Dlaczego wysokość GPS lub STRAVA jest niedokładna?

Pojawia się powtarzające się pytanie lub pytanie dotyczące dokładności wysokości i różnic wysokości GPS.

Choć może się to wydawać trywialne, uzyskanie dokładnej wysokości jest trudne, w płaszczyźnie poziomej można łatwo umieścić taśmę mierniczą, linę, łańcuch geodezyjny lub zmierzyć obwód koła, aby zmierzyć odległość. z drugiej strony trudniej jest ustawić miernik 📐 w płaszczyźnie pionowej.

Wysokości GPS są oparte na matematycznym odwzorowaniu kształtu Ziemi, podczas gdy wysokości na mapie topograficznej oparte są na pionowym układzie współrzędnych związanym z kulą ziemską.

Dlatego są to dwa różne systemy, które muszą się pokrywać w jednym punkcie.

Wysokość i spadek w pionie to parametry, z którymi większość rowerzystów, rowerzystów górskich, turystów pieszych i wspinaczy będzie chciała się zapoznać po przejażdżce.

Instrukcje dotyczące uzyskiwania profilu pionowego i prawidłowej różnicy wysokości są stosunkowo dobrze udokumentowane w zewnętrznych instrukcjach GPS (takich jak podręczniki Garmin GPSMap), paradoksalnie informacje te są prawie nieobecne lub zagadkowe w przeznaczonych do tego instrukcjach obsługi GPS. dla rowerzystów (na przykład przewodniki dotyczące zasięgu GPS Garmin Edge).

Serwis posprzedażowy Garmina udziela wszelkich pomocnych porad, podobnie jak TwoNav. Dla innych producentów lub aplikacji GPS (oprócz Stravy) jest to duża luka 🕳.

Jak zmierzyć wysokość?

Kilka technik:

• Zastosowanie w praktyce słynnego twierdzenia Thalesa,
• Różne techniki triangulacji,
• Używając wysokościomierza,
• Radar, umowa,
• Pomiary satelitarne.

Wysokościomierz barometryczny

Konieczne było określenie standardu: wysokościomierz przekłada ciśnienie atmosferyczne miejsca na wysokość. Wysokość 0 m odpowiada ciśnieniu 1013,25 mbar na poziomie morza w temperaturze 15 ° Celsjusza.

W praktyce te dwa warunki rzadko są spełnione na poziomie morza, np. podczas pisania tego artykułu ciśnienie na wybrzeżu Normandii wynosiło 1035 mbar, a temperatura jest bliska 6°, co może prowadzić do błędu na wysokości około 500 m.

Wysokościomierz barometryczny podaje dokładną wysokość po ponownej regulacji, jeśli warunki ciśnienia / temperatury ustabilizują się.

Regulacja polega na utrzymaniu dokładnej wysokości lokalizacji, a następnie wysokościomierz dostosowuje tę wysokość w odpowiedzi na zmiany ciśnienia atmosferycznego i temperatury.

Spadek temperatury 🌡 zawęża krzywe ciśnienia i wzrasta wysokość, i odwrotnie, jeśli temperatura wzrasta.

Wyświetlana wartość wysokości będzie wrażliwa na zmiany temperatury otoczenia, użytkownik wysokościomierza trzymający go na nadgarstku powinien mieć świadomość wpływu lokalnych zmian temperatury na wyświetlaną wartość (np. zegarek zamknięty / otwarte z rękawem, względny wiatr ze względu na szybkie lub wolne ruchy, wpływ temperatury ciała itp.).

Aby uprościć stabilną masę powietrza, jest to stabilna pogoda 🌥.

Przy prawidłowym użytkowaniu wysokościomierz barometryczny jest niezawodnym instrumentem referencyjnym do różnych zastosowań, takich jak aeronautyka, turystyka piesza, alpinizm...

Wysokość GPS

GPS określa wysokość miejsca w stosunku do idealnej kuli symulującej Ziemię: „Elipsoidy”. Ponieważ Ziemia jest niedoskonała, wysokość tę należy przekształcić, aby uzyskać wysokość „geoidy” 🌍.

Obserwator, który odczytuje wysokość znacznika pomiarowego za pomocą GPS, może zauważyć odchylenie rzędu kilkudziesięciu metrów, chociaż jego GPS działa poprawnie w idealnych warunkach odbioru. Może odbiornik GPS jest zły?

