Как записывать чистые GPS-треки?

Если вы когда-нибудь внимательно смотрели на свой GPS, вы, должно быть, видели, что он забит настройками конфигурации. Вы также могли быть удивлены, когда впервые попытались просмотреть на карте последний трек, записанный всеми сгенерированными «неустойчивыми» точками.

Странно, странно. Вы сказали странно?

Что ж, это не так уж и странно, но внезапно это многое говорит о способности GPS точно воспроизводить реальность.

Фактически, с GPS, который позволяет устанавливать частоту записи данных, у нас будет интуиция, чтобы выбрать самую быструю выборку. Мы говорим себе: чем больше очков, тем лучше!

Но действительно ли это хороший выбор — получить след, максимально приближенный к реальности? 🤔

Давайте рассмотрим подробнее, это немного технически (интегралов нет, не волнуйтесь…), и мы будем с вами.

Влияние допустимой погрешности

В цифровом мире понятие количественной оценки всегда имеет более или менее расплывчатое воздействие.

Как ни странно, то, что может показаться лучшим выбором, а именно использование более высокой частоты записи точек трека, может быть контрпродуктивным.

Определение: FIX — это способность GPS вычислять положение (широту, долготу, высоту) по спутникам.

В [публикации через Атлантику после кампании по измерениям] (https://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1080/13658816.2015.1086924) указывается, что при наиболее благоприятных условиях приема это лазурно-синий цвет. небо 🌞 и GPS, размещенные в поле зрения горизонта на 360 °, ** точность FIX составляет 3,35 м в 95% случаев, **

⚠️ Конкретно, с помощью 100 последовательных FIX, ваш GPS геолокаирует вас на расстоянии от 0 до 3,35 м от вашего реального местоположения 95 раз и 5 раз — за пределами.

По вертикали считается, что ошибка в 1,5 раза больше горизонтальной ошибки, поэтому в 95 случаях из 100 записанная высота будет +/- 5 м от реальной высоты в условиях оптимального приема, что часто бывает затруднительно вблизи земли.

Кроме того, различные доступные публикации показывают, что прием от нескольких созвездий 🛰 (GPS + ГЛОНАСС + Galileo) не улучшает горизонтальную точность GPS.

С другой стороны, приемник GPS, способный интерпретировать сигнал нескольких созвездий спутников, будет иметь следующие улучшения:

1. Уменьшение продолжительности первого FIX, потому что чем больше количество спутников, тем больше будет их приемник, как только он будет запущен,
2. повышение точности определения местоположения в сложных условиях приема. Так обстоит дело в городе (городские каньоны), на дне долины в горных районах или в лесу.

Вы можете попробовать это с помощью своего GPS: результат ясен и окончен.

Чип GPS устанавливает ИСПРАВЛЕНИЕ каждую секунду в целом.

Практически все велосипедные или наружные GPS позволяют регулировать частоту записи этих FIX в трек (GPX). Либо все они записываются, выбор 1 раз в секунду, либо GPS берет 1 из N (например, каждые 3 секунды), либо настройка выполняется на расстоянии.

Каждый FIX заключается в определении позиции (широта, долгота, высота, скорость); расстояние между двумя FIX получается путем вычисления дуги окружности (расположенной на окружности земного шара 🌎), которая проходит через два последовательных FIX. Общая дистанция забега — это сумма этих интервалов расстояний.

В принципе, все GPS делают этот расчет для получения пройденного расстояния без учета высоты, затем они интегрируют поправку для учета высоты. Аналогичный расчет производится для высоты.

Итак: чем больше FIX есть, тем больше запись следует по фактическому пути, но тем больше будет интегрирована часть ошибки горизонтального и вертикального положения.

Иллюстрация: зеленым цветом реальный путь по прямой линии для упрощения рассуждений, красным — ИСПРАВЛЕНИЕ GPS на частоте 1 Гц с материализацией неопределенности положения вокруг каждого ИСПРАВЛЕНИЯ: реальное положение всегда находится в этом круге, но без центрирования. , а синим — перевод в GPX, если он выполняется каждые 3 секунды. Фиолетовым цветом обозначена ошибка высоты, измеренная GPS ([см. Этот учебник, чтобы устранить ее] (/ blog / altitude-gps-strava-inaccurate).

Неопределенность положения составляет менее 4 м в 95% случаев при идеальных условиях приема. Первое следствие состоит в том, что между двумя последовательными FIX, если смещение меньше неопределенности положения, смещение, зарегистрированное этим FIX, содержит большую долю этой неопределенности: это шум измерения.

Например, на скорости 20 км / ч вы перемещаетесь на 5,5 м каждую секунду; хотя все идеально, ваш GPS может измерять смещение 5,5 м +/- X м, значение X будет между 0 и 4 м (для неопределенности положения 4 м), поэтому он будет размещать этот новый FIX с положение между 1,5 м и 9,5 м от предыдущего. В худшем случае погрешность вычисления этой выборки пройденного расстояния может достигать +/- 70%, в то время как класс производительности GPS отличный!

Вы, наверное, уже заметили, что при постоянной скорости на равнине и в хорошую погоду точки вашего трека расположены неравномерно: чем меньше скорость, тем больше они расходятся. На 100 км / ч влияние ошибки снижается на 60%, а на 4 км / ч, скорость пешехода достигает 400%, достаточно наблюдать трек GPX туриста, только чтобы увидеть, что он всегда очень «замысловато».

