Почему высота вашего GPS или STRAVA неточная?

Возникает повторяющийся вопрос или вопрос относительно точности высоты и разницы в высоте по данным GPS.

Хотя это может показаться тривиальным, получение точной высоты является сложной задачей, в горизонтальной плоскости вы можете легко положить рулетку, веревку, геодезическую цепь или накопить длину окружности колеса, чтобы измерить расстояние. с другой стороны, в вертикальной плоскости сложнее поставить измеритель 📐.

Высоты GPS основаны на математическом представлении формы Земли, в то время как высоты на топографической карте основаны на вертикальной системе координат, связанной с земным шаром.

Следовательно, это две разные системы, которые должны совпадать в одной точке.

Высота и перепад высот — это параметры, с которыми большинство велосипедистов, маунтинбайкеров, туристов и альпинистов захотят проконсультироваться после прогулки.

Инструкции по получению вертикального профиля и правильного перепада высот относительно хорошо задокументированы в руководствах для GPS, предназначенных для активного отдыха (например, в руководствах диапазона Garmin GPSMap), как ни парадоксально, эта информация почти отсутствует или загадочна в предназначенных руководствах пользователя GPS. для велосипедистов (например, руководства для диапазона Garmin Edge GPS).

Послепродажное обслуживание Garmin раздает все полезные рекомендации, как и в случае с TwoNav. Для других производителей GPS или приложений (кроме Strava) это большой пробел 🕳.

Как измерить высоту?

Несколько техник:

• Применяя знаменитую теорему Фалеса на практике,
• Различные техники триангуляции,
• Использование высотомера,
• Радар, Сделка,
• Спутниковые измерения.

Барометрический высотомер

Необходимо было определить эталон: высотомер переводит атмосферное давление места в высоту. Высота 0 м соответствует давлению 1013,25 мбар на уровне моря при температуре 15 ° Цельсия.

На практике эти два условия редко выполняются на уровне моря, например, при написании этой статьи давление на побережье Нормандии составляло 1035 мбар, а температура близка к 6 °, что может привести к ошибке на высоте около 500 м.

Барометрический альтиметр дает точную высоту после перенастройки, если условия давления / температуры стабилизируются.

Регулировка заключается в обеспечении точной высоты места, а затем высотомер регулирует это значение высоты в ответ на изменения атмосферного давления и температуры.

Падение температуры 🌡 сужает кривые давления, и высота увеличивается, и наоборот, если температура увеличивается.

Отображаемое значение высоты будет чувствительно к изменению температуры окружающей среды, пользователь альтиметра, который держит в руке или носит на запястье, должен знать о влиянии изменения местной температуры на отображаемое значение (например: часы закрыты / открыты рукавом, относительный ветер из-за быстрого или медленного движения, влияние температуры тела и т. д.).

Чтобы упростить стабильную воздушную массу, это стабильные погодные условия 🌥.

При правильном использовании барометрический высотомер является надежным эталонным прибором для множества применений, таких как аэронавтика, туризм, альпинизм …

L’altitude GPS

GPS определяет высоту места по отношению к идеальной сфере, моделирующей Землю: «Эллипсоид». Поскольку Земля несовершенна, эту высоту необходимо преобразовать, чтобы получить высоту «геоида» 🌍.

Наблюдатель, считывающий высоту геодезического маркера с помощью GPS, может увидеть отклонение в несколько десятков метров, хотя его GPS работает правильно при идеальных условиях приема. Может быть, GPS-приемник неправильный?

Это различие объясняется точностью моделирования эллипсоида и, в особенности, модели геоида, которая сложна из-за того, что поверхность Земли не является идеальной сферой, содержит аномалии, подвергается модификациям человека и постоянно меняется. (Теллурические и человеческие).

Эти неточности будут объединены с ошибками измерения, присущими GPS, они являются причиной неточностей и постоянного изменения высоты, передаваемой GPS.

Геометрия положения спутников, благоприятствующая хорошей горизонтальной точности, то есть низкое положение спутников на горизонте, препятствует получению точной высоты. Порядок величины точности по вертикали в 1,5 раза превышает точность по горизонтали.

Большинство производителей наборов микросхем GPS интегрируют математическую модель в свое программное обеспечение. который приближается к геодезической модели Земли и обеспечивает высоту, указанную в данной модели.