Różnicę tę tłumaczy się dokładnością modelowania elipsoidy, a w szczególności modelu geoidy, który jest złożony ze względu na to, że powierzchnia Ziemi nie jest sferą idealną, zawiera anomalie, podlega ludzkim modyfikacjom i ciągle się zmienia. (telluryjski i ludzki).

Niedokładności te zostaną połączone z błędami pomiaru nieodłącznymi od GPS i są przyczyną niedokładności i ciągłych zmian wysokości zgłaszanych przez GPS.

Geometrie satelitów sprzyjające dobrej dokładności poziomej, czyli niskiej pozycji satelitów na horyzoncie, uniemożliwiają dokładne określenie wysokości. Rząd wielkości dokładności pionowej jest 1,5 razy większy od dokładności poziomej.

Większość producentów chipsetów GPS integruje model matematyczny ze swoim oprogramowaniem. który zbliża się do geodezyjnego modelu ziemi i podaje wysokość określoną w tym modelu.

Oznacza to, że jeśli idziesz po morzu, nie jest niczym niezwykłym, że widzisz wysokość ujemną lub dodatnią, ponieważ geodezyjny model Ziemi jest niedoskonały, a do tego mankamentu należy dodać błąd tkwiący w GPS. Kombinacja tych błędów może spowodować odchylenie wysokości o ponad 50 metrów w niektórych lokalizacjach 😐.

Modele geoidy zostały dopracowane, w szczególności wysokościomierz uzyskany w wyniku pozycjonowania GNNS pozostanie niedokładny przez kilka lat.

Numeryczny Model Terenu „DTM”

DTM to plik cyfrowy składający się z siatek, każda siatka (kwadratowa powierzchnia elementarna) zapewnia wartość wysokości powierzchni tej siatki. Wyobrażenie aktualnego rozmiaru siatki modelu elewacji świata to 30 m x 90 m. Znając położenie punktu na powierzchni ziemi (długość, szerokość geograficzna), łatwo jest uzyskać wysokość miejsca, czytając plik DTM (lub DTM, cyfrowy model terenu w języku angielskim).

Główną wadą DEM jest jego niezawodność (anomalie, dziury) i dokładność pilnika; Przykłady:

• ASTER DEM jest dostępny z krokiem (siatka lub piksel) 30 m, dokładnością poziomą 30 m i wysokościomierzem 20 m.
• MNT SRTM jest dostępny dla odstępów 90 m (siatka lub piksel), około 16 m wysokościomierza i 60 m dokładności planimetrycznej.
• Model Sonny DEM (Europa) jest dostępny w krokach co 1°x1°, tj. z komórkami o wymiarach rzędu 25 x 30 m w zależności od szerokości geograficznej. Sprzedawca skompilował najdokładniejsze źródła danych, ten DEM jest stosunkowo dokładny i można go „łatwo” wykorzystać w GPS TwoNav i Garmin za pośrednictwem bezpłatnego mapowania OpenmtbMap.
• IGN DEM 5m x 5m jest dostępny bezpłatnie (od stycznia 2021) w krokach 1m x 1m lub 5m x 5m z rozdzielczością pionową 1 m. Dostęp do tego DEM jest wyjaśniony w tym przewodniku.

Nie myl rozdzielczości (lub dokładności danych w pliku) z faktyczną dokładnością tych danych. Odczyty (pomiary) można uzyskać z przyrządów, które nie pozwalają na obserwację powierzchni globu z dokładnością do metra.

IGN DEM, dostępny bezpłatnie 🙏 od stycznia 2021 r., to mozaika odczytów (pomiarów) uzyskiwanych różnymi przyrządami. Obszary skanowane pod kątem ostatnich badań (np. zagrożenia powodziowego) zostały zeskanowane z rozdzielczością 1 m, gdzie indziej dokładność może być bardzo daleka od tej wartości. Jednak w pliku dane zostały interpolowane w celu wypełnienia pól w przyrostach co 5 x 5 m lub 1 x 1 m. IGN uruchomił kampanię ankietową w wysokiej rozdzielczości, której celem jest pełne pokrycie Francji do 2026 r., i tego dnia IGN DEM będzie dokładny i za darmo w odstępach 1x1x1m....