Как следствие :

• чем выше частота записи,
• и чем ниже скорость,
• тем больше расстояние и высота каждого FIX будут ошибочными.

Записывая все ИСПРАВЛЕНИЯ в свой GPX, в течение одного часа или 3600 записей вы накопили в 3600 раз долю горизонтальной и вертикальной погрешности GPS, например, уменьшив частоту в 3 раза. быть более 1200 раз.

👉 Еще один момент: точность GPS по вертикали невысока, слишком высокая частота записи усилит этот пробел 😬.

Когда скорость увеличивается, постепенно расстояние, пройденное между двумя последовательными FIX, становится преобладающим по отношению к неопределенности положения. Суммарные расстояния и высоты между всеми последовательными ФИКСами, записанными на вашем треке, то есть общее расстояние и вертикальный профиль этого курса будут все меньше и меньше зависеть от неопределенности местоположения.

Как противодействовать этим нежелательным эффектам?

Начнем с определения скоростных классов по мобильности:

1. 🚶🚶‍♀Групповые походы, средняя скорость невысокая порядка 3-4 км / ч или 1 м / с.
2. 🚶 В спортивном походном режиме средний класс скорости составляет от 5 до 7 км / ч, то есть около 2 м / с.
3. 🏃 В режимах Trail или Running обычный класс скорости составляет от 7 до 15 км / ч, то есть около 3 м / с.
4. 🚵 На горном велосипеде мы можем считать среднюю скорость от 12 до 20 км / ч или около 4 м / с.
5. 🚲 При езде по дороге скорость выше от 5 до 12 м / с.

Чтобы пеший туризм поэтому необходимо назначать запись с шагом от 10 до 15 м, погрешность неточности GPS будет учитываться только 300 раз в час (приблизительно) вместо 3600, а влияние ошибки положения, который увеличивается с максимальных 4 м на 1 м до максимальных 4 м на 15 м, будет уменьшен в 16 раз. Трасса будет намного более гладкой и чистой, учитывается шум измерения. делить на фактор 200! Острие через каждые 10-15 м не сотрет восстановления штифтов в шнурках, оно просто будет немного более сегментированным и менее шумным.

Чтобы тропы Предполагая среднюю скорость 11 км / ч, запись с шагом по времени, которая изменяется от 1 каждую секунду до 1 каждые 5 секунд, уменьшает количество записей с 3600 до 720 в час, а максимальная (возможная) ошибка составляет 4 м каждые 3 м. становится 4 м каждые 15 м (т.е. со 130% до 25%!). Учет ошибок записанной трассой уменьшается примерно в 25 раз. Единственным недостатком является то, что траектории с риском сильной кривизны немного сегментируются. « Риск »**, потому что, хотя это след, скорость на кривых неизбежно падает, и, следовательно, два последовательных FIX подойдут ближе, что ослабит эффект сегментации.

катание на горных велосипедах находится на стыке между низкими скоростями (<20 км / ч) и средними скоростями (> 20 км / ч), в случае трассы с медленным профилем до очень (<15 км / ч) медленных — частота 5 с. является хорошим компромиссом (в том числе Trail), если это профиль типа XC (> 15 км / ч), сохранение 3 с кажется хорошим компромиссом. Для профиля использования с более высокой скоростью (DH) выберите одну или две секунды в качестве скорости записи.

Для скорости 15 км / ч выбор частоты записи трека от 1 до 3 с снижает учет ошибки GPS примерно в 10 раз. Поскольку в принципе радиус поворота связан со скоростью, точное восстановление траектории в узких шпильках или поворотах не будет нарушено.

Заключение

Последние версии GPS, доступные для активного отдыха и езды на велосипеде, обеспечивают точность определения местоположения, наблюдаемую в исследовании, цитируемом в начале статьи.

Оптимизируя частоту записи до вашей средней скорости движения, вы значительно уменьшите погрешность расстояния и высоты вашего трека GPX: ваш трек будет более плавным, будет хорошо держаться на треках.

Демонстрация основана на условиях идеального приема, когда эти условия приема ухудшаются 🌧 (облака, навес, долина, город). Неопределенность положения быстро увеличивается, нежелательные эффекты высокой частоты записи FIX на низкой скорости будут усиливаться.

На изображении выше показано прохождение «штыка» в открытом грунте без маски, чтобы наблюдать только влияние частоты передачи FIX в файле GPX.

Это четыре трека, записанные во время тренировки типа трейл (бег) со скоростью 10 км / ч. Они были выбраны случайным образом в течение года. Три записи (трассировки) загружаются FIX каждые 3 секунды и одна FIX каждые 5 секунд.

Первое наблюдение: восстановление траектории при проходе штыка не ухудшается, что необходимо было продемонстрировать. Второе наблюдение: все наблюдаемые «небольшие» боковые отклонения присутствуют на «выбранных» трассах через 3 секунды. Такое же наблюдение получается при сравнении трасс, записанных на частотах 1 с и 5 с (для этого диапазона скоростей), трасса, построенная с помощью FIX, разнесенных на 5 секунд (для этого диапазона скоростей), чище, общее расстояние и высота разница будет ближе к реальной стоимости.

Таким образом, на горном велосипеде частота записи GPS-положения будет установлена ​​в диапазоне от 2 с (DH) до 5 с (поездка).

📸 ASO / Aurélien VIALATTE — Cristian Casal / TWS