Это означает, что если вы идете по морю, нет ничего необычного в том, чтобы увидеть отрицательную или положительную высоту, потому что геодезическая модель земли несовершенна, и к этому недостатку следует добавить ошибку, характерную для GPS. Комбинация этих ошибок может вызвать отклонение высоты более чем на 50 метров в определенных местах 😐.

Уточнены модели геоида, в частности, альтиметрия, полученная в результате позиционирования GNNS, будет оставаться неточной в течение нескольких лет.

Цифровая модель местности «DTM»

ЦМР — это цифровой файл, состоящий из сеток, каждая сетка (квадратная элементарная поверхность) обеспечивает значение высоты для поверхности этой сетки. Представление о текущем размере сетки мировой модели высот 30 м x 90 м. Зная положение точки на поверхности земли (долгота, широта), легко получить высоту места, прочитав файл DTM (или DTM, Digital Terrain Model на английском языке).

Основным недостатком ЦМР является ее надежность (аномалии, дыры) и точность файла; Примеры:

• ЦМР ASTER доступна с шагом (сетка или пиксель) 30 м, точностью по горизонтали 30 м и высотомером 20 м.
• MNT SRTM доступен для шага (сетка или пиксель) 90 м, высотомера приблизительно 16 м и планиметрической точности 60 м.
• Модель Sonny DEM (Европа) доступна с шагом 1 ° x1 °, то есть с размером ячейки порядка 25 x 30 м в зависимости от широты. Поставщик собрал самые точные источники данных, эта DEM является относительно точной, ее можно «легко» использовать для TwoNav и Garmin GPS через бесплатную картографию OpenmtbMap.
• IGN DEM 5 м x 5 м доступен бесплатно (с января 2021 г.) с шагом 1 м x 1 м или 5 м x 5 м с разрешением по вертикали 1 м. Доступ к этой матрице высот объясняется в этом руководстве.

Не путайте разрешение (или точность данных в файле) с фактической точностью этих данных. Показания (измерения) могут быть получены от инструментов, которые не позволяют наблюдать поверхность земного шара с точностью до метра.

IGN DEM, доступная бесплатно 🙏 с января 2021 года, представляет собой лоскутное одеяло из показаний (измерений), полученных с помощью различных инструментов. Области, просканированные для недавних исследований (например, риск наводнений), были сканированы с разрешением 1 м, в других местах точность может быть очень далека от этого значения. Однако в файле данные были интерполированы для заполнения полей с шагом 5×5 м или 1×1 м. IGN начал кампанию опросов с высоким разрешением с целью полного охвата Франции к 2026 году, и в этот день IGN DEM будет точным и бесплатным с интервалами 1x1x1m.

ЦМР показывает отметку земли: высота инфраструктуры (здания, мосты, живые изгороди и т. Д.) Не учитывается. В лесу — это высота земли у подножия деревьев, поверхность воды — это поверхность берега для всех водоемов размером более одного гектара.

Все точки ячейки имеют одинаковую высоту, поэтому на краю обрыва из-за неопределенности местоположения файла, суммированной с неопределенностью местоположения, извлеченная высота может быть такой же, как у соседней ячейки.

Точность определения местоположения GPS при идеальных условиях приема составляет порядка 4,5 м при 90%. Эта производительность наблюдается на самых последних приемниках GPS (GPS + Glonass + Galileo). Следовательно, точность составляет 90 раз из 100 между 0 и 5 м (чистое небо, исключая маски, исключая каньоны и т. Д.) Реального местоположения. использование ЦМР с ячейкой 1 х 1 м контрпродуктивно., потому что вероятность оказаться на правильной сетке будет редкой. Такой выбор перегрузит работу процессора без какой-либо реальной добавленной стоимости!

Чтобы получить матрицу высот, которую можно использовать в:

• TwoNav GPS: CDEM на 5 м (RGEALTI).

• Garmin GPS: база данных Sonny

  Узнайте, как создать собственную матрицу высот для TwoNav GPS. Можно извлечь кривые уровня с помощью программного обеспечения Qgis.

Определите высоту с помощью GPS

Одним из решений может быть загрузка файла DEM в ваш GPS-навигатор, но высота будет надежной только в том случае, если размер сеток будет уменьшен и если файл будет достаточно точным (по горизонтали и вертикали).

Чтобы получить хорошее представление о качестве ЦМР, достаточно визуализировать, например, рельеф озера или построить трассу, пересекающую озеро, и наблюдать высоты в 2D-разрезе.

