Чому висота вашого GPS чи STRAVA неточна?

Виникає питання або питання щодо точності висоти і різниці у висоті за даними GPS.

Хоча це може здатися тривіальним, отримання точної висоти є складним завданням, в горизонтальній площині можна легко покласти рулетку, мотузку, геодезичну ланцюг або накопичити довжину кола колеса, щоб виміряти відстань. з іншого боку, у вертикальній площині складніше встановити вимірювач 📐.

Висоти GPS засновані на математичному поданні форми Землі, тоді як висоти на топографічній карті засновані на вертикальній системі координат, пов'язаної із земною кулею.

Отже, це дві різні системи, які мають співпадати в одній точці.

Висота та перепад висот – це параметри, з якими більшість велосипедистів, маунтинбайкерів, туристів та альпіністів захочуть проконсультуватися після прогулянки.

Інструкції з отримання вертикального профілю та правильного перепаду висот відносно добре задокументовані у посібниках для GPS, призначених для активного відпочинку (наприклад, у посібниках діапазону Garmin GPSMap), як не парадоксально, ця інформація майже відсутня або загадкова у призначених посібниках користувача GPS. для велосипедистів (наприклад, посібники для діапазону Garmin Edge GPS).

Післяпродажне обслуговування Garmin роздає всі корисні поради, як і у випадку з TwoNav. Для інших виробників GPS або додатків (крім Strava) це велика прогалина 🕳.

Як виміряти висоту?

Декілька технік:

• Застосовуючи знамениту теорему Фалеса практично,
• Різні техніки тріангуляції,
• Використання висотоміра,
• Радар, Угода,
• Супутникові виміри.

Барометричний висотомір

Потрібно було визначити стандарт: висотомір переводить атмосферний тиск місця на висоту. Висота 0 м відповідає тиску 1013,25 мбар на рівні моря за температури 15° Цельсія.

На практиці ці дві умови рідко виконуються на рівні моря, наприклад, при написанні цієї статті тиск на узбережжі Нормандії становив 1035 мбар, а температура близько 6°, що може призвести до помилки на висоті близько 500 м.

Барометричний альтиметр дає точну висоту після переналаштування, якщо умови тиску/температури стабілізуються.

Регулювання полягає у забезпеченні точної висоти місця, а потім висотомір регулює це значення висоти у відповідь на зміни атмосферного тиску та температури.

Падіння температури 🌡 звужує криві тиски, і висота збільшується, і навпаки, якщо температура збільшується.

Значення висоти, що відображається, буде чутливе до зміни температури навколишнього середовища, користувач альтиметра, який тримає в руці або носить на зап'ясті, повинен знати про вплив зміни місцевої температури на відображуване значення (наприклад: годинник закритий/відкритий рукавом, відносний вітер через швидкий або повільний) руху, вплив температури тіла тощо).

Щоб спростити стабільну повітряну масу, це стабільні погодні умови.

При правильному використанні барометричний висотомір є надійним еталонним приладом для багатьох застосувань, таких як аеронавтика, туризм, альпінізм.

GPS на висоті

GPS визначає висоту місця по відношенню до ідеальної сфери, що моделює Землю: «Еліпсоід». Оскільки Земля є недосконалою, цю висоту необхідно перетворити, щоб отримати висоту «геоїда» 🌍.

Спостерігач, який зчитує висоту геодезичного маркера за допомогою GPS, може побачити відхилення в кілька десятків метрів, хоча його GPS працює правильно за ідеальних умов прийому. Можливо, GPS-приймач неправильний?

Ця відмінність пояснюється точністю моделювання еліпсоїда і особливо моделі геоїду, яка складна через те, що поверхня Землі не є ідеальною сферою, містить аномалії, піддається модифікаціям людини і постійно змінюється. (телуричні та людські).

Ці неточності будуть об'єднані з помилками вимірювання, властивими GPS, вони є причиною неточностей та постійної зміни висоти GPS.

Геометрія положення супутників, що сприяє хорошій горизонтальній точності, тобто низьке положення супутників на горизонті, перешкоджає отриманню точної висоти. Порядок величини точності вертикалі в 1,5 рази перевищує точність по горизонталі.

Більшість виробників наборів мікросхем GPS інтегрують математичну модель у своє програмне забезпечення. який наближається до геодезичної моделі Землі і забезпечує висоту, зазначену у цій моделі.

