Kuinka tallentaa puhtaita GPS-jäljet?

Jos olet joskus katsonut tarkasti GPS:ääsi, sinun on täytynyt nähdä, että se on täynnä kokoonpanoasetuksia. Saatat myös yllättyä, kun yritit ensimmäistä kertaa nähdä kartalta kaikkien luotujen "epävakaiden" pisteiden viimeistä tallentamaa reittiä.

Outoa, outoa. Sanoitko outoa?

No, se ei ole niin outoa, mutta yhtäkkiä se kertoo paljon GPS:n kyvystä toistaa todellisuus tarkasti.

Itse asiassa GPS:n avulla, jonka avulla voimme asettaa tiedonkeruutaajuuden, meillä on intuitio valita nopein näyte. Sanomme itsellemme: mitä enemmän pisteitä, sitä parempi!

Mutta onko todella hyvä valinta saada polku mahdollisimman lähelle todellisuutta? 🤔

Katsotaanpa tarkemmin, se on hieman tekninen (ei integraaleja, älä huoli...), ja me olemme kanssasi.

Virhemarginaalin vaikutus

Digitaalisessa maailmassa kvantifioinnin käsitteellä on aina enemmän tai vähemmän epämääräinen vaikutus.

Ironista kyllä, se mikä saattaa tuntua paremmalta valinnalta, eli suuremman tallennusnopeuden käyttäminen raitapisteissä, voi olla haitallista.

Määritelmä: FIX on GPS:n kyky laskea sijainti (leveysaste, pituusaste, korkeus) satelliiteista.

[Posting Across the Atlantic After the Measurement Campaign] (https://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1080/13658816.2015.1086924) kertoo, että suotuisimmissa vastaanotto-olosuhteissa se on taivaansininen. taivas 🌞 ja GPS sijoitettu horisonttiin 360° näkökenttään, ** FIX-tarkkuus on 3,35 m 95 % ajasta,**

⚠️ Tarkemmin sanottuna 100 peräkkäisellä FIX-korjauksella GPS paikantaa sinut 0–3,35 metrin etäisyydelle todellisesta sijainnistasi 95 kertaa ja 5 kertaa ulkona.

Vertikaalisesti virheen katsotaan olevan 1,5 kertaa suurempi kuin vaakasuuntainen virhe, joten 95 tapauksessa 100:sta mitattu korkeus on +/- 5 m todellisesta korkeudesta optimaalisen vastaanoton olosuhteissa, mikä on usein vaikeaa maan lähellä .

Lisäksi useat saatavilla olevat julkaisut osoittavat, että vastaanotto useista konstellaatioista 🛰 (GPS + GLONASS + Galileo) ei paranna GPS:n vaakasuuntaista tarkkuutta.

Toisaalta GPS-vastaanottimessa, joka pystyy tulkitsemaan useiden satelliittien tähdistöjen signaalia, on seuraavat parannukset:

1. Lyhennetään ensimmäisen FIX:n kestoa, koska mitä enemmän satelliitteja on, sitä suurempi niiden vastaanotin on, kun se laukaistaan,
2. paikannustarkkuuden parantaminen vaikeissa vastaanotto-olosuhteissa. Näin on kaupungissa (kaupunkikanjonit), laakson pohjalla vuoristoalueilla tai metsässä.

Voit kokeilla sitä GPS:lläsi: tulos on selkeä ja valmis.

GPS-siru asettaa FIX-toiminnon joka sekunti yhteensä.

Lähes kaikki pyöräily- tai ulkoilu-GPS-järjestelmät sallivat näiden FIX-laitteiden seurata (GPX) tallennusnopeuksia. Joko ne kaikki tallennetaan, valinta on 1 kerta sekunnissa tai GPS ottaa yhden N:stä (esimerkiksi 1 sekunnin välein) tai viritys tehdään kaukaa.

Jokainen FIX määrittää sijainnin (leveysaste, pituusaste, korkeus, nopeus); kahden FIX:n välinen etäisyys saadaan laskemalla ympyrän kaari (sijaitsee maapallon kehällä 🌎), joka kulkee kahden peräkkäisen FIX:n läpi. Kokonaisjuoksumatka on näiden välien summa.

Periaatteessa kaikki GPS-laitteet tekevät tämän laskelman saadakseen kuljetun matkan ottamatta huomioon korkeutta, minkä jälkeen ne integroivat korjauksen korkeuden huomioon ottamiseksi. Samanlainen laskelma tehdään korkeudelle.

