Wie zeichnet man saubere GPS-Tracks auf?

Wenn Sie sich Ihr GPS jemals genau angesehen haben, müssen Sie gesehen haben, dass es mit Konfigurationseinstellungen überladen ist. Sie könnten auch überrascht sein, als Sie zum ersten Mal versucht haben, auf der Karte die letzte Spur anzuzeigen, die von allen generierten „instabilen“ Punkten aufgezeichnet wurde.

Seltsam, seltsam. Hast du seltsam gesagt?

Nun, das ist nicht so seltsam, aber plötzlich sagt es viel über die Fähigkeit von GPS aus, die Realität genau zu reproduzieren.

Tatsächlich haben wir mit GPS, mit dem wir die Frequenz der Datenprotokollierung einstellen können, die Intuition, die schnellste Probe auszuwählen. Wir sagen uns: Je mehr Punkte, desto besser!

Aber ist es wirklich eine gute Wahl, einen Trail so realitätsnah wie möglich zu bekommen? 🤔

Schauen wir uns das genauer an, es ist ein wenig technisch (keine Integrale, keine Sorge ...), und wir werden bei Ihnen sein.

Einfluss der Fehlerquote

In der digitalen Welt hat der Begriff der Quantifizierung immer eine mehr oder weniger vage Wirkung.

Ironischerweise kann das, was wie eine bessere Wahl erscheint, nämlich eine höhere Aufzeichnungsrate für Trackpunkte zu verwenden, kontraproduktiv sein.

Definition: FIX ist die Fähigkeit von GPS, die Position (Breitengrad, Längengrad, Höhe) von Satelliten zu berechnen.

[Posting Across the Atlantic After the Measurement Campaign] (https://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1080/13658816.2015.1086924) gibt an, dass es unter günstigsten Empfangsbedingungen azurblau ist. Himmel 🌞 und GPS im Horizont 360°-Sichtfeld positioniert, ** FIX-Genauigkeit beträgt in 3,35 % der Fälle 95 m, **

⚠️ Insbesondere mit 100 aufeinanderfolgenden FIXes geolokalisiert Ihr GPS Sie zwischen 0 und 3,35 m von Ihrem tatsächlichen Standort entfernt 95 Mal und 5 Mal außerhalb.

Vertikal wird der Fehler als 1,5-mal größer als der horizontale Fehler angesehen, so dass in 95 von 100 Fällen die aufgezeichnete Höhe bei optimalem Empfang +/- 5 m von der tatsächlichen Höhe abweicht, was in Bodennähe oft schwierig ist .

Darüber hinaus zeigen verschiedene verfügbare Veröffentlichungen, dass der Empfang von mehreren Konstellationen 🛰 (GPS + GLONASS + Galileo) die horizontale GPS-Genauigkeit nicht verbessert.

Andererseits weist ein GPS-Empfänger, der das Signal mehrerer Satellitenkonstellationen interpretieren kann, die folgenden Verbesserungen auf:

1. Verkürzung der Dauer des ersten FIX, denn je mehr Satelliten es gibt, desto größer wird ihr Empfänger nach dem Start sein,
2. Verbesserung der Positionsgenauigkeit bei schwierigen Empfangsbedingungen. Dies ist in der Stadt (Stadtschluchten), im Talgrund in Berggebieten oder im Wald der Fall.

Sie können es mit Ihrem GPS versuchen: Das Ergebnis ist klar und fertig.

Der GPS-Chip setzt insgesamt jede Sekunde FIX.

Fast alle Fahrrad- oder Outdoor-GPS-Systeme ermöglichen es diesen FIX, Aufzeichnungsraten (GPX) zu verfolgen. Entweder werden alle aufgezeichnet, die Auswahl erfolgt 1 Mal pro Sekunde, oder das GPS nimmt 1 von N (zum Beispiel alle 3 Sekunden) oder die Abstimmung erfolgt aus der Ferne.

Jeder FIX soll die Position (Breitengrad, Längengrad, Höhe, Geschwindigkeit) bestimmen; Der Abstand zwischen zwei FIXes wird durch Berechnung des Kreisbogens (auf dem Umfang des Globus 🌎) ermittelt, der durch zwei aufeinanderfolgende FIXes verläuft. Die Gesamtlaufstrecke ist die Summe dieser Streckenintervalle.

Grundsätzlich führen alle GPS diese Berechnung durch, um die zurückgelegte Strecke ohne Berücksichtigung der Höhe zu berechnen, dann integrieren sie die Korrektur, um die Höhe zu berücksichtigen. Eine ähnliche Berechnung wird für die Höhe durchgeführt.

Also: Je mehr FIX vorhanden ist, desto mehr folgt der Datensatz dem tatsächlichen Pfad, aber desto mehr wird der horizontale und vertikale Positionsfehleranteil integriert.

