Jak nagrywać czyste ślady GPS?
Jeśli kiedykolwiek przyjrzałeś się uważnie swojemu GPS, musiałeś zauważyć, że jest on zagracony ustawieniami konfiguracyjnymi. Możesz być również zaskoczony, gdy po raz pierwszy spróbujesz wyświetlić na mapie ostatni ślad zarejestrowany przez wszystkie wygenerowane „niestabilne” punkty.
Dziwne, dziwne. Powiedziałeś dziwne?
No cóż, nie jest to aż tak dziwne, ale nagle mówi wiele o zdolności GPS do dokładnego odtwarzania rzeczywistości.
Tak naprawdę dzięki GPS, który pozwala ustawić częstotliwość rejestracji danych, będziemy mieli intuicyjną intuicję, aby wybrać najszybszą próbkę. Mówimy sobie: im więcej punktów, tym lepiej!
Ale czy to naprawdę dobry wybór, aby szlak był jak najbardziej zbliżony do rzeczywistości? 🤔
Przyjrzyjmy się bliżej, to trochę techniczne (nie ma całek, nie martw się...) i będziemy z tobą.
Wpływ marginesu błędu
W świecie cyfrowym koncepcja kwantyfikacji zawsze ma mniej lub bardziej niejasne znaczenie.
Co dziwne, to, co może wydawać się najlepszym wyborem, a mianowicie użycie większej częstotliwości nagrywania punktów ścieżki, może przynieść efekt przeciwny do zamierzonego.
Definicja: FIX to zdolność GPS do obliczania pozycji (szerokość, długość, wysokość) z satelitów.
[Publikacja za Atlantykiem po kampanii pomiarowej](https://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1080/13658816.2015.1086924) wskazuje, że w najkorzystniejszych warunkach odbioru jest to błękit lazurowy. niebo 🌞 i GPS umieszczone w 360° polu widzenia horyzontu, ** Dokładność FIX wynosi 3,35 m w 95% przypadków, **
⚠️ Konkretnie, przy 100 kolejnych FIX-ach, Twój GPS geolokalizuje Cię między 0 a 3,35 m od Twojej rzeczywistej lokalizacji 95 razy i 5 razy na zewnątrz.
Uważa się, że błąd pionowy jest 1,5 razy większy od błędu poziomego, więc w 95 przypadkach na 100 zarejestrowana wysokość będzie wynosić +/- 5 m od rzeczywistej wysokości w optymalnych warunkach odbioru, co często jest trudne w pobliżu ziemi.
Ponadto z różnych dostępnych publikacji wynika, że odbiór z wielu konstelacji 🛰 (GPS + GLONASS + Galileo) nie poprawia dokładności poziomej GPS.
Z drugiej strony odbiornik GPS zdolny do interpretacji sygnału z wielu konstelacji satelitów miałby następujące ulepszenia:
- Skrócenie czasu trwania pierwszego FIX-u, gdyż im większa liczba satelitów, tym większy będzie ich odbiornik po wystrzeleniu,
- zwiększenie dokładności wyznaczania lokalizacji w trudnych warunkach odbioru. Dzieje się tak w miastach (kaniony miejskie), na dnie dolin na obszarach górskich lub w lasach.
Możesz spróbować tego z GPS: wynik jest jasny i kompletny.
Chip GPS ustawia poprawkę co sekundę.
Prawie wszystkie GPSy rowerowe lub outdoorowe umożliwiają dostosowanie częstotliwości zapisywania tych FIXów na torze (GPX). Albo wszystkie są rejestrowane, wybierając 1 raz na sekundę, albo GPS pobiera 1 z N (na przykład co 3 sekundy), albo regulacja odbywa się na odległość.
Każdy FIX ma na celu określenie pozycji (szerokość, długość, wysokość, prędkość); odległość między dwoma FIXami uzyskuje się obliczając łuk koła (znajdującego się na obwodzie kuli ziemskiej 🌎) przechodzącego przez dwa kolejne FIXy. Całkowity przebiegnięty dystans jest sumą tych odstępów dystansowych.
Zasadniczo wszystkie systemy GPS wykonują te obliczenia, aby obliczyć przebytą odległość bez uwzględnienia wysokości, a następnie integrują korektę uwzględniającą wysokość. Podobne obliczenia przeprowadza się dla wysokości.