DEM pokazuje wysokość terenu: wysokość infrastruktury (budynki, mosty, żywopłoty itp.) nie jest brana pod uwagę. W lesie jest to wysokość gruntu u podnóża drzew, powierzchnia wody to powierzchnia wybrzeża dla wszystkich zbiorników większych niż jeden hektar.

Wszystkie punkty w komórce mają tę samą wysokość, więc na krawędzi klifu, ze względu na niepewność lokalizacji pliku, zsumowaną z niepewnością lokalizacji, wyodrębniona wysokość może być taka sama jak sąsiednia komórka.

Dokładność pozycjonowania GPS w idealnych warunkach odbioru jest rzędu 4,5 m przy 90%. Ta wydajność jest widoczna w najnowszych odbiornikach GPS (GPS + Glonass + Galileo). Dlatego dokładność wynosi 90 razy na 100 w zakresie od 0 do 5 m (czyste niebo, bez masek, bez kanionów itp.) rzeczywistej lokalizacji. użycie DEM z kuwetą 1 x 1 m daje efekt przeciwny do zamierzonego.ponieważ szanse na znalezienie się na właściwej siatce będą rzadkie. Ten wybór przytłoczy procesor bez rzeczywistej wartości dodanej!

Aby uzyskać DEM, który można wykorzystać w:

• TwoNav GPS: CDEM na 5 m (RGEALTI).

• Garmin GPS: baza danych Sonny

  Dowiedz się, jak stworzyć własny DEM dla TwoNav GPS. Krzywe poziomu można wyodrębnić za pomocą oprogramowania Qgis.

Określ wysokość za pomocą GPS

Jednym z rozwiązań może być załadowanie pliku DEM do nawigatora GPS, ale wysokość będzie wiarygodna tylko wtedy, gdy rozmiar siatek zostanie zmniejszony, a plik będzie wystarczająco dokładny (w poziomie i pionie).

Aby dobrze zorientować się w jakości DEM, wystarczy zwizualizować np. rzeźbę jeziora lub zbudować ścieżkę przecinającą jezioro i obserwować wzniesienia w przekroju 2D.

Zdjęcie: oprogramowanie LAND, widok jeziora Gerardmer w powiększeniu 3D x XNUMX z poprawnym DEM. Rzut siatek na teren pokazuje aktualny limit DEM.

Zdjęcie: program LAND, widok jeziora Gérardmer „BOG” w 2D z poprawnym NMT.

Wszystkie nowoczesne urządzenia GPS „dobrej jakości” posiadają kompas i cyfrowy czujnik barometryczny, a więc wysokościomierz barometryczny; Korzystanie z tego czujnika pozwala uzyskać dokładną wysokość pod warunkiem, że ustawisz wysokość w znanym punkcie (zalecenie Garmin).

Niedokładność wysokości zapewniana przez GPS od czasu pojawienia się GPS skłoniła do opracowania algorytmów hybrydyzacji dla aeronautyki, które wykorzystują wysokość barometru i wysokość GPS w celu zapewnienia dokładnej pozycji geograficznej. wzrost. Jest to niezawodne rozwiązanie wysokościowe i preferowany wybór producentów GPS, zoptymalizowane do ćwiczeń TwoNav na świeżym powietrzu. i Garmin.

W firmie Garmin oferta GPS jest wprowadzana zgodnie z profilem użytkownika (outdoor, jazda na rowerze, kolarstwo górskie itp.), dlatego ważne jest, aby zapoznać się z instrukcjami obsługi i obsługą posprzedażną.

Optymalnym rozwiązaniem jest ustawienie GPS w opcji:

• Wysokość = Barometr + GPS, jeśli pozwala na to GPS,
• Wysokość = Barometr + DTM (MNT), jeśli pozwala na to GPS.

We wszystkich przypadkach, w przypadku GPS wyposażonego w barometr, należy ręcznie ustawić barometr na minimalną wysokość w punkcie początkowym. W górach ⛰ na długich trasach ustawienie trzeba będzie zmienić, zwłaszcza w przypadku wahań temperatury i pogody.