Це означає, що якщо ви йдете морем, немає нічого незвичайного в тому, щоб побачити негативну або позитивну висоту, тому що геодезична модель землі недосконала, і до цього недоліку слід додати помилку, характерну для GPS. Комбінація цих помилок може спричинити відхилення висоти більш ніж на 50 метрів у певних місцях 😐.

Уточнені моделі геоїду, зокрема, альтиметрія, отримана в результаті позиціонування GNNS, залишатиметься неточною протягом кількох років.

Цифрова модель місцевості "DTM"

ЦМР – це цифровий файл, що складається з сіток, кожна сітка (квадратна елементарна поверхня) забезпечує значення висоти поверхні цієї сітки. Уявлення про поточний розмір сітки світової моделі висот 30 м x 90 м. Знаючи положення точки на поверхні землі (довгота, широта) легко отримати висоту місця, прочитавши файл DTM (або DTM, Digital Terrain Model англійською мовою).

Основним недоліком ЦМР є її надійність (аномалії, дірки) та точність файлу; Приклади:

• ЦМР ASTER доступна з кроком (сітка або піксель) 30 м, точністю по горизонталі 30 м та висотоміром 20 м.
• MNT SRTM доступний для кроку (сітка або піксель) 90 м, висотоміра приблизно 16 м та планіметричної точності 60 м.
• Модель Sonny DEM (Європа) доступна з кроком 1°x1°, тобто із розміром осередку близько 25x30 м залежно від широти. Постачальник зібрав найточніші джерела даних, ця DEM є відносно точною, її можна легко використовувати для TwoNav і Garmin GPS через безкоштовну картографію OpenmtbMap.
• IGN DEM 5 м x 5 м доступний безкоштовно (з січня 2021 р.) з кроком 1 м x 1 м або 5 м x 5 м з роздільною здатністю по вертикалі 1 м. Доступ до цієї матриці висот пояснюється в цьому посібнику.

Не плутайте роздільну здатність (або точність даних у файлі) з фактичною точністю цих даних. Покази (вимірювання) можна отримати від інструментів, які дозволяють спостерігати поверхню земної кулі з точністю до метра.

IGN DEM, доступна безкоштовно 🙏 з січня 2021 року, являє собою ковдру з показань (вимірювань), отриманих за допомогою різних інструментів. Області, проскановані для недавніх досліджень (наприклад, ризик повеней), були скановані з роздільною здатністю 1 м, в інших місцях точність може бути дуже далекою від цього значення. Однак у файлі дані були інтерполовані для заповнення полів з кроком 5×5 м або 1×1 м. IGN розпочав кампанію опитувань з високою роздільною здатністю з метою повного охоплення Франції до 2026 року, і в цей день IGN DEM буде точним та безкоштовним з інтервалами 1x1x1m .

ЦМР показує позначку землі: висота інфраструктури (будівлі, мости, живоплоти тощо. буд.) не враховується. У лісі - це висота землі біля підніжжя дерев, поверхня води - це поверхня берега для всіх водойм розміром більше одного гектара.

Всі точки осередку мають однакову висоту, тому на краю урвища через невизначеність розташування файлу, сумованої з невизначеністю розташування, витягнута висота може бути такою ж, як у сусіднього осередку.

Точність розташування GPS за ідеальних умов прийому становить близько 4,5 м при 90%. Ця продуктивність спостерігається на останніх приймачах GPS (GPS + Glonass + Galileo). Отже, точність становить 90 разів зі 100 між 0 і 5 м (чисте небо, крім маски, крім каньйонів і т. д.) реального розташування. використання ЦМР із осередком 1 х 1 м контрпродуктивно.тому що ймовірність виявитися на правильній сітці буде рідкісною. Такий вибір перевантажить роботу процесора без будь-якої реальної доданої вартості!

Щоб отримати матрицю висот, яку можна використовувати у:

• TwoNav GPS: CDEM на відстані 5 м (RGEALTI).

• Garmin GPS: база даних Sonny

  Дізнайтеся, як створити власну матрицю висот для GPS TwoNav. Можна витягти криві рівня за допомогою Qgis.

Визначте висоту за допомогою GPS

Одним із рішень може бути завантаження файлу DEM у ваш GPS-навігатор, але висота буде надійною лише в тому випадку, якщо розмір сіток буде зменшено і якщо файл буде достатньо точним (по горизонталі та вертикалі).

Щоб отримати гарне уявлення про якість ЦМР, достатньо візуалізувати, наприклад, рельєф озера або побудувати трасу, що перетинає озеро, та спостерігати висоти у 2D-розрізі.

