Tại sao độ cao GPS hoặc STRAVA của bạn không chính xác?

Một câu hỏi lặp lại hoặc câu hỏi đặt ra liên quan đến độ chính xác của độ cao và sự khác biệt về độ cao của GPS.

Mặc dù có vẻ tầm thường nhưng để có được độ cao chính xác là một thách thức, trong mặt phẳng nằm ngang, bạn có thể dễ dàng đặt thước dây, dây thừng, xích trắc địa hoặc tích chu vi của bánh xe để đo khoảng cách. mặt khác, việc định vị máy đo 📐 trong mặt phẳng thẳng đứng sẽ khó hơn.

Độ cao GPS dựa trên biểu diễn toán học về hình dạng của trái đất, trong khi độ cao trên bản đồ địa hình dựa trên hệ tọa độ dọc liên kết với địa cầu.

Do đó, đây là hai hệ thống khác nhau phải trùng khớp ở một điểm.

Độ cao và độ dốc thẳng đứng là những thông số mà hầu hết người đi xe đạp, người đi xe đạp leo núi, người đi bộ đường dài và người leo núi sẽ muốn tham khảo sau một chuyến đi.

Hướng dẫn để có được cấu hình thẳng đứng và chênh lệch độ cao chính xác được ghi lại tương đối đầy đủ trong các hướng dẫn sử dụng GPS ngoài trời (chẳng hạn như hướng dẫn phạm vi Garmin GPSMap), nghịch lý là thông tin này hầu như không có hoặc khó hiểu trong các hướng dẫn sử dụng GPS dự kiến. dành cho người đi xe đạp (ví dụ: hướng dẫn cho dải GPS Garmin Edge).

Dịch vụ hậu mãi của Garmin cung cấp tất cả các lời khuyên hữu ích, giống như TwoNav. Đối với các nhà sản xuất hoặc ứng dụng GPS khác (ngoài Strava) thì đây là một khoảng cách lớn 🕳.

Làm thế nào để đo chiều cao?

Một số kỹ thuật:

• Áp dụng định lý Thales nổi tiếng trong thực tế,
• Các kỹ thuật tam giác khác nhau,
• Sử dụng máy đo độ cao,
• Radar, Thỏa thuận,
• Các phép đo vệ tinh.

Máy đo độ cao khí áp

Cần phải xác định tiêu chuẩn: máy đo độ cao chuyển áp suất khí quyển của một nơi thành độ cao. Độ cao 0 m tương ứng với áp suất 1013,25 mbar trên mực nước biển ở nhiệt độ 15 ° C.

Trong thực tế, hai điều kiện này hiếm khi được đáp ứng ở mực nước biển, ví dụ khi viết bài này, áp suất trên bờ biển Normandy là 1035 mbar và nhiệt độ gần 6 °, có thể dẫn đến sai số ở độ cao khoảng 500 m.

Máy đo độ cao khí áp cho độ cao chính xác sau khi điều chỉnh lại nếu điều kiện áp suất / nhiệt độ ổn định.

Điều chỉnh là để đảm bảo độ cao chính xác của vị trí, sau đó máy đo độ cao sẽ điều chỉnh độ cao đó để đáp ứng với những thay đổi về áp suất và nhiệt độ khí quyển.

Nhiệt độ giảm 🌡 thu hẹp các đường cong áp suất và độ cao tăng, và ngược lại nếu nhiệt độ tăng.

Giá trị độ cao được hiển thị sẽ nhạy cảm với những thay đổi của nhiệt độ xung quanh, người sử dụng máy đo độ cao, người đang cầm hoặc đeo nó trên cổ tay, nên biết ảnh hưởng của những thay đổi về nhiệt độ cục bộ đối với giá trị được hiển thị (ví dụ: đồng hồ đóng / mở bằng ống tay áo, gió tương đối do chuyển động nhanh hay chậm, ảnh hưởng của nhiệt độ cơ thể, v.v.).

Để đơn giản hóa khối không khí ổn định, đó là điều kiện thời tiết ổn định 🌥.

Khi được sử dụng đúng cách, máy đo độ cao khí áp là một công cụ tham chiếu đáng tin cậy cho nhiều ứng dụng khác nhau như hàng không, đi bộ đường dài, leo núi ...

Độ cao GPS

GPS xác định độ cao của một địa điểm liên quan đến hình cầu lý tưởng mô phỏng Trái đất: "Ellipsoid". Vì Trái đất là không hoàn hảo, nên độ cao này phải được biến đổi để có được độ cao "geoid" 🌍.