Niektóre urządzenia rowerowe Garmin zoptymalizowane pod kątem GPS automatycznie resetują wysokość barometryczną w znanych punktach orientacyjnych wysokości, co jest szczególnie inteligentnym rozwiązaniem w przypadku kolarstwa górskiego. Użytkownik musi jednak poinformować np. przed opuszczeniem wysokości przełęczy i dna doliny; w drodze powrotnej różnica wysokości będzie dokładna 👍.

W trybie Barometer + (GPS lub DTM) producent zawiera algorytm automatycznej regulacji barometru oparty na zasadzie, że wynurzanie obserwowane przez barometr, GPS lub DEM musi być spójne: ta zasada zapewnia dużą elastyczność dla użytkowników i dobrze nadaje się do użytku na zewnątrz zajęcia.

Użytkownik powinien jednak zdawać sobie sprawę z ograniczeń:

• GPS opiera się na geoidzie, więc jeśli użytkownik porusza się po sztucznym terenie (np. na hałdy żużla), korekty będą zniekształcone,
• DEM pokazuje ścieżkę na ziemi, jeśli użytkownik wypożyczy znaczną część infrastruktury ludzkiej (wiadukt, most, kładki dla pieszych, tunele itp.), korekty zostaną przesunięte.

Dlatego optymalna procedura uzyskania dokładnego wzrostu wysokości jest następująca:

1️⃣ Wyreguluj czujnik barometryczny na początku. Bez tego ustawienia wysokości zostaną przeliczone (przesunięte), różnica poziomów będzie prawidłowa, jeśli znoszenie spowodowane pogodą jest niewielkie (krótka trasa poza górami). W przypadku użytkowników GPS z rodziny Garmin, wysokości „gpx” są używane przez Garmin i Strava dla społeczności, dlatego lepiej jest wprowadzić poprawny profil wysokości do bazy danych.

2️⃣ Aby zmniejszyć znoszenie (błąd wysokości i wysokości) ze względu na warunki pogodowe podczas długich podróży (> 1 godzina) oraz w górach:

• Skoncentruj się na wyborze Barometr + GPS, tereny zewnętrzne ze sztuczną rzeźbą terenu (zasypy, sztuczne pagórki itp.),
• Skoncentruj się na wyborze Barometr + DTM (MNT)jeśli zainstalowałeś IGN DTM (siatka 5 x 5 m) lub Sonny DTM (Francja lub Europa) poza trasą, która wykorzystuje znaczną część infrastruktury (mosty dla pieszych, wiadukty itp.).

Rozwijanie różnicy wysokości

Problem wysokości opisany w poprzednich wierszach objawia się najczęściej po zaobserwowaniu, że różnica wysokości między dwoma praktykującymi jest różna lub zmienia się w zależności od tego, czy jest odczytywana na GPS, czy na przykład w aplikacji takiej jak STRAVA (patrz pomoc STRAVA).

Przede wszystkim musisz dostroić GPS, aby zapewnić najbardziej wiarygodną wysokość.

Różnicę poziomów można dość łatwo odczytać z mapy, często ćwiczący ogranicza się do określenia różnicy między punktami o skrajnych wymiarach, choć żeby być precyzyjnym, aby otrzymać sumę, trzeba policzyć dodatnie warstwice .

W pliku cyfrowym nie ma poziomych linii, oprogramowanie GPS, aplikacja do wykreślania śladów lub oprogramowanie do analizy są skonfigurowane do „akumulacji kroków lub przyrostów wysokości”.

Często można skonfigurować „brak akumulacji”:

• w TwoNav opcje ustawień są wspólne dla wszystkich GPS
• w Gamin należy zapoznać się z instrukcją obsługi i obsługą posprzedażową (każdy model ma swoją charakterystykę zgodnie z typowym profilem użytkownika)
• aplikacja OpenTraveller ma opcję, która sugeruje dostosowanie progu czułości w celu określenia różnicy wysokości.

Każdy ma swoje rozwiązanie 💡.

Strony internetowe lub oprogramowanie do analizy online staraj się zastąpić wysokość z plików „gpx” z własnymi danymi dotyczącymi wysokości.

Przykład: STRAVA utworzyła „natywny” plik wysokościomierza utworzony przy użyciu wzniesień pochodzących z torów pochodzących z GPS znany STRAVA i jest wyposażony w czujnik barometryczny.Przyjęte rozwiązanie zakłada, że ​​GPS jest znany firmie STRAVA, więc w tej chwili pochodzi głównie z gamy GARMIN, a wiarygodność pliku zakłada, że ​​każdy użytkownik zadbał o ręczny reset wysokości .