Зображення: програмне забезпечення LAND, вид на озеро Жерармер у тривимірному збільшенні x 3 із правильною ЦМР. Проекція сіток на рельєф показує поточну межу матриці висот.

Зображення: програма LAND, вид на озеро Жерармер "БОГ" у 2D з правильною DTM.

Всі сучасні пристрої GPS «хорошої якості» мають компас та цифровий барометричний датчик, отже, барометричний висотомір; Використання цього датчика дозволяє отримати точну висоту за умови встановлення висоти у відомій точці (рекомендація Garmin).

Неточність висоти, що надається GPS, з моменту появи GPS спонукала до розробки для потреб аеронавтики алгоритмів гібридизації, які використовують висоту барометра та висоту GPS, щоб забезпечити точне географічне розташування. висота. Це рішення, що забезпечує надійну висоту, і вибір виробників GPS, оптимізований для практики TwoNav на відкритому повітрі. та Garmin.

У Garmin пропозиція GPS вводиться відповідно до профілю користувача (на відкритому повітрі, на велосипеді, на гірському велосипеді тощо), тому важливо звертатися до посібників користувача та післяпродажного обслуговування.

Оптимальне рішення – налаштувати свій GPS на опцію:

• Висота = Барометр + GPS, якщо GPS дозволяє,
• Висота = Барометр + DTM (MNT), якщо дозволяє GPS.

У всіх випадках для GPS, обладнаного барометром, вручну встановіть барометр на мінімальну висоту у місці старту. У горах ⛰ на довгих трасах потрібно переробити налаштування, особливо у випадку коливань температури та погоди.

Деякі GPS-навігатори Garmin, оптимізовані для їзди велосипедом, автоматично скидають барометричну висоту в точках маршруту, висота яких відома, і це особливо розумне рішення для їзди велосипедом гірськими дорогами. Однак користувач повинен повідомити, наприклад, перед тим, як залишити висоту перевалів та дна долини; на зворотному шляху різниця у зростанні буде точною 👍.

У режимі Барометр + (GPS або DTM) виробник включає алгоритм автоматичного налаштування барометра, що ґрунтується на принципі, що підйом, видимий барометром, GPS або DEM, має бути послідовним: цей принцип пропонує велику гнучкість для користувачів та добре підходить для занять на відкритому повітрі.

Однак користувач повинен знати обмеження:

• Опорою GPS є геоїд, тому, якщо користувач переміщається штучною місцевістю (наприклад, на відвали шлаку), коригування будуть спотворені,
• ЦМР показує шлях землі, якщо користувач запозичує значну частину людської інфраструктури (віадук, міст, пішохідні мости, тунелі тощо. буд.), коригування буде зміщено.

Отже, оптимальна процедура отримання точного збільшення висоти така:

1️⃣ Налаштуйте барометричний датчик на початку. Без цього налаштування висоти буде перетворено (зміщено), різниця в рівнях буде правильною, якщо дрейф через погодні умови невеликий (короткий маршрут за межами гір). Для користувачів GPS сімейства Garmin висоти з файлів gpx використовуються компанією Garmin і Strava для спільноти, тому переважно вводити в базу даних правильний профіль висоти.

2️⃣ Щоб зменшити дрейф (похибка у висоті та висоті) через погодні умови у разі тривалих поїздок (> 1 години) та в горах:

• Зосередьтеся на виборі Барометр + GPS, поза дільницями зі штучним рельєфом (ділянки відвалів, штучні пагорби тощо),
• Зосередьтеся на виборі Барометр + DTM (MNT), якщо ви встановили IGN DTM (сітка 5 x 5 м) або Sonny DTM (Франція чи Європа) за межами маршруту, який використовує значну частину інфраструктури (пішохідні мости, шляхопроводи тощо).

Розвиток різниці у зростанні

Проблема висоти, описана в попередніх рядках, найчастіше виявляється після спостереження, що різниця у висоті у двох практикуючих різна або варіюється в залежності від того, чи вона зчитується на GPS або в додатку, такому як STRAVA (див. STRAVA help) наприклад.

Перш за все необхідно налаштувати GPS, щоб забезпечити найбільш надійну висоту.

Отримати різницю в рівнях, прочитавши карту, досить просто, часто практик обмежується визначенням різниці між точками крайніх розмірів, хоча щоб бути точним, необхідно порахувати позитивні контурні лінії, щоб отримати суму.

У цифровому файлі горизонтальні лінії не існують, програмне забезпечення GPS, програма для побудови шляху або програмне забезпечення для аналізу налаштовані так, щоб "накопичувати кроки або збільшення висоти".