Người quan sát đọc độ cao của điểm đánh dấu khảo sát bằng GPS có thể thấy độ lệch vài chục mét, mặc dù GPS của anh ta đang hoạt động chính xác trong điều kiện nhận lý tưởng. Có thể máy thu GPS bị sai?

Sự khác biệt này được giải thích là do độ chính xác của mô hình ellipsoid và đặc biệt là mô hình geoid, rất phức tạp do bề mặt Trái đất không phải là một hình cầu lý tưởng, có chứa các dị thường, trải qua các sửa đổi của con người và liên tục thay đổi. (Telluric và Human).

Những điểm không chính xác này sẽ được kết hợp với các lỗi đo lường vốn có trong GPS, và là nguyên nhân gây ra sự không chính xác và sự thay đổi liên tục về độ cao do GPS báo cáo.

Hình học vệ tinh thiên về độ chính xác theo chiều ngang tốt, tức là vị trí thấp của vệ tinh trên đường chân trời, ngăn cản việc thu nhận độ cao chính xác. Thứ tự độ lớn của độ chính xác dọc là 1,5 lần độ chính xác ngang.

Hầu hết các nhà sản xuất chipset GPS đều tích hợp mô hình toán học vào phần mềm của họ. tiếp cận mô hình trắc địa của trái đất và cung cấp chiều cao được chỉ định trong mô hình này.

Điều này có nghĩa là nếu bạn đang đi bộ trên biển, không có gì lạ khi nhìn thấy độ cao âm hoặc dương, bởi vì mô hình trắc địa của trái đất là không hoàn hảo, và thiếu sót này phải được thêm lỗi cụ thể cho GPS. Sự kết hợp của những sai số này có thể gây ra độ lệch độ cao hơn 50 mét tại một số vị trí nhất định 😐.

Các mô hình geoid đã được tinh chỉnh, đặc biệt, phép đo độ cao thu được do định vị GNNS sẽ vẫn không chính xác trong vài năm.

Mô hình địa hình kỹ thuật số “DTM”

DTM là một tệp kỹ thuật số bao gồm các lưới, mỗi lưới (bề mặt cơ bản hình vuông) cung cấp một giá trị chiều cao cho bề mặt của lưới đó. Một ý tưởng về kích thước lưới hiện tại của mô hình độ cao thế giới là 30 m x 90 m. Biết vị trí của một điểm trên bề mặt trái đất (kinh độ, vĩ độ), bạn có thể dễ dàng lấy được độ cao của địa điểm bằng cách đọc tệp DTM (hoặc DTM, Digital Terrain Model bằng tiếng Anh).

Nhược điểm chính của DEM là độ tin cậy (dị thường, lỗ hổng) và độ chính xác của tệp; Ví dụ:

• ASTER DEM có sẵn với bước (lưới hoặc pixel) là 30 m, độ chính xác theo chiều ngang là 30 m và máy đo độ cao là 20 m.
• MNT SRTM có sẵn cho khoảng cách 90 m (lưới hoặc pixel), đo độ cao xấp xỉ 16 m và độ chính xác 60 m.
• Mô hình Sonny DEM (Châu Âu) có sẵn với gia số 1°x1°, tức là với kích thước ô theo thứ tự 25 x 30 m tùy thuộc vào vĩ độ. Nhà cung cấp đã tổng hợp các nguồn dữ liệu chính xác nhất, DEM này tương đối chính xác và có thể sử dụng “dễ dàng” cho TwoNav và Garmin GPS thông qua bản đồ OpenmtbMap miễn phí.
• IGN DEM 5m x 5m được cung cấp miễn phí (từ tháng 2021 năm 1) ở các bước 1m x 5m hoặc 5m x 1m với độ phân giải dọc XNUMXm. Cách tiếp cận DEM này được giải thích trong hướng dẫn này.

Đừng nhầm giữa độ phân giải (hoặc độ chính xác của dữ liệu trong tệp) với độ chính xác thực tế của dữ liệu đó. Các số đọc (phép đo) có thể thu được từ các dụng cụ không cho phép quan sát bề mặt địa cầu với độ chính xác đến một mét.

IGN DEM, được cung cấp miễn phí 🙏 từ tháng 2021 năm 1, là một tập hợp các bài đọc (phép đo) thu được bằng các công cụ khác nhau. Các khu vực được quét để nghiên cứu gần đây (ví dụ như nguy cơ lũ lụt) được quét ở độ phân giải 5 m, ở những nơi khác độ chính xác có thể rất xa giá trị này. Tuy nhiên, dữ liệu trong tệp đã được nội suy để điền vào các trường với gia số 5x1m hoặc 1x2026m. IGN đã khởi động chiến dịch bỏ phiếu độ phân giải cao với mục tiêu bao phủ toàn bộ nước Pháp vào năm 1 và vào ngày đó, IGN DEM sẽ chính xác và miễn phí ở các khoảng thời gian 1x1xXNUMXm. ...