Illustration: in grün ist der reale Pfad in einer geraden Linie, um die Schlussfolgerung zu vereinfachen, in rot ist der GPS FIX bei 1 Hz mit Positionsunsicherheit, die um jeden FIX materialisiert ist: die reale Position ist immer in diesem Kreis, aber nicht zentriert. , und in Blau ist die Übersetzung in GPX, wenn sie alle 3 Sekunden erfolgt. Lila zeigt den vom GPS gemessenen Höhenfehler an ([siehe dieses Tutorial, um ihn zu beheben] (/blog/altitude-gps-strava-inaccurate).

Die Positionsunsicherheit beträgt unter idealen Empfangsbedingungen in 4 % der Fälle weniger als 95 m. Die erste Implikation ist, dass zwischen zwei aufeinanderfolgenden FIXs der Offset, der von diesem FIX aufgezeichnet wird, einen großen Anteil dieser Unsicherheit enthält, wenn der Offset kleiner als die Positionsunsicherheit ist: Messrauschen.

Bei einer Geschwindigkeit von 20 km/h bewegen Sie sich beispielsweise 5,5 Meter pro Sekunde; Obwohl alles perfekt ist, kann Ihr GPS einen Versatz von 5,5 m +/- X m messen, der X-Wert liegt zwischen 0 und 4 m (für eine Positionsunsicherheit von 4 m), also platziert es diesen neuen FIX mit einer Position zwischen 1,5 m und 9,5 m vom vorherigen entfernt. Im schlimmsten Fall kann der Fehler bei der Berechnung dieses Beispiels der zurückgelegten Strecke +/- 70 % betragen, während die GPS-Leistungsklasse ausgezeichnet ist!

Sicher ist Ihnen schon aufgefallen, dass bei konstanter Geschwindigkeit in der Ebene und bei gutem Wetter die Punkte Ihrer Spur nicht gleichmäßig verteilt sind: Je niedriger die Geschwindigkeit, desto mehr weichen sie voneinander ab. Bei 100 km/h wird die Auswirkung des Fehlers um 60 % reduziert, und bei 4 km/h erreicht die Geschwindigkeit eines Fußgängers 400 %. Es reicht aus, den GPX-Track des Touristen zu beobachten, nur um festzustellen, dass dies immer der Fall ist sehr "kompliziert".

Als Konsequenz :

• je höher die Aufnahmerate,
• und je niedriger die Geschwindigkeit,
• desto mehr wird der Abstand und die Höhe jedes Fixes falsch sein.

Indem Sie alle KORREKTUREN in Ihrem GPX aufzeichnen, haben Sie innerhalb einer Stunde oder 3600 Aufzeichnungen das 3600-fache des horizontalen und vertikalen GPS-Fehlers angesammelt, indem Sie beispielsweise die Häufigkeit um das 3-fache verringert haben. über 1200 mal sein.

👉 Noch ein Punkt: Die vertikale GPS-Genauigkeit ist nicht hoch, eine zu hohe Aufnahmefrequenz vergrößert diese Lücke 😬.

Mit zunehmender Geschwindigkeit wird die zwischen zwei aufeinanderfolgenden FIX zurückgelegte Strecke allmählich vorherrschend in Bezug auf die Positionsunsicherheit. Die kumulativen Distanzen und Höhen zwischen allen aufeinanderfolgenden FIXs, die auf Ihrem Track aufgezeichnet wurden, d. h. die Gesamtdistanz und das vertikale Profil dieses Kurses, werden immer weniger von der Standortunsicherheit beeinflusst.

Wie kann diesen unerwünschten Wirkungen entgegengewirkt werden?

Beginnen wir mit der Definition der Geschwindigkeitsklassen für die Mobilität:

1. 🚶🚶‍♀Gruppenwanderungen, die Durchschnittsgeschwindigkeit ist niedrig, ca. 3-4 km / h oder 1 m / s.
2. 🚶 Im Fahrmodus Sport liegt die durchschnittliche Geschwindigkeitsklasse bei 5 bis 7 km/h, also etwa 2 m/s.
3. 🏃 Im Trail- oder Running-Modus liegt die normale Geschwindigkeitsklasse zwischen 7 und 15 km/h, also etwa 3 m/s.
4. 🚵 Auf einem Mountainbike können wir eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 12 bis 20 km/h, also etwa 4 m/s, fahren.
5. 🚲 Bei Straßenfahrt ist die Geschwindigkeit von 5 bis 12 m/s höher.

Dass Wandern Daher ist es notwendig, eine Aufzeichnung in Schritten von 10 bis 15 m zuzuweisen, der GPS-Ungenauigkeitsfehler wird statt 300 nur 3600 Mal pro Stunde (ungefähr) berücksichtigt, und der Effekt des Positionsfehlers, der von a maximal 4 m pro 1 m bis maximal 4 m pro 15 m, wird 16-fach reduziert. Die Strecke wird viel glatter und sauberer, und das Messrauschen wird berücksichtigt. geteilt durch den Faktor 200! Die Spitze alle 10-15 m wird die Wiederherstellung der Stifte in den Schnürsenkeln nicht löschen, sie wird nur etwas segmentierter und weniger laut.

