные кулачки. В обычных условиях они не участвуют в работе, но, как только одно их колес начинает пробуксовывать (т.е., вращаться существено быстрее другого), кулачки поворачиваются и пары шестерен входят в зацепление, обеспечивая тем самым полную блокировку. Блокировка выключается, когда буксующее колесо прекратит проскальзывание. Этот тип дифференциалов также довольно долговечен и не требует специальных масел.

Особенности управления

Управление автомобилем, оборудованным самоблокирующимся межколесным дифференциалом имеет некоторые особенности. В частности, автомобиль в повороте на скользком покрытии может обладать избыточной поворачиваемостью, при слишком интенсивном разгоне на смешанном покрытии возможен увод в сторону от предполагаемой траектории и т.д. Особенно это касается разработок, предлагаемых в качестве дополнительного оборудования третьими фирмами. Однако грамотное использование свойств таких дифференциалов позволяет уверенно перемещаться в сложных дорожных условиях, и существенно повышает проходимость вне дорог. 

Межосевой дифференциал и его блокировки

Однако, в условиях внедорожного движения автомобиль может лишиться подвижности в тот момент, когда колеса одного из мостов потеряют сцепление с дорогой и начнут буксовать. В такой ситуации дифференциал обычного типа будет не в состоянии передать требуемую для движения величину крутящего момента задним колесам, опирающимся на твердый грунт. Для избежания этого на внедорожниках устанавливают межосевые дифференциалы с принудительной блокировкой. Примером подобного конструктивного решения может служить «Нива» ВА3-2121, оснащенная раздаточной коробкой с принудительно блокируемым межосевым дифференциалом. 

Блокировкой пользуется водитель автомобиля для преодоления труднопроходимого участка дороги. При возвращении на шоссе межосевой дифференциал необходимо разблокировать. В современных конструкциях, кроме механического, применяются и другие приводы (пневматический, гидравлический, электрический), при этом сам процесс включения сводится к простому нажатию кнопки на панели. 

Следующим шагом стало появление самоблокирующихся межосевых дифференциалов. Принципы их работы сходны с межколесными, но условия и задачи несколько другие. Так, при поворотах машины забегающим относительно корпуса дифференциала всегда будет вал, передающий момент на управляемую ось, что определяется кинематикой поворота машины с колесной формулой 4х4. Исходя из этого, при забегании приводного вала управляемого моста коэффициент блокировки желательно иметь невысоким, а при забегании (буксовании) неуправляемого моста — несколько большим. Такой дифференциал называют самоблокирующимся с несимметричными блокирующими свойствами.

В настоящее время на легковых внедорожниках широко используются межосевые дифференциалы с автоматической блокировкой с помощью гидравлической муфты с вязкой жидкостью. Они обеспечивают оптимальную силу тяги во всех условиях движения, в связи с чем отпадает необходимость в принудительной блокировке. Есть у них и другие преимущества. Этот узел предохраняет трансмиссию от перегрузки, которая может возникнуть, например, при внезапном ударе колеса.Дифференциал, автоматически блокирующийся гидравлической муфтой с вязкой жидкостью, чутко реагирует на состояние дорожной поверхности и обеспечивает более равномерную скорость автомобиля, а также уменьшает вероятность его застревания. При торможении межосевой дифференциал такого типа предотвращает блокировку колеса одного моста относительно колеса другого, приводящую к потере устойчивости. К тому же перераспределение избыточной тормозной силы с одной пары колес на другую значительно сокращает тормозной путь и сохраняет полный контроль над машиной.

Рассмотрим, как работает автоматически блокируемый межосевой дифференциал фирмы GKN с гидравлической муфтой. Изменение момента трения в ней рассчитано так, чтобы при маневрировании на поверхности с хорошими сцепными свойствами ( асфальт, бетон и т.д.) имелся малый момент трения между выходными валами. С ростом разности частот их вращения трение между звеньями муфты значительно возрастает. Блокировка с помощью муфты с вязкой жидкостью происходит точно в соответствии с распределением крутящего момента в межосевом дифференциале.

Испытания подтвердили, что распределение моментов между передними и задними колесами обеспечивает почти нейтральную поворачиваемость автомобиля. По легкости вождения и безопасности полноприводные автомобили с таким приводом превосходят даже переднеприводные легковые автомобили. Однако, при всех достоинствах такого рода блокировки, необходимо отметить, что фактическое включение блокировки после начала пробуксовки колес, характерное для вискомуфты, существенно снижает шансы на успешное преодоление серьезных внедорожных препятствий в виде слабого грунта, грязи или снега, поскольку буксующее колесо способно быстро зарываться. В результате возможностей автомобиля даже с заблокированным межосевым дифференциалом может оказаться недостаточно для самостоятельного выезда. 