DEM hiển thị độ cao của mặt đất: độ cao của cơ sở hạ tầng (tòa nhà, cầu, hàng rào, v.v.) không được tính đến. Trong rừng, đây là độ cao của trái đất dưới chân cây, mặt nước là bề mặt của bờ biển đối với tất cả các hồ chứa lớn hơn một ha.

Tất cả các điểm trong một ô đều có cùng chiều cao, vì vậy ở rìa của vách đá, do vị trí tệp không chắc chắn, cộng lại với sự không chắc chắn của vị trí, chiều cao trích xuất có thể giống với ô lân cận.

Độ chính xác của định vị GPS trong điều kiện tiếp nhận lý tưởng là theo thứ tự 4,5 m ở mức 90%. Hiệu suất này được nhìn thấy trên các máy thu GPS gần đây nhất (GPS + Glonass + Galileo). Do đó, độ chính xác là 90 lần trong số 100 lần trong khoảng từ 0 đến 5 m (bầu trời quang đãng, không bao gồm mặt nạ, không bao gồm hẻm núi, v.v.) của vị trí thực. sử dụng DEM với ô 1 x 1 m sẽ phản tác dụng.bởi vì cơ hội lên lưới chính xác sẽ rất hiếm. Sự lựa chọn này sẽ áp đảo bộ xử lý không có giá trị gia tăng thực sự!

Để có được một DEM có thể được sử dụng trong:

• HaiNav GPS: CDEM на 5 м (RGEALTI).

• Garmin GPS: Cơ sở dữ liệu Sonny

  Tìm hiểu cách tạo DEM của riêng bạn cho TwoNav GPS. Đường cong mức có thể được trích xuất bằng phần mềm Qgis.

Xác định độ cao bằng GPS

Một giải pháp có thể là tải tệp DEM vào bộ điều hướng GPS của bạn, nhưng độ cao sẽ chỉ đáng tin cậy nếu các lưới được giảm kích thước và nếu tệp đủ chính xác (theo chiều ngang và chiều dọc).

Để có được ý tưởng tốt về chất lượng của DEM, bạn chỉ cần hình dung, ví dụ như việc đắp nổi một cái hồ hoặc xây dựng một con đường băng qua hồ và quan sát độ cao trong một mặt cắt 2D.

Hình ảnh: Phần mềm LAND, quang cảnh Hồ Gerardmer ở ​​độ phóng đại 3D x XNUMX với DEM chính xác. Hình chiếu của các mắt lưới trên bức phù điêu cho thấy giới hạn DEM hiện tại.

Hình ảnh: Chương trình LAND, chế độ xem hồ Gérardmer “BOG” ở chế độ 2D với DTM chính xác.

Tất cả các thiết bị GPS “chất lượng tốt” hiện đại đều có la bàn và cảm biến khí áp kỹ thuật số, do đó có máy đo độ cao khí áp; Sử dụng cảm biến này cho phép bạn có được độ cao chính xác với điều kiện bạn đặt độ cao tại một điểm đã biết (đề xuất của Garmin).

Độ cao không chính xác do GPS cung cấp kể từ khi GPS ra đời đã thúc đẩy sự phát triển của các thuật toán lai ghép cho hàng không sử dụng độ cao khí áp kế và độ cao GPS để cung cấp vị trí địa lý chính xác. Chiều cao. Đây là giải pháp độ cao đáng tin cậy và là sự lựa chọn ưu tiên của các nhà sản xuất GPS, được tối ưu hóa cho hoạt động thực hành ngoài trời của TwoNav. và Garmin.

Tại Garmin, việc cung cấp GPS được giới thiệu theo hồ sơ người dùng (ngoài trời, đi xe đạp, xe đạp leo núi, v.v.), vì vậy điều quan trọng là phải tham khảo hướng dẫn sử dụng và dịch vụ sau bán hàng.

Giải pháp tối ưu là đặt GPS của bạn thành tùy chọn:

• Độ cao = Khí áp kế + GPS, nếu GPS cho phép,
• Độ cao = Khí áp kế + DTM (MNT) nếu GPS cho phép.

Trong mọi trường hợp, đối với GPS được trang bị khí áp kế, hãy đặt phong vũ biểu theo cách thủ công ở độ cao tối thiểu của nó tại điểm xuất phát. Ở vùng núi, về lâu dài, cài đặt sẽ cần phải được thực hiện lại, đặc biệt là trong trường hợp có biến động về nhiệt độ và thời tiết.