Jeśli chodzi o implikacje praktyczne, problem pojawia się zwłaszcza podczas spacerów grupowych, ponieważ każdy uczestnik 🚵 może zauważyć, że jego różnica wysokości różni się od poziomu innych uczestników, w zależności od typu GPS, lub jest ciekawym użytkownika, który nie rozumie dlaczego różnica polega na wysokości GPS, oprogramowaniu do analizy lub STRAVA jest inna.

W doskonale oczyszczonym świecie STRAVA wszyscy członkowie grupy użytkowników GPS GARMIN powinni zasadniczo widzieć tę samą wysokość na swoim GPS i na swojej STRAvie. Logiczne jest jednak, że różnicę można wytłumaczyć jedynie regulacją wysokości nic nie potwierdza, że ​​zgłoszona różnica wysokości jest prawidłowa.

Jest logiczne, że członek tej grupy użytkowników, który ma GPS nieznany STRAVA, powinien widzieć tę samą różnicę wysokości w STRAVA, co jego asystenci, chociaż różnica poziomów wyświetlana przez jego GPS jest inna. Może winić swój sprzęt, który jednak działa poprawnie.

Najbliższa prawdziwej wartości różnicy wysokości jest nadal uzyskiwana we FRANCJI lub BELGII podczas odczytu karty IGN., oddanie do użytku bardziej zaawansowanej geoidy stopniowo przesunie punkt orientacyjny w kierunku GNSS

GNSS: Geolokalizacja i nawigacja za pomocą systemu satelitarnego: Określanie pozycji i prędkości punktu na powierzchni lub w bezpośrednim sąsiedztwie Ziemi poprzez przetwarzanie sygnałów radiowych z kilku sztucznych satelitów odbieranych w tym punkcie.

Jeśli musisz polegać na oprogramowaniu lub aplikacji, aby uzyskać różnicę wysokości, musisz dostosować to oprogramowanie, aby dostosować wartość kroku akumulacji zgodnie z liniami warstwic mapy IGN terenu, to znaczy 5 lub 10 m. Mały krok zamieni w spadek wszystkie małe skoki lub przejścia w wyboje i odwrotnie, zbyt wysoki krok zlikwiduje wzniesienia małych wzniesień.

Po zastosowaniu tych zaleceń eksperyment autora pokazuje, że wartości wysokości uzyskane za pomocą GPS lub oprogramowania analitycznego wyposażonego w niezawodny DEM mieszczą się w „prawidłowym” zakresie, zakładając, że mapa IGN ma również swoje własne niepewnościw porównaniu do szacunków uzyskanych z kartą IGN 1/25 000.

Z drugiej strony wartość publikowana przez STRAVA jest zwykle zawyżona. Stosowana przez STRAVA metoda, oparta na „informacjach zwrotnych” od użytkowników, teoretycznie pozwala przewidzieć szybką zbieżność do wartości bardzo zbliżonych do prawdy, która w zależności od liczby odwiedzających powinna już mieć miejsce w BikeParku lub bardzo ruchliwe utwory!

Aby konkretnie zilustrować ten punkt, oto analiza toru, wybrana losowo, na 20-kilometrowej pagórkowatej drodze. „Barometryczna” wysokość GPS została ustawiona przed odlotem, zapewnia wysokość „Barometryczna + GPS”, DTM to niezawodny DTM, który został przeprojektowany, aby był dokładny. Jesteśmy poza obszarem, w którym STRAVA mogłaby mieć wiarygodny profil wysokościowy.

To jest ilustracja toru, na którym różnica między IGN a GPS jest największa, a różnica między IGN a STRAVA jest najmniejsza. odległość między GPS a STRAVA wynosi 80m, a prawdziwy „IGN” jest między nimi.

Wysokości
Départ	Przyjazd	max	min	wysokość	Odchylenie / IGN
GPS (Bariera + GPS)	122	124	150	98	198	-30
Regulacja wysokości w DTM	122	122	150	98	198	-30
FOOD	280	+ 51
Karty IGN	122	122	148	99	228,5	0