Joten: mitä enemmän FIXiä on, sitä enemmän tietue seuraa todellista polkua, mutta sitä enemmän vaaka- ja pystysijaintivirheosa integroituu.

Kuva: vihreällä on todellinen polku suorassa päättelyn yksinkertaistamiseksi, punaisella on GPS FIX taajuudella 1 Hz ja sijainnin epävarmuus toteutuu jokaisen FIX:n ympärillä: todellinen sijainti on aina tässä ympyrässä, mutta ei keskellä. , ja sinisellä on käännös GPX:ksi, jos se tehdään 3 sekunnin välein. Violetti ilmaisee korkeusvirheen GPS:n mittaamana ([katso tämä opetusohjelma korjataksesi sen] (/blog/altitude-gps-strava-inccurate).

Asennon epävarmuus on alle 4 m 95 % ajasta ihanteellisissa vastaanotto-olosuhteissa. Ensimmäinen implikaatio on, että kahden peräkkäisen FIX:n välillä, jos offset on pienempi kuin paikan epävarmuus, kyseisen FIX:n tallentama offset sisältää suuren osan tästä epävarmuudesta: se on mittauskohina.

Esimerkiksi nopeudella 20 km / h liikut 5,5 metriä sekunnissa; vaikka kaikki on täydellistä, GPS voi mitata poikkeaman 5,5 m +/- Xm, X-arvo on välillä 0 ja 4 m (4 metrin sijainnin epävarmuudella), joten se sijoittaa tämän uuden FIX:n sijaintiin 1,5 metrin ja 9,5 m edellisestä. Pahimmassa tapauksessa virhe laskettaessa tätä ajetun matkan otosta voi olla +/- 70 %, kun GPS-suorituskykyluokka on erinomainen!

Olet varmaankin jo huomannut, että tasaisella nopeudella tasangolla ja hyvällä säällä radasi pisteet eivät ole tasaisin välein: mitä pienempi nopeus, sitä enemmän ne poikkeavat toisistaan. Nopeudella 100 km/h virheen vaikutus pienenee 60 % ja 4 km/h jalankulkijan nopeus saavuttaa 400 %, riittää kun tarkkailee turistin GPX-rataa, jotta huomaa, että se on aina erittäin "monimutkainen".

Tämän seurauksena:

• mitä suurempi tallennusnopeus,
• ja mitä pienempi nopeus,
• sitä enemmän kunkin korjauksen etäisyys ja korkeus ovat virheellisiä.

Tallentamalla kaikki KORJAUKSET GPX:ään, tunnin tai 3600 tietueen sisällä olet kerännyt 3600 kertaa vaaka- ja pystysuuntaisen GPS-virheen, esimerkiksi vähentämällä taajuutta 3 kertaa. olla yli 1200 kertaa.

👉 Vielä yksi kohta: pystysuora GPS-tarkkuus ei ole korkea, liian korkea tallennustaajuus lisää tätä eroa 😬.

Nopeuden kasvaessa kahden peräkkäisen FIX:n välillä kuljettu matka tulee vähitellen hallitsevaksi suhteessa paikan epävarmuuteen. Kaikkien radallesi tallennettujen peräkkäisten FIX-pisteiden kumulatiivisiin etäisyyksiin ja korkeuksiin, eli kyseisen radan kokonaisetäisyyteen ja pystyprofiiliin, vaikuttaa yhä vähemmän sijainnin epävarmuus.

Miten näitä ei-toivottuja vaikutuksia voidaan torjua?

Aloitetaan määrittelemällä liikkuvuuden nopeusluokat:

1. 🚶🚶‍♀Ryhmävaelluksia, keskinopeus alhainen, noin 3-4 km/h tai 1 m/s.
2. 🚶 Urheilumatkatilassa keskinopeusluokka on 5-7 km/h eli noin 2 m/s.
3. 🏃 Trail- tai Running-tiloissa normaali nopeusluokka on 7-15 km/h, eli noin 3 m/s.
4. 🚵 Maastopyörällä voimme ottaa keskinopeuden 12-20 km/h eli noin 4 m/s.
5. 🚲 Tiellä ajettaessa nopeus on suurempi 5-12 m/s.