Một số thiết bị đạp xe được tối ưu hóa bằng GPS của Garmin tự động đặt lại độ cao khí áp tại các điểm tham chiếu có độ cao đã biết, đây là một giải pháp đặc biệt thông minh cho việc đi xe đạp leo núi. Tuy nhiên, người dùng phải thông báo, ví dụ, trước khi rời khỏi độ cao của các con đèo và đáy của thung lũng; trên đường về sẽ chính xác độ cao chênh lệch 👍.

Ở chế độ Barometer + (GPS hoặc DTM), nhà sản xuất đưa vào thuật toán điều chỉnh phong vũ biểu tự động dựa trên nguyên tắc rằng sự gia tăng mà phong vũ biểu, GPS hoặc DEM nhìn thấy phải nhất quán: nguyên tắc này mang lại sự linh hoạt cao cho người sử dụng và rất thích hợp cho việc sử dụng ngoài trời các hoạt động.

Tuy nhiên, người dùng cần lưu ý những hạn chế:

• GPS dựa trên geoid, vì vậy nếu người dùng di chuyển qua địa hình nhân tạo (ví dụ: đến bãi thải xỉ), các hiệu chỉnh sẽ bị bóp méo,
• DEM hiển thị đường đi trên mặt đất, nếu người dùng mượn một phần đáng kể cơ sở hạ tầng của con người (cầu cạn, cầu, cầu dành cho người đi bộ, đường hầm, v.v.), các điều chỉnh sẽ được thay đổi.

Do đó, quy trình tối ưu để có được sự gia tăng độ cao chính xác là như sau:

1️⃣ Điều chỉnh cảm biến khí áp lúc đầu. Nếu không có cài đặt này, độ cao sẽ được chuyển đổi (dịch chuyển), sự khác biệt về mức độ sẽ chính xác nếu độ lệch do điều kiện thời tiết là nhỏ (tuyến đường ngắn bên ngoài núi). Đối với người dùng GPS gia đình của Garmin, độ cao “gpx” được Garmin và Strava sử dụng cho cộng đồng, vì vậy bạn nên nhập cấu hình độ cao chính xác vào cơ sở dữ liệu.

2️⃣ Để giảm độ lệch (sai số về độ cao và độ cao) do điều kiện thời tiết trên hành trình dài (> 1 giờ) và trên núi:

• Tập trung vào sự lựa chọn Phong vũ biểu + GPS, các khu vực bên ngoài có cứu trợ nhân tạo (khu vực bãi rác, đồi nhân tạo, v.v.),
• Tập trung vào sự lựa chọn Phong vũ biểu + DTM (MNT)nếu bạn đã lắp đặt IGN DTM (lưới 5 x 5 m) hoặc Sonny DTM (Pháp hoặc Châu Âu) bên ngoài tuyến đường sử dụng một phần đáng kể cơ sở hạ tầng (cầu đi bộ, cầu vượt, v.v.).

Phát triển sự khác biệt về chiều cao

Vấn đề độ cao được mô tả trong các dòng trước thường tự biểu hiện sau khi quan sát thấy sự khác biệt về độ cao giữa hai học viên là khác nhau hoặc thay đổi tùy thuộc vào việc nó được đọc trên GPS hoặc trong một ứng dụng như STRAVA (xem trợ giúp của STRAVA) chẳng hạn.

Trước hết, bạn cần điều chỉnh GPS của mình để cung cấp độ cao đáng tin cậy nhất.

Việc đọc bản đồ khá đơn giản để có được sự khác biệt giữa các cấp độ, thường người tập bị hạn chế trong việc xác định sự khác biệt giữa các điểm có kích thước cực hạn, mặc dù, để chính xác, cần phải đếm các đường đồng mức dương để lấy tổng. .

Không có đường ngang trong tệp kỹ thuật số, phần mềm GPS, ứng dụng vẽ biểu đồ đường đi hoặc phần mềm phân tích được định cấu hình để “tích lũy bước hoặc gia số độ cao”.

Thường thì "không có tích lũy" có thể được định cấu hình:

• trong TwoNav, các tùy chọn cài đặt chung cho tất cả GPS
• tại Gamin, bạn nên tham khảo hướng dẫn sử dụng và dịch vụ sau bán hàng (mỗi dòng máy có những đặc điểm riêng theo cấu hình người dùng điển hình)
• ứng dụng OpenTraveller có một tùy chọn đề xuất điều chỉnh ngưỡng độ nhạy để xác định