Подключаемый передний мост

Очень многие производители внедорожников используют схему с подключаемым передним мостом (так называемый part time 4WD). В этом случае межосевой дифференциал, как правило, отсутствует, и в режиме полного привода между мостами устанавливается жесткая кинематическая связь. Производители рекомендуют подключать передний мост только в сложных дорожных условиях, когда колеса склонны к пробуксовке. Продолжительное движение в таком режиме по дорогам с твердой поверхностью вызывает повышенный износ шин и трансмиссии (в частности, в раздатках с цепной передачей перегружается цепь), повышенный расход топлива, а также ухудшает управляемость на высоких скоростях. Для избежания этих отрицательных последствий многие контрукции предусматривают не только отключение переднего моста, но и отсоединение передних колес от полуосей. Для этого применяются колесные хабы (муфты свободного хода), которые могут быть автоматическими и ручными, рассоединение полуосей при помощи электрического или пневматического привода и т.д.

Разъяснение 1-дифференциального GPS

Разъяснение дифференциальной системы GPS

Методы дифференциальной коррекции используются для повышения качества данных о местоположении, собранных с помощью приемников глобальной системы позиционирования (GPS). Дифференциальная коррекция может применяться в реальном времени непосредственно в полевых условиях или при постобработке данных в офисе. Хотя оба метода основаны на одних и тех же основных принципах, каждый обращается к разным источникам данных и обеспечивает разный уровень точности.Сочетание обоих методов обеспечивает гибкость во время сбора данных и улучшает целостность данных.

Что такое GPS?

GPS — это спутниковая система определения местоположения, эксплуатируемая Министерством обороны США (DoD). GPS включает три сегмента: пространство, контроль и пользователь. Космический сегмент включает 24 действующих спутника NAVSTAR, которые обращаются вокруг Земли каждые 12 часов на высоте около 20 200 километров. Каждый спутник содержит несколько высокоточных атомных часов и постоянно передает радиосигналы с использованием уникального идентификационного кода.

Одна главная станция управления, пять станций мониторинга и наземные антенны составляют сегмент управления. Станции мониторинга непрерывно пассивно отслеживают каждый спутник и передают эти данные на главную станцию ​​управления. Главный пульт управления рассчитывает любые изменения положения и времени каждого спутника. Эти изменения передаются на наземные антенны и передаются на каждый спутник ежедневно. Это гарантирует, что каждый спутник передает точную информацию о своем орбитальном пути.

Пользовательский сегмент, состоящий как из гражданских, так и из военных пользователей по всему миру, принимает сигналы, отправляемые со спутников NAVSTAR с помощью приемников GPS. Приемник GPS использует эти сигналы для определения местоположения спутников. Имея эти данные и информацию, хранящуюся внутри, приемник может рассчитать свое собственное положение на Земле. Эта информация о местоположении может использоваться во многих приложениях, таких как картография, геодезия, навигация и мобильная ГИС.

Возможности GPS для ГИС

GPS — отличный инструмент для сбора данных для создания и поддержки ГИС.Он обеспечивает точное положение точечных, линейных и полигональных объектов. Проверяя местоположение ранее записанных участков, GPS можно использовать для проверки, обслуживания и обновления данных ГИС. GPS предоставляет отличный инструмент для проверки функций, обновления атрибутов и сбора новых функций.

Мобильная ГИС обеспечивает доступ к корпоративной ГИС в полевых условиях. Поскольку GPS предоставляет точную информацию о местоположении в поле, он является важным компонентом мобильной ГИС. Полевым инспекторам, ремонтным бригадам, обслуживающим бригадам и аварийным работникам необходим своевременный доступ к корпоративным данным ГИС, чтобы они могли принимать обоснованные решения.Чтобы облегчить поток информации на места и обратно, в мобильных ГИС-решениях используются достижения в области беспроводных технологий и Интернета. С помощью мобильной ГИС данные напрямую доступны для полевого персонала, когда и где это необходимо.

Как работает GPS

Приемник GPS должен получать сигналы как минимум от четырех спутников, чтобы надежно вычислить трехмерное положение. В идеале эти спутники должны быть распределены по небу. Приемник выполняет математические вычисления для определения расстояния до спутника, которое, в свою очередь, используется для определения его местоположения.Приемник GPS знает, где находится каждый спутник, в момент измерения расстояния до него. Это положение отображается в регистраторе данных и сохраняется вместе с любой другой описательной информацией, вводимой в полевое программное обеспечение.