Että vaellus siksi tallentaminen on määritettävä 10-15 m:n välein, GPS-epätarkkuusvirhe huomioidaan vain 300 kertaa tunnissa (noin) 3600:n sijasta ja sijaintivirheen vaikutus, joka kasvaa enintään 4 m per 1 m ja enintään 4 m per 15 m, vähennetään 16 kertaa. Rata on paljon tasaisempi ja puhtaampi, ja mittauskohina huomioidaan. jaettuna kertoimella 200! Kärki 10-15 m välein ei poista nauhojen nauhojen palautusta, se on vain hieman segmentoituneempi ja vähemmän meluisa.

Että polkuja Jos oletetaan keskinopeus 11 km/h, tallennus aikaaskelilla, joka muuttuu 1:stä sekunnissa 1:een 5 sekunnin välein, vähentää tallennusten määrää 3600:sta 720:een tunnissa, ja suurin (mahdollinen) virhe on 4 m joka 3. m. Muuttuu 4 m:ksi 15 metrin välein (eli 130 %:sta 25 %:iin!). Tallennetun jäljen virhelaskenta pienenee noin 25 kertaa. Ainoa haittapuoli on, että polut, joilla on vakava kaarevuus, ovat hieman segmentoituja. « Riski "**, koska vaikka tämä on jälki, nopeus kaarteissa väistämättä laskee, ja siksi kaksi peräkkäistä FIX:ia tulee lähemmäksi, mikä heikentää segmentointivaikutusta.

maastopyöräily on pienten nopeuksien (<20 km/h) ja keskinopeuksien (> 20 km/h) risteyksessä, jos radalla on hidas profiili tai erittäin (<15 km/h) hidas – taajuus on 5 s. on hyvä kompromissi (mukaan lukien Trail), jos kyseessä on XC-tyyppinen profiili (>15 km/h), 3s:n pitäminen vaikuttaa hyvältä kompromissilta. Jos haluat nopeamman (DH) käyttöprofiilin, valitse kirjoitusnopeudeksi yksi tai kaksi sekuntia.

Nopeudella 15 km/h reittitallennustaajuuden valinta 1 - 3 s vähentää GPS-virhelaskentaa noin 10 kertaa. Koska periaatteessa kääntösäde liittyy nopeuteen, tarkka liikeradan palautuminen kapeissa hiusneuloissa tai käännöksissä ei vaarannu.

Johtopäätös

Ulkoiluun ja pyöräilyyn saatavilla olevat GPS:n uusimmat versiot tarjoavat artikkelin alussa lainatussa tutkimuksessa havaitun paikannustarkkuuden.

Optimoimalla tallennusnopeuden keskimääräisen ajonopeuden mukaan pienennät merkittävästi GPX-radan etäisyys- ja korkeusvirheitä: jälkesi on tasaisempi ja pysyy hyvin raiteilla.

Demonstraatio perustuu ihanteellisiin vastaanotto-oloihin näiden vastaanotto-olosuhteiden huonontuessa 🌧 (pilvet, katos, laakso, kaupunki). Paikan epävarmuus kasvaa nopeasti ja suuren FIX-tallennusnopeuden ei-toivotut vaikutukset pienellä nopeudella vahvistuvat.

Yllä olevassa kuvassa on bajonetti, joka kulkee avoimen kentän läpi ilman maskia tarkkailemaan vain FIX-lähetystaajuuden vaikutusta GPX-tiedostossa.

Nämä ovat neljä polku (juoksu) harjoittelun aikana 10 km/h nopeudella tallennettua polkua, jotka on valittu satunnaisesti läpi vuoden. FIX lataa kolme tietuetta (jäljitystä) 3 sekunnin välein ja yhden FIX 5 sekunnin välein.

Ensimmäinen havainto: lentoradan palautuminen bajonetin kulun aikana ei huonone, mikä oli osoitettava. Toinen havainto: kaikki havaitut "pienet" sivusuuntaiset poikkeamat ovat läsnä "valituilla" poluilla 3 sekunnin kuluttua. Sama havainto saadaan, kun verrataan 1 s ja 5 s taajuuksilla tallennettuja jälkiä (tälle nopeusalueelle), FIX:llä 5 sekunnin välein piirretty jälki (tälle nopeusalueelle) on puhtaampi, kokonaisetäisyys ja korkeus on lähempänä todellista arvoa.

Siksi maastopyörällä GPS-sijainnin tallennusnopeus asetetaan välille 2 s (DH) - 5 s (ajo).

📸 ASO / Aurélien VIALATTE – Cristian Casal / TWS