Zatem: im więcej FIX, tym bardziej rekord podąża rzeczywistą ścieżką, ale tym bardziej zintegrowana zostanie część błędu pozycji poziomej i pionowej.
Ilustracja: na zielono to rzeczywista ścieżka w linii prostej, aby uprościć rozumowanie, na czerwono to GPS FIX przy 1 Hz z niepewnością pozycji zmaterializowaną wokół każdego FIX: rzeczywista pozycja jest zawsze w tym okręgu, ale nie jest wyśrodkowana. , a na niebiesko jest tłumaczenie na GPX, jeśli jest wykonywane co 3 sekundy. Fioletowy oznacza błąd wysokości mierzony przez GPS ([zobacz ten samouczek, aby to naprawić] (/blog/altitude-gps-strava-inaccurate).
Niepewność pozycji jest mniejsza niż 4 m w 95% przypadków w idealnych warunkach odbioru. Pierwszą konsekwencją jest to, że pomiędzy dwoma kolejnymi FIXami, jeśli przemieszczenie jest mniejsze niż niepewność położenia, przemieszczenie zarejestrowane przez ten FIX zawiera większą część tej niepewności: to szum pomiarowy.
Na przykład, jadąc 20 km/h, w ciągu sekundy pokonujesz 5,5 m; chociaż wszystko jest idealne, Twój GPS może zmierzyć przesunięcie 5,5 m +/- X m, wartość X będzie wynosić od 0 do 4 m (dla niepewności pozycji 4 m), więc umieści ten nowy FIX z pozycją pomiędzy 1,5 mi 9,5 m od poprzedniego. W najgorszym przypadku błąd w wyliczeniu tej próbki przebytej odległości może sięgać nawet +/- 70%, a klasa wydajności GPS jest znakomita!
Pewnie już zauważyłeś, że przy stałej prędkości na równinie i przy dobrej pogodzie punkty toru nie są równomiernie rozmieszczone: im mniejsza prędkość, tym bardziej się rozchodzą. Przy 100 km/h wpływ błędu zmniejsza się o 60%, a przy 4 km/h prędkość pieszego dochodzi do 400%, wystarczy obserwować ślad GPX turysty, by zobaczyć, że zawsze bardzo „skomplikowany”.
W konsekwencji :
- im wyższa częstotliwość zapisu,
- i im niższa prędkość,
- tym bardziej odległość i wysokość każdego FIX-u będzie błędna.
Zapisując wszystkie KOREKCJE w swoim GPX w ciągu jednej godziny lub 3600 wpisów, zgromadziłeś 3600-krotność proporcji błędów poziomych i pionowych GPS, na przykład zmniejszając częstotliwość 3-krotnie. być ponad 1200 razy.
👉Jeszcze jedno: dokładność pionowa GPS jest niska, zbyt duża częstotliwość rejestracji zwiększy tę lukę 😬.
Wraz ze wzrostem prędkości stopniowo odległość przebyta pomiędzy dwoma kolejnymi FIXami staje się dominująca w odniesieniu do niepewności położenia. Całkowite odległości i wysokości pomiędzy wszystkimi kolejnymi POPRAWAMI zarejestrowanymi na Twojej trasie, to znaczy całkowity dystans i profil pionowy tej trasy, będą coraz mniej podatne na niepewność pozycji.
Jak przeciwdziałać tym niepożądanym skutkom?
Zacznijmy od zdefiniowania klas prędkości dla mobilności:
- 🚶🚶♀Wędrówki grupowe, średnia prędkość jest niska, około 3-4 km/h lub 1 m/s.
- 🚶 W trybie wędrówki sportowej średnia klasa prędkości wynosi od 5 do 7 km/h, czyli około 2 m/s.
- 🏃 W trybach Trail lub Running typowa klasa prędkości wynosi od 7 do 15 km/h, czyli około 3 m/s.
- 🚵 Na rowerze górskim średnią prędkość możemy uznać za mieszczącą się w przedziale od 12 do 20 km/h, czyli około 4 m/s.
- 🚲 Podczas jazdy po drodze prędkość jest większa od 5 do 12 m/s.