Некоторые ограничения

GPS может предоставлять трехмерные координаты по всему миру 24 часа в сутки в любую погоду. Однако у системы есть некоторые ограничения. Между антенной GPS и четырьмя или более спутниками должна быть относительно чистая «линия видимости».Объекты, такие как здания, путепроводы и другие препятствия, которые защищают антенну от спутника, могут потенциально ослабить сигнал спутника, так что становится слишком сложно обеспечить надежное позиционирование. Эти трудности особенно распространены в городских районах. Сигнал GPS может отражаться от близлежащих объектов, вызывая другую проблему, называемую помехами из-за многолучевого распространения.

В чем разница?

До 2000 года гражданским пользователям приходилось бороться с избирательной доступностью (SA).Министерство обороны намеренно внесло случайные ошибки синхронизации в спутниковые сигналы, чтобы ограничить эффективность GPS и ее возможное неправильное использование противниками Соединенных Штатов. Эти временные ошибки могут повлиять на точность показаний на целых 100 метров.

После удаления SA один GPS-приемник любого производителя может достичь точности около 10 метров. Для достижения точности, необходимой для качественных записей ГИС — от одного-двух метров до нескольких сантиметров — требуется дифференциальная коррекция данных.Большинство данных, собранных с помощью GPS для ГИС, дифференциально корректируются для повышения точности.

Основная предпосылка дифференциальной GPS (DGPS) заключается в том, что любые два приемника, которые находятся относительно близко друг к другу, будут испытывать одинаковые атмосферные ошибки. DGPS требует, чтобы приемник GPS был установлен в точно известном месте. Этот GPS-приемник является базовой или опорной станцией. Приемник базовой станции вычисляет свое местоположение на основе спутниковых сигналов и сравнивает это местоположение с известным местоположением.Разница применяется к данным GPS, записанным вторым приемником GPS, который известен как передвижной приемник. Скорректированная информация может быть применена к данным от передвижного приемника в реальном времени в полевых условиях с использованием радиосигналов или посредством постобработки после захвата данных с использованием специального программного обеспечения для обработки.

DGPS в реальном времени

DGPS в реальном времени возникает, когда базовая станция вычисляет и передает поправки для каждого спутника по мере получения данных.Поправка принимается передвижным приемником через радиосигнал, если источник находится на суше, или через спутниковый сигнал, если он основан на спутнике и применяется к вычисляемому местоположению. В результате положение, отображаемое и записанное в файл данных передвижного GPS-приемника, является дифференциально скорректированным положением.

Продолжение на стр.2

Разъяснение по 2-дифференциальному GPS

Разъяснение по дифференциальной системе GPS

Радиотехническая комиссия для морских служб (RTCM), некоммерческая научно-образовательная организация, которая обслуживает все аспекты морской радиосвязи, радионавигации и связанных технологий, определила протокол дифференциальных данных для ретрансляции сообщений поправки GPS от базовой станции к полевой пользователь. Его рекомендации по формату Специального комитета 104 (RTCM SC-104) определяют формат сообщения исправления. Каждое сообщение коррекции включает данные о местоположении и состоянии станции, состоянии спутниковой группировки и коррекции, которую необходимо применить.Использование дифференциальных поправок в реальном времени позволяет осуществлять навигацию с точностью до одного-двух метров от любого местоположения в зависимости от услуги и приемника GPS.

Спутниковая дифференциальная служба

Другой метод получения данных дифференциальной поправки в реальном времени в полевых условиях — использование геостационарных спутников. Эта система получает поправки от более чем одной опорной станции. Базовые станции собирают данные GPS базовой станции и передают эти данные в формате RTCM SC-104 в центр управления сетью, который отправляет информацию на геостационарный спутник для проверки.Подтвержденная информация отправляется передвижному GPS-приемнику, чтобы гарантировать, что он получает GPS-координаты в режиме реального времени.

Wide Area Augmentation System, или WAAS, разрабатывается Федеральным управлением гражданской авиации (FAA) для обеспечения точного наведения на воздушные суда в аэропортах и ​​взлетно-посадочных полосах, которые в настоящее время не имеют этих возможностей, с использованием системы спутников и наземных станций, которые обеспечивают корректировку сигнала GPS. . Хотя он еще не одобрен для использования в авиации, он доступен для гражданских пользователей.WAAS транслируется с геостационарных спутников, поэтому сигнал часто доступен в областях, где другие источники DGPS недоступны. Два коммерческих поставщика спутниковых дифференциальных услуг, Thales Survey LandStar (ранее Racal LandStar) и OmniSTAR Inc., используют концентратор управления, где данные опорных станций проверяются, форматируются и загружаются на геостационарный спутник для ретрансляции подписчикам.

DGPS работают во многих частях мира. Эти станции — часть большой сети, охватывающей прибрежные районы, судоходные реки и, в последнее время, внутренние сельскохозяйственные районы — используются для морского судоходства.Однако эти радиомаяки имеют дальность действия в несколько сотен километров вглубь суши и могут обеспечивать бесплатную дифференциальную точность в реальном времени в пределах одного метра, в зависимости от приемника GPS и расстояния от радиомаяка.