Изображение: программное обеспечение LAND, вид на озеро Жерармер в трехмерном увеличении x 3 с правильной ЦМР. Проекция сеток на рельеф показывает текущий предел матрицы высот.

Изображение: программа LAND, вид на озеро Жерармер «БОГ» в 2D с правильной DTM.

Все современные устройства GPS «хорошего качества» имеют компас и цифровой барометрический датчик, следовательно, барометрический высотомер; Использование этого датчика позволяет получить точную высоту при условии установки высоты в известной точке (рекомендация Garmin).

Неточность высоты, предоставляемая GPS, с момента появления GPS побудила к разработке для нужд аэронавтики алгоритмов гибридизации, которые используют высоту барометра и высоту GPS, чтобы обеспечить точное географическое положение. высота. Это решение, обеспечивающее надежную высоту, и предпочтительный выбор производителей GPS, оптимизированный для практики TwoNav на открытом воздухе. и Garmin.

В Garmin предложение GPS вводится в соответствии с профилем пользователя (на открытом воздухе, на велосипеде, на горном велосипеде и т. Д.), Поэтому важно обращаться к руководствам пользователя и послепродажному обслуживанию.

Оптимальное решение — настроить свой GPS на опцию:

• Высота = Барометр + GPS, если GPS позволяет,
• Высота = Барометр + DTM (MNT), если позволяет GPS.

Во всех случаях для GPS, оборудованного барометром, вручную установите барометр на минимальную высоту в месте старта. В горах ⛰ на длинных трассах потребуется переделать настройку, особенно в случае колебаний температуры и погоды.

Некоторые GPS-навигаторы Garmin, оптимизированные для езды на велосипеде, автоматически сбрасывают барометрическую высоту в точках маршрута, высота которых известна, и это особенно умное решение для езды на велосипеде по горным дорогам. Однако пользователь должен сообщить, например, перед тем, как покинуть высоту перевалов и дна долины; на обратном пути разница в росте будет точной 👍.

В режиме Барометр + (GPS или DTM) производитель включает алгоритм автоматической настройки барометра, основанный на принципе, что подъем, видимый барометром, GPS или DEM, должен быть последовательным: этот принцип предлагает большую гибкость для пользователей и хорошо подходит для занятий на открытом воздухе.

Однако пользователь должен знать ограничения:

• Опорой GPS является геоид, поэтому, если пользователь перемещается по искусственной местности (например, на отвалы шлака), корректировки будут искажены,
• ЦМР показывает путь на земле, если пользователь заимствует значительную часть человеческой инфраструктуры (виадук, мост, пешеходные мосты, туннели и т. Д.), Корректировки будут смещены.

Следовательно, оптимальная процедура получения точного увеличения высоты такова:

1️⃣ Отрегулируйте барометрический датчик в начале. Без этой настройки высоты будут преобразованы (смещены), разница в уровнях будет правильной, если дрейф из-за погодных условий невелик (короткий маршрут за пределами гор). Для пользователей GPS семейства Garmin высоты из файлов «gpx» используются компанией Garmin и Strava для сообщества, поэтому предпочтительно вводить в базу данных правильный профиль высоты.

2️⃣ Чтобы уменьшить дрейф (погрешность в высоте и высоте) из-за погодных условий в случае длительных поездок (> 1 часа) и в горах:

• Сосредоточьтесь на выборе Барометр + GPS, вне участков с искусственным рельефом (участки отвалов, искусственные холмы и т. д.),
• Сосредоточьтесь на выборе Барометр + DTM (MNT), если вы установили IGN DTM (сетка 5 x 5 м) или Sonny DTM (Франция или Европа) за пределами маршрута, который использует значительную часть инфраструктуры (пешеходные мосты, путепроводы и т. д.).

Развитие разницы в росте

Проблема высоты, описанная в предыдущих строках, чаще всего проявляется после наблюдения, что разница в высоте у двух практикующих разная или варьируется в зависимости от того, считывается ли она на GPS или в приложении, таком как STRAVA (см. STRAVA help) например.

Прежде всего, необходимо настроить GPS, чтобы обеспечить наиболее надежную высоту.

Получить разницу в уровнях, прочитав карту, довольно просто, часто практик ограничивается определением разницы между точками крайних размеров, хотя, чтобы быть точным, необходимо посчитать положительные контурные линии, чтобы получить сумму.

В цифровом файле горизонтальные линии не существуют, программное обеспечение GPS, приложение для построения пути или программное обеспечение для анализа сконфигурированы так, чтобы «накапливать шаги или приращения высоты».