Часто «без накопичення» можна налаштувати:

• у TwoNav можливості налаштування спільні для всіх GPS
• у Gamin ви повинні проконсультуватися з керівництвом користувача та післяпродажним обслуговуванням (кожна модель має свої особливості відповідно до типового профілю користувача)
• у програмі OpenTraveller є опція, що пропонує налаштувати поріг чутливості для визначення різниці у висоті.

Кожен має своє рішення 💡.

Сайти або програмне забезпечення для онлайн-аналізу прагнуть замінити висоту з файлів “gpx” зі своїми власними даними про висоті.

Приклад: STRAVA створила власний альтиметричний файл, створений з використанням висот, отриманих з треків, отриманих з GPS, відомий STRAVA і оснащений барометричним датчиком. Прийняте рішення передбачає, що GPS відомий STRAVA, тому на даний момент в основному отриманий з діапазону GARMIN, а надійність файлу припускає, що кожен дбає про ручне скидання висоти.

Що стосується практичних наслідків, проблема виникає особливо під час групових прогулянок, тому що кожен учасник 🚵 може помітити, що їх перепад висот відрізняється від рівня інших учасників, залежно від їх типу GPS, або це цікавий користувач, який не розуміє, чому різниця в висоті GPS, програмного забезпечення для аналізу або STRAVA різна.

В ідеально продезінфікованому світі STRAVA всі члени групи користувачів GPS GARMIN повинні в принципі бачити однакові значення висоти на GPS і STRAVA. Логічно, що різниця може бути пояснена лише регулюванням висоти, проте ніщо не підтверджує правильність опублікованої різниці у зростанні.

Логічно, що член цієї групи користувачів, у якого є GPS, не відомий STRAVA, повинен бачити ту саму різницю у висоті на STRAVA, що й його помічники, хоча різниця в рівні, що відображається GPS, інша. Він може звинувачувати власне обладнання, яке, тим не менше, працює правильно.

Найбільш близьке до істини значення різниці у висоті, як і раніше, виходить у ФРАНЦІЇ або БЕЛЬГІЇ при читанні карти IGN., введення в експлуатацію досконалішого геоїду поступово перемістить орієнтир у бік GNSS

GNSS: Геолокація та навігація за допомогою супутникової системи: визначення положення та швидкості точки на поверхні або в безпосередній близькості від Землі шляхом обробки радіосигналів від кількох штучних супутників, отриманих у цій точці.

Якщо вам потрібно покладатися на програмне забезпечення або програму для отримання різниці висот, ви повинні налаштувати це програмне забезпечення, щоб відрегулювати значення кроку накопичення відповідно до контурних ліній картки IGN місця, тобто 5 або 10 м. . Невелика сходинка перетворить на краплю всі дрібні стрибки або переходи купиною, і навпаки, надто висока сходинка зітре підйом по невеликих пагорбах.

Після застосування цих рекомендацій експеримент, проведений автором, показує, що значення висоти, отримані за допомогою GPS або програмного забезпечення для аналізу, з надійною ЦМР, залишаються в межах «правильного» діапазону, якщо припустити, що карта IGN також має свої невизначеностіпорівняно з оцінкою, одержаною з картою IGN 1/25 000.

З іншого боку, значення, яке публікується STRAVA, зазвичай є завищеним. Застосовуваний STRAVA метод, заснований на «зворотному зв'язку» від користувачів, теоретично дозволяє передбачити швидке зближення до цінностей, дуже близьких до істини, що в залежності від кількості відвідувачів вже має місце в БайкПарку або жваві траси!

Щоб проілюструвати цей момент безпосередньо, ось аналіз траси, взятої навмання, на горбистій дорозі завдовжки 20 км. «Барометрична» висота GPS була встановлена ​​перед від'їздом, вона забезпечує висоту «Барометрична + GPS», DTM – це надійний DTM, який був перероблений, щоб бути точним. Ми знаходимося за межами області, де STRAVA могла мати надійний профіль висот.

Це ілюстрація треку, де різниця між IGN та GPS найбільша, а різниця між IGN та STRAVA найменша, відстань між GPS та STRAVA становить 80 м, і правда "IGN" знаходиться між ними.

Висоти
Départ	Прибуття	Макс	хв	висота	Відхилення / IGN
GPS (панель + GPS)	122	124	150	98	198	-30
Регулювання висоти на DTM	122	122	150	98	198	-30
FOOD	280	+51
Картки IGN	122	122	148	99	228,5	0