Обработка данных в реальном времени

Некоторые производители GPS предоставляют программное обеспечение, которое может исправлять данные GPS, собранные в реальном времени. Это важно для целостности данных ГИС. При сборе данных в реальном времени прямая видимость спутников может быть заблокирована, или спутник может находиться настолько низко над горизонтом, что дает только слабый сигнал, что вызывает скачки данных.Повторная обработка данных в реальном времени устраняет эти всплески и позволяет сделать данные в реальном времени, которые использовались в полевых условиях для целей навигации или просмотра, более надежными, прежде чем они будут добавлены в ГИС.

Коррекция постобработки

Для дифференциальной коррекции данных GPS с помощью постобработки используется базовый приемник GPS, который регистрирует положения в известном местоположении, и приемник GPS подвижного приемника, который собирает данные о местоположении в поле. Файлы с базы и ровера передаются в офисное программное обеспечение, которое вычисляет исправленные положения для файла ровера.Полученный исправленный файл можно просмотреть или экспортировать в ГИС.

В настоящее время по всему миру работает множество постоянных базовых станций GPS, которые предоставляют данные, необходимые для дифференциальной коррекции GPS. В зависимости от технологии, предпочитаемой владельцем базовой станции, эти данные могут быть загружены из Интернета или через систему досок объявлений (BBS). Поскольку данные базовой станции согласованы (то есть без пропусков из-за ошибок из-за многолучевого распространения) и очень надежны, поскольку базовые станции обычно работают 24 часа, семь дней в неделю, они идеально подходят для многих ГИС и картографических приложений.Источники данных базовых станций для постобработки делятся на четыре категории: общедоступные источники, коммерческие источники, веб-службы и владельцы базовых станций. Перед покупкой GPS-приемника лучше всего определить источник данных базовой станции.

Открытые источники — Правительственные агентства по всему миру собирают и хранят базовые данные. Однако законы, касающиеся публичного доступа к правительственным данным, различаются от страны к стране, а также от государственных органов одной страны.У агентств, которые собирают дифференциальные данные, есть законные опасения, такие как юридическая ответственность и возмещение затрат, которые влияют на решения, касающиеся предоставления этих данных общественности.

Коммерческие источники —Некоторые консалтинговые фирмы и университеты собирают базовые данные. Как правило, эти данные можно приобрести по почасовой или дневной цене. Информацию об этих услугах можно найти в Интернете, позвонив местным дистрибьюторам базовых станций или поговорив с местным торговым представителем GPS.Часто это самый экономичный способ получения данных для постобработки.

Веб-службы —Это простой и экономичный способ обработки данных GPS. Данные GPS отправляются в службу с указанием некоторых критериев обработки. Данные GPS обрабатываются и возвращаются. Этот подход отлично подходит для использования с большими полевыми бригадами или когда нет времени обучать пользователей GPS методам обработки и требованиям.

Владение базовой станцией — Это наиболее гибкий способ получения базовых данных для постобработки, но он требует дополнительных затрат на настройку, поскольку необходимо приобрести два GPS-приемника и управлять ими.Если собираются большие объемы данных, инвестиции часто окупаются.

Сводка

Для достижения уровня точности от одного до 10 метров необходима дифференциальная коррекция. В настоящее время для обеспечения точности данных используются три основных метода: дифференциальная коррекция в реальном времени, повторная обработка данных в реальном времени и постобработка. Каждый метод обеспечивает одинаковый уровень точности, поэтому решение о том, какой метод подходит, будет зависеть от таких факторов, как спецификации проекта, конечное использование данных и источники, доступные для дифференциальной коррекции.

Для получения дополнительной информации о GPS и ГИС см. Интеграция ГИС и глобальной системы позиционирования. Эта книга Карен Стид-Терри опубликована Esri Press и доступна на сайте www.esri.com/shop.

Как работает DGPS (дифференциальный GPS)?

DGPS (дифференциальный GPS) — это, по сути, система для обеспечения позиционных поправок к сигналам GPS. DGPS использует фиксированное известное положение для корректировки сигналов GPS в реальном времени для устранения ошибок псевдодальности.

Важно отметить, что поправки DGPS улучшают точность данных положения только . DGPS не влияет на результаты, основанные на данных скорости, например, на результаты остановки торможением.

Что такое ошибки псевдодальности?

GPS-сигналы, поступающие со спутников на землю, должны проходить через слои земной атмосферы, поэтому они подвержены задержкам. Это влияет на время прохождения сигнала от любого заданного спутника до приемника GPS, что вносит небольшую ошибку в механизм GPS, вызывая ошибку в измеренном положении.