Dass Wanderwege Bei einer angenommenen Durchschnittsgeschwindigkeit von 11 km / h reduziert die Aufnahme mit einem Zeitschritt, der sich von 1 pro Sekunde auf 1 alle 5 Sekunden ändert, die Anzahl der Aufnahmen von 3600 auf 720 pro Stunde, und der maximale (mögliche) Fehler beträgt 4 m alle 3 m wird alle 4 m 15 m (d. h. von 130 % auf 25 %!). Die Fehlerabrechnung durch den aufgezeichneten Trace wird um das 25-fache reduziert. Der einzige Nachteil besteht darin, dass Pfade, bei denen die Gefahr einer starken Krümmung besteht, leicht segmentiert sind. « Risiko "**, denn obwohl dies ein Trail ist, wird die Geschwindigkeit in den Kurven unweigerlich sinken und daher zwei aufeinanderfolgende FIX näher kommen, was den Segmentierungseffekt abschwächt.

Mountainbiking liegt am Übergang zwischen niedrigen Geschwindigkeiten (< 20 km/h) und mittleren Geschwindigkeiten (> 20 km/h), bei einer Strecke mit langsamem Profil bis sehr (< 15 km/h) langsam – die Frequenz ist 5 S. ist ein guter Kompromiss (einschließlich Trail), wenn es sich um ein XC-Profil (> 15 km/h) handelt, scheint das Beibehalten von 3 Sekunden ein guter Kompromiss zu sein. Wählen Sie für ein Nutzungsprofil mit höherer Geschwindigkeit (DH) eine oder zwei Sekunden als Schreibgeschwindigkeit aus.

Bei einer Geschwindigkeit von 15 km/h reduziert die Wahl der Trackaufzeichnungsfrequenz von 1 bis 3 s die GPS-Fehlerabrechnung um das ca. 10-fache. Da der Wenderadius im Prinzip von der Geschwindigkeit abhängt, wird die genaue Bahnrückgewinnung in engen Haarnadelkurven oder Kurven nicht beeinträchtigt.

Abschluss

Die neuesten Versionen von GPS, die für Outdoor-Aktivitäten und Radfahren verfügbar sind, bieten die Standortgenauigkeit, die in der am Anfang des Artikels zitierten Studie zu sehen ist.

Indem Sie die Aufzeichnungsrate auf Ihre durchschnittliche Fahrgeschwindigkeit optimieren, reduzieren Sie den Distanz- und Höhenfehler Ihres GPX-Tracks erheblich: Ihr Track wird glatter und hält sich gut auf Tracks.

Die Demonstration basiert auf idealen Empfangsbedingungen, wenn sich diese Empfangsbedingungen verschlechtern 🌧 (Wolken, Baldachin, Tal, Stadt). Die Positionsunsicherheit nimmt schnell zu und die unerwünschten Effekte einer hohen FIX-Aufzeichnungsrate bei niedriger Geschwindigkeit werden verstärkt.

Das obige Bild zeigt ein Bajonett, das ohne Maske ein offenes Feld durchquert, um nur den Effekt der FIX-Übertragungsfrequenz in der GPX-Datei zu beobachten.

Dies sind vier Tracks, die während eines Trail-(Lauf-)Trainings mit einer Geschwindigkeit von 10 km / h aufgenommen wurden und das ganze Jahr über zufällig ausgewählt wurden. Drei Datensätze (Traces) werden alle 3 Sekunden von FIX und alle 5 Sekunden ein FIX geladen.

Erste Beobachtung: Die Erholung der Flugbahn beim Passieren des Bajonetts verschlechtert sich nicht, was nachgewiesen werden musste. Zweite Beobachtung: Alle beobachteten "kleinen" seitlichen Abweichungen sind auf den "ausgewählten" Bahnen nach 3 Sekunden vorhanden. Die gleiche Beobachtung ergibt sich beim Vergleich der Spuren, die mit Frequenzen von 1 s und 5 s (für diesen Geschwindigkeitsbereich) aufgezeichnet wurden, die mit FIX gezeichnete Spur im Abstand von 5 Sekunden (für diesen Geschwindigkeitsbereich) ist sauberer, die Gesamtentfernung und die Höhe wird näher am tatsächlichen Wert sein.

Daher wird auf einem Mountainbike die GPS-Positionsaufzeichnungsrate zwischen 2 s (DH) und 5 s (Fahrt) eingestellt.

📸 ASO / Aurélien VIALATTE – Cristian Casal / TWS