Że wędrówki Dlatego konieczne jest przypisywanie zapisu w krokach co 10 do 15 m, błąd niedokładności GPS będzie brany pod uwagę tylko 300 razy na godzinę (w przybliżeniu) zamiast 3600, a wpływ błędu pozycji, który wzrasta od maksymalnego od 4 m przy 1 m do maksymalnie 4 m przy 15 m, zostanie zmniejszona 16-krotnie. Tor będzie znacznie gładszy i czystszy, biorąc pod uwagę szum pomiarowy. podzielić przez współczynnik 200! Punkt co 10-15 m nie usunie regeneracji szpilek w sznurowadłach, będzie po prostu trochę bardziej podzielony na segmenty i mniej hałaśliwy.
Że szlaki Zakładając średnią prędkość 11 km/h, zapis z krokiem czasowym zmieniającym się od 1 co sekundę do 1 co 5 sekund zmniejsza liczbę zapisów z 3600 do 720 na godzinę, a maksymalny (możliwy) błąd 4 m co 3 m staje się 4 m co 15 m (czyli od 130% do 25%!). Uwzględnianie błędów w zarejestrowanym śladzie zmniejsza się około 25 razy. Jedyną wadą jest to, że trajektorie, w przypadku których istnieje ryzyko silnego zakrzywienia, są nieco podzielone na segmenty. « Ryzyko”** bo choć jest to ślad to prędkość na zakrętach nieuchronnie spada i w związku z tym dwa kolejne FIXy zbliżą się do siebie, osłabiając efekt segmentacji.
Kolarstwo górskie znajduje się na styku prędkości małych (<20 km/h) i średnich (>20 km/h), w przypadku toru o profilu wolnym do bardzo (<15 km/h) wolnego – częstotliwość wynosi 5 S. to dobry kompromis (także Trail), jeśli to profil typu XC (>15 km/h), to utrzymanie 3s wydaje się dobrym kompromisem. Aby uzyskać profil użytkowania o większej szybkości (DH), wybierz jedną lub dwie sekundy jako prędkość zapisu.
Dla prędkości 15 km/h wybranie częstotliwości zapisu śladu od 1 do 3 s zmniejsza rozliczanie błędów GPS około 10-krotnie. Ponieważ promień skrętu jest w zasadzie powiązany z prędkością, nie ma to wpływu na dokładne przywracanie trajektorii w ciasnych zakrętach lub zakrętach.
wniosek
Najnowsze wersje GPS dostępne dla aktywności na świeżym powietrzu i jazdy na rowerze zapewniają dokładność lokalizacji obserwowaną w badaniu cytowanym na początku artykułu.
Optymalizując częstotliwość nagrywania do średniej prędkości jazdy, znacznie zmniejszysz błąd odległości i wysokości swojej ścieżki GPX: Twoja trasa będzie płynniejsza i będzie dobrze trzymać się torów.
Demonstracja opiera się na idealnych warunkach odbioru, gdy te warunki odbioru ulegają pogorszeniu 🌧 (chmury, baldachim, dolina, miasto). Niepewność pozycji szybko wzrasta, niepożądane skutki nagrywania FIX o wysokiej częstotliwości przy niskiej prędkości zostaną wzmocnione.
Zdjęcie powyżej przedstawia przejście „bagnetu” w otwartym terenie bez maski, aby obserwować jedynie wpływ częstotliwości transmisji FIX w pliku GPX.
Są to cztery trasy zarejestrowane podczas treningu przełajowego (biegania) z prędkością 10 km/h, wybrane losowo w ciągu roku. Trzy rekordy (ślady) ładowane są przez FIX co 3 sekundy i jeden FIX co 5 sekund.
Pierwsza obserwacja: odzyskanie trajektorii po minięciu bagnetu nie ulega pogorszeniu, co należało wykazać. Druga obserwacja: wszystkie zaobserwowane „małe” odchylenia boczne występują na „wybranych” ścieżkach po 3 sekundach. Tę samą obserwację uzyskuje się porównując ślady zarejestrowane przy częstotliwościach 1 s i 5 s (dla tego zakresu prędkości), ślad zbudowany przy użyciu FIX w odstępie 5 sekund (dla tego zakresu prędkości) jest czystszy, całkowita różnica odległości i wysokości będzie mniejsza bliżej realnej wartości.
Zatem na rowerze górskim częstotliwość rejestrowania pozycji GPS będzie ustawiona w zakresie od 2 s (DH) do 5 s (jazda).
📸 ASO / Aurélien VIALATTE – Cristian Casal / TWS