Итак, что на самом деле вызывает эти задержки сигнала? Во-первых, сигналы должны проходить через ионосферу, то есть внешние границы атмосферы. Эта часть атмосферы подвергается воздействию солнечного излучения, которое заставляет частицы разделяться и становиться положительно заряженными. Этот слой атмосферы оказывает наибольшее влияние на проходящие через него электромагнитные сигналы, которые, конечно же, включают радиосигналы, идущие со спутников.

Ионосфера добавит относительно большую задержку, фактическое количество зависит от местоположения приемника, местоположения спутника, времени суток, активности солнечных вспышек и т. Д.Многие из этих факторов оцениваются и учитываются, что в таком случае соответствует задержке прохождения сигнала до 16 нс — обратите внимание, что это приблизительная цифра, которая постоянно меняется. Это может привести к ошибке захваченного местоположения до 5 м.

Второй слой, через который проходят сигналы GPS, — это тропосфера. Это «погодный» раздел атмосферы, поэтому он включает такие условия, как облака, дождь и молнии. Это добавляет намного меньшую задержку к сигналу до 1.5 нс, что может привести к позиционной ошибке до 0,5 м.

Эти задержки представляют собой случайные задержки, которые меняются. Таким образом, невозможно точно измерить, какими они будут в любой момент времени. Каждая задержка также индивидуальна для каждого отдельного спутника, поскольку они расположены в разных частях мира, поэтому их сигналы будут подвергаться различным атмосферным условиям.

На этом изображении показано, как задержка во времени от спутника до антенны GPS может повлиять на записанные данные о местоположении.Красный кружок показывает ошибку дальности для одного спутника, вызванную атмосферными условиями.

Коррекция задержки сигнала

Статическая базовая станция

Статическая базовая станция может использоваться для предоставления сообщений коррекции задержек сигналов. Для этого нужно установить базовую станцию ​​в заданную точку на земле, а затем определить ее точное положение на поверхности земли. Для этого нужно оставить запись GPS как можно дольше.В течение времени, когда базовая станция собирает данные, ионосфера и тропосфера изменяются, вызывая случайное изменение задержек сигналов. Поскольку задержки подвержены случайным изменениям, их можно усреднить.

На этом изображении показан пример 24-часового позиционного графика GPS. Если из этого зарегистрированного файла берется среднее значение, это обеспечивает очень точное измерение абсолютного положения базовой станции DGPS, устраняя большинство ошибок.

Большинство профессиональных устройств VBOX могут достичь абсолютной точности позиционирования ± 80 см при использовании статической базовой станции. Устройства VBOX с поддержкой RTK могут достигать точности до ± 2 см при использовании статической базовой станции.

Геостационарные спутники

SBAS (Космическая система дополнения)

Еще одна форма коррекции сигнала — использование сигналов геостационарных спутников. Эти спутники находятся на заданном расстоянии от экватора Земли и следуют направлению вращения Земли. Если смотреть с земли, кажется, что объекты на геостационарной орбите остаются в фиксированном положении в небе.

Сеть базовых станций на земле отправляет данные на центральный компьютер, который вычисляет текущие ошибки позиционирования в данной области. Эта информация отправляется на геостационарный спутник, а затем передается обратно на приемники GPS. Текущее смещение коррекции может быть вычислено на основе положения приемника.

Хотя это не увеличивает уровень точности позиционирования в такой степени, как использование статической базовой станции, которая ведет долгосрочный стационарный журнал, для этого не требуется никакой настройки, поэтому его можно быстро и легко использовать в любом месте.

Большинство профессиональных устройств VBOX могут достигать абсолютной точности позиционирования ± 1 м при использовании сообщений коррекции от геостационарных спутников.

Общее название этих систем — SBAS, что расшифровывается как Space Based Augmentation System. Региональные системы называются:

США

WAAS (Широкозонная система расширения).

Европа

EGNOS (Европейская геостационарная навигационная служба).

Япония

MSAS (Многофункциональная спутниковая система дополнения).

Индия

ГАГАН (гео-расширенная навигационная система).

Как мы используем эту информацию?

Теперь мы знаем точное положение базовой станции на Земле, а также точное положение спутника (их точное положение постоянно передается в прямом эфире), теперь у нас есть две известные точки.

Это означает, что мы можем точно рассчитать, каким должно быть расстояние между этими двумя точками.

«Настоящий» сигнал (показан красным), прошедший через ионосферу и тропосферу, будет задержан на случайную величину. «Теоретический» сигнал (показан серым) должен быть на меньшем расстоянии. Вычитание двух дает вам поправку, которая может быть применена к этому конкретному спутнику.

Дифференциальный GPS — это разница между «реальным» измерением расстояния и «теоретическим» расстоянием.

Для каждого спутника сигнал коррекции может быть отправлен на приемник GPS, который будет применять эту коррекцию к каждому производимому измерению, что компенсирует большой процент различных ошибок псевдодальности для каждого сигнала спутника.Это работает только потому, что приемник находится близко к базовой станции, поэтому сигналы к обоим устройствам будут проходить через одни и те же части атмосферы.

Какая разница?

Абсолютное и относительное положение

Абсолютная точность позиционирования основана на положении WGS84 на Земле, в то время как относительное положение определяется точностью между точками выборки зарегистрированных данных.Захваченная относительная точность позиционирования всегда будет выше, поскольку атмосферные условия, которые задерживают сигналы, не изменяют состояние быстро, чтобы воздействовать или перемещать зарегистрированные образцы относительно друг друга.

Дополнительная информация здесь об абсолютном и относительном позиционировании.

Несколько частот

Другой способ измерения ошибок, вызванных слоями атмосферы, — это посылка двух сигналов на Землю от каждого спутника на двух разных частотах .Эти разные частоты будут по-разному влиять на атмосферу. Например, первый сигнал может иметь ошибку 1,2 м, а второй — 1,4 м.

Поскольку мы знаем частоты, на которых отправляются эти сигналы, мы можем вычислить, на сколько каждый сигнал был задержан, исходя из разницы между двумя задержками.

Какие типы частот доступны?

• ‘L1’ — «Нормальная» частота GPS, которую использует каждый GPS-приемник Racelogic.
• ‘L2’ — Эта частота зашифрована, так как предназначена только для использования в военных целях.
• ‘L2C’ — Незашифрованный «гражданский» сигнал на частоте L2, который более мощный, чем L1. Он был добавлен к спутникам, запущенным с 2005 года, и в настоящее время присутствует примерно на 19 спутниках. Хотя это еще не достигло полной группировки из 24 спутников, частота является передающей и может быть использована. Когда доступны полные 24 спутника, это снизит точность позиционных данных GPS (без использования базовой станции) с ± 3 м до ± 1 м.Эта частота должна быть полностью функциональна в ближайшие пару лет.
• ‘L5’ — Он присутствует на всех спутниках, отправленных с 2010 года. Он обеспечивает еще один шаг вперед в производительности с увеличенной мощностью и схемами кодирования. Эта частота называется «безопасностью для жизни», поскольку она предназначена в первую очередь для самолетов и аварийных транспортных средств, хотя, как и частота L2C, это незашифрованный сигнал. Таким образом, хотя это приведет к дальнейшему повышению точности позиционирования, вероятно, не будет полной группировки, доступной для использования до 2020 года.
  

Используя две доступные в настоящее время частоты (L1 и L2C), наши блоки VBOX могут получить точность позиционирования примерно до полуметра.

Различные типы DGPS

• SBAS — Корректирующие сообщения отправляются с геостационарных спутников, например EGNOS или WASS.
• RTCMv2 — Корректирующие сообщения отправляются со статической базовой станции, обеспечивая точность 40-80 см.
• RTK — Корректирующие сообщения отправляются из статического сигнала базовой станции, что дает точность <2 см на устройствах с поддержкой RTK.
  

Для получения дополнительной информации см. Также:

Trimble — Учебное пособие по GPS

Дифференциальный GPS

Дифференциальный GPS включает в себя взаимодействие двух приемников, один из которых является стационарным, а другой перемещается вокруг, выполняя измерения местоположения.

Стационарный приемник — это ключ. Он связывает все спутниковые измерения в надежный местный эталон.

Вот как это работает:

Проблема

Помните, что приемники GPS используют временные сигналы как минимум от четырех спутников для определения местоположения. Каждый из этих сигналов синхронизации будет иметь некоторую ошибку или задержку в зависимости от того, какие опасности постигли его, когда он спустился к нам.

(Для полного обсуждения всех ошибок просмотрите раздел «Исправление ошибок» руководства.)

Поскольку каждый из сигналов синхронизации, которые входят в расчет положения, имеет некоторую ошибку, этот расчет будет сложением этих ошибок.

Смягчающие обстоятельства

К счастью, огромные масштабы системы GPS приходят нам на помощь.Спутники находятся так далеко в космосе, что небольшие расстояния, которые мы путешествуем здесь, на Земле, несущественны.

Итак, если два приемника расположены довольно близко друг к другу, скажем, в пределах нескольких сотен километров, сигналы, которые достигают обоих из них, пройдут практически через один и тот же срез атмосферы, и поэтому будут иметь практически одинаковые ошибки.

Дифференциальный GPS может устранить все ошибки, которые являются общими для опорного и передвижного приемников.

Сюда входят все, кроме ошибок из-за многолучевого распространения (потому что они возникают непосредственно вокруг приемника) и любых ошибок приемника (поскольку они уникальны для приемника).

В этом заключается идея дифференциального GPS: у нас есть один приемник, который измеряет ошибки синхронизации, а затем предоставляет информацию о коррекции другим приемникам, которые перемещаются вокруг. Таким образом, в системе могут быть устранены практически все ошибки, даже досадная ошибка выборочной доступности, которую Министерство обороны намеренно вставляет.

Идея простая. Поместите опорный приемник в точку, которая была очень точно исследована, и держите его там.

Эта опорная станция принимает те же сигналы GPS, что и передвижной приемник, но вместо того, чтобы работать как обычный приемник GPS, она атакует уравнения в обратном порядке.

Вместо использования сигналов синхронизации для расчета своего местоположения, он использует известное местоположение для расчета времени.Он определяет, каким должно быть время прохождения сигналов GPS, и сравнивает его с тем, что они есть на самом деле. Разница заключается в коэффициенте «исправления ошибок».

Затем приемник передает эту информацию об ошибке передвижному приемнику, чтобы он мог использовать ее для корректировки своих измерений.

Поскольку эталонный приемник не имеет возможности узнать, какой из множества доступных спутников передвижной приемник может использовать для расчета своего местоположения, эталонный приемник быстро проходит через все видимые спутники и вычисляет каждую из их ошибок.

Затем он кодирует эту информацию в стандартный формат и передает ее передвижным приемникам.

GPS-приемники фактически не передают поправки сами по себе. Они подключены к отдельным радиопередатчикам.

Передвижные приемники получают полный список ошибок и вносят исправления для конкретных спутников, которые они используют.

Передача с ошибкой включает не только ошибку синхронизации для каждого спутника, но и скорость изменения этой ошибки.Таким образом, подвижный приемник может интерполировать свое положение между обновлениями.

Что такое дифференциальный GPS | TransiTiva

Позвольте нашим опытным сотрудникам помочь вам найти продукты, соответствующие вашим уникальным потребностям в GNSS!

Введение в дифференциальный GPS (DGPS) или дифференциальный GNSS (DGNSS)

Для определения местоположения приемники GNSS используют временные сигналы как минимум от четырех спутников, и во время прохождения сигналов на Землю может произойти любое количество ошибок или задержек.Дифференциальная глобальная система позиционирования (DGPS), теперь называемая дифференциальной глобальной навигационной спутниковой системой (DGNSS), является усовершенствованием GNSS, которое было разработано для исправления этих ошибок и неточностей в системе GNSS, что позволяет получать более точную информацию о местоположении. В общем, доступ к этой корректирующей информации делает дифференциальные приемники GPS и GNSS намного более точными, чем другие приемники; без этих ошибок приемник GNSS может достичь точности до 10 сантиметров.

Гипотеза, на которой основана эта система, заключается в том, что любые два приемника в непосредственной близости друг от друга (например, в пределах нескольких сотен километров) будут испытывать одинаковые атмосферные ошибки. По этой причине дифференциальный GPS или GNSS использует как минимум два GNSS-приемника. Один приемник должен находиться в точно известном месте; этот приемник используется в качестве базовой или опорной станции, а другой известен как передвижной приемник. Базовый приемник вычисляет разницу между своим положением, вычисленным спутниками GNSS, и его фактическим известным положением.Разница заключается в коэффициенте коррекции ошибок, который затем передается на передвижной приемник (или несколько передвижных приемников) для корректировки его измерений. Скорректированная информация может применяться в реальном времени в полевых условиях с помощью радиосигналов или посредством постобработки после сбора данных с использованием специального программного обеспечения для обработки.

Дифференциальный GPS или GNSS может использовать сеть фиксированных наземных опорных станций для передачи разницы между позициями, передаваемыми спутниками GNSS, и известными фиксированными позициями.DGPS / DGNSS может относиться к любому типу наземной системы дополнения (GBAS). Во всем мире используется множество действующих наземных систем.

Аналогичная система, которая передает поправки с орбитальных спутников вместо наземных передатчиков, называется WAAS (Wide Area Augmentation System или Wide-Area DGPS (WADGPS). Иногда используется как синоним, спутниковая система дополнения (SBAS) может включать орбитальные спутниковые системы которые были реализованы в других частях мира, таких как EGNOS, MSAS, QZSS и GAGAN.

Сегодня большинство коммерческих GNSS-приемников поддерживают форму дифференциальной коррекции с SBAS.

Ознакомьтесь с продуктами TransiTiva

DGPS — обзор | Темы ScienceDirect

7.3.6 Система классификации коралловых отложений — инструмент гидроакустического дистанционного зондирования

Комбинация эхолота (однолучевой или полосовой) для создания непрерывных профилей глубины, система дифференциальной глобальной системы позиционирования (DGPS) для точное определение географического положения (т. е. определение широты / долготы) и программная классификация морского дна с использованием данных эхолота позволяет создавать двухмерные (2D) и трехмерные (3D) тематические карты морского дна.Фирма, известная как Sonavision, Ltd., базирующаяся в Шотландии, разработала систему классификации морского дна, известную как RoxAnn Seabed Classification System. Эта система представляет собой гидроакустический инструмент дистанционного зондирования для картирования морского дна, включая картирование коралловых дна.

RoxAnn уже несколько лет используется для обнаружения, наблюдения и подсчета представляющих интерес физических и биологических параметров. Это быстро и сводит к минимуму возможность ошибки человека из-за субъективной индивидуальной интерпретации и наблюдения во время опросов.

Полная система RoxAnn включает данные съемки в реальном времени с географической привязкой и типичную конфигурацию системы, состоящую из спутника, антенны, наземного мастера RoxAnn и компьютера. На рынке имеется множество систем RoxAnn, но все они работают на одной основе. RoxAnn слушает и обрабатывает сигналы, возвращаемые в приемную систему эхолота после модификации на морском дне. Эти возвращенные сигналы упрощены до первого эхо-сигнала (E1), второго эхо-сигнала (E2) и глубины.Первое эхо, E1, является мерой акустического обратного рассеяния подложки, которое обозначается как , шероховатость . Более грубые материалы рассеивают больше акустической энергии обратно к датчику, тогда как гладкие подложки будут действовать как зеркало, и большая часть акустической энергии будет отражаться от датчика. Второй эхо-сигнал, E2, является мерой акустического импеданса подложки. Чем мягче основа, тем больше ее акустический импеданс. Следовательно, E2 часто описывается как представляющее твердость .RoxAnn отправляет E1 и E2, а также информацию о глубине на ПК / ноутбук для обработки программным обеспечением регистрации и отображения.

Комбинируя данные E1, E2 и глубины, можно распознавать участки морского дна с похожими «сигналами» и создавать карты, показывающие распределение этих аналогичных участков. На основе информации, полученной от E1 и E2, настраивается RoxAnn Square. Это декартова диаграмма, на которой E1 (индекс шероховатости ) нанесен по оси Y , а E2 (индекс твердости ) нанесен по оси X .Поскольку у каждой подложки будет свой диапазон значений E1 и E2, эти области можно классифицировать с помощью назначенного цвета.

После регистрации профилей глубины и данных классификации морского дна в программном пакете, известном как Surfer 7 , строятся тематические карты 2D и 3D. Все карты построены в универсальной поперечной проекции Меркатора (UTM) в системе координат WGS-84. С добавлением информации о долготе и широте линии пути окрашиваются в соответствии с типом подложки, накладываются на электронные карты и созданные 2D / 3D карты морского дна.

Подход RoxAnn оказался рентабельным, надежным и быстрым по сравнению с другими методами картирования кораллов, особенно когда образцы видеоизображений или дайверы проверяют данные. Теперь, благодаря последним достижениям в этой технологии, данные классификации морского дна RoxAnn Swath можно собирать еще быстрее. RoxAnn Swath обеспечивает более широкий охват морского дна по сравнению с однолучевой съемкой, собирая данные на полосе шириной в 1,5 раза больше глубины и может использоваться на глубинах от 5 до 60 м. Предполагается, что RoxAnn Swath станет такой же популярной среди исследователей, как и традиционные однолучевые системы.

В Малайзии федеральное правительство выступило с инициативой по сохранению кораллов, объявив большинство этих мест обитания морскими парками. Базирующаяся в Малайзии компания Elcee Instrumentation & Services Sdn Bhd тесно сотрудничает с властями Малайзии, собирая исходные данные о коралловых рифах с использованием системы классификации морского дна RoxAnn. Целью этих быстрых оценок коралловых карт в морских парках Малайзии является сбор данных о типах и распространении кораллов, которые затем могут быть использованы для разработки планов стратегического управления с устойчивыми целями для данного района.

С 1996 года проводились многочисленные исследования коралловых картонов с использованием системы RoxAnn в акватории морских парков Малайзии и на самых разных классах морского дна. RoxAnn даже смогла различить кораллы разных родов, такие как Montipora и Acropora . Результаты оказались надежными и согласуются с другими исследованиями, такими как подводное видео, гиперспектральные и многоспектральные спутниковые изображения (см. «Картографирование коралловых рифов в Малайзии», International Ocean Systems ; (2005), 9 (4) , 6–9).

Информационный бюллетень по программе общенациональной системы дифференциального глобального позиционирования