Часто «без накопления» можно настроить:

• в TwoNav возможности настройки общие для всех GPS
• в Gamin вы должны проконсультироваться с руководством пользователя и послепродажным обслуживанием (каждая модель имеет свои особенности в соответствии с типичным профилем пользователя)
• в приложении OpenTraveller есть опция, предлагающая настроить порог чувствительности для определения разницы в высоте.

У каждого есть свое решение 💡.

Сайты или программное обеспечение для онлайн-анализа стремятся заменить высоту из файлов «gpx» с их собственными данными о высоте.

Пример: STRAVA создала «собственный» альтиметрический файл, созданный с использованием высот, полученных из треков, полученных из GPS, известный STRAVA и оснащен барометрическим датчиком.Принятое решение предполагает, что GPS известен STRAVA, поэтому на данный момент в основном получен из диапазона GARMIN, а надежность файла предполагает, что каждый пользователь позаботился о ручном сбросе высоты.

Что касается практических последствий, проблема возникает особенно во время групповых прогулок, потому что каждый участник 🚵 может заметить, что их перепад высот отличается от уровня других участников, в зависимости от их типа GPS, или это любопытный пользователь, который не понимает, почему разница в высоте GPS, программного обеспечения для анализа или STRAVA различна.

В идеально продезинфицированном мире STRAVA все члены группы пользователей GPS GARMIN должны в принципе видеть одинаковые значения высоты на своих GPS и на STRAVA. Логично, что разница может быть объяснена только регулировкой высоты, однако ничто не подтверждает правильность опубликованной разницы в росте.

Логично, что член этой группы пользователей, у которого есть GPS, не известный STRAVA, должен видеть ту же разницу в высоте на STRAVA, что и его помощники, хотя разница в уровне, отображаемая его GPS, другая. Он может винить свое оборудование, которое, тем не менее, работает правильно.

Наиболее близкое к истине значение разницы в высоте по-прежнему получается во ФРАНЦИИ или БЕЛЬГИИ при чтении карты IGN., ввод в эксплуатацию более совершенного геоида постепенно переместит ориентир в сторону GNSS

GNSS: Геолокация и навигация с помощью спутниковой системы: определение положения и скорости точки на поверхности или в непосредственной близости от Земли путем обработки радиосигналов от нескольких искусственных спутников, полученных в этой точке.

Если вам нужно полагаться на программное обеспечение или приложение для получения разницы высот, вы должны настроить это программное обеспечение, чтобы отрегулировать значение шага накопления в соответствии с контурными линиями карты IGN места, то есть 5 или 10 м. . Небольшая ступенька превратит в каплю все мелкие прыжки или переходы кочкам, и наоборот, слишком высокая ступенька сотрет подъем по небольшим холмам.

После применения этих рекомендаций эксперимент, проведенный автором, показывает, что значения высоты, полученные с помощью GPS или программного обеспечения для анализа, снабженного надежной ЦМР, остаются в пределах «правильного» диапазона, если допустить, что карта IGN также имеет свои неопределенностипо сравнению с оценкой, полученной с картой IGN 1/25 000.

С другой стороны, значение, публикуемое STRAVA, обычно является завышенным. Применяемый STRAVA метод, основанный на «обратной связи» от пользователей, теоретически позволяет предвидеть быстрое сближение к ценностям, весьма близким к истине, что в зависимости от количества посетителей уже должно иметь место в БайкПарке или очень оживленные трассы!

Чтобы проиллюстрировать этот момент конкретно, вот анализ трассы, взятой наугад, на холмистой дороге протяженностью 20 км. «Барометрическая» высота GPS была установлена ​​перед отъездом, она обеспечивает высоту «Барометрическая + GPS», DTM — это надежный DTM, который был переработан, чтобы быть точным. Мы находимся за пределами области, где STRAVA могла бы иметь надежный профиль высот.

Это иллюстрация трека, где разница между IGN и GPS самая большая, а разница между IGN и STRAVA самая маленькая, расстояние между GPS и STRAVA составляет 80 м, и правда «IGN» находится между ними.

Высоты
Départ	Arrivee	Макс	мин	высота	Отклонение / IGN
GPS (Baro + GPS)	122	124	150	98	198	-30
Регулировка высоты на DTM	122	122	150	98	198	-30
FOOD	280	+51
Карты IGN	122	122	148	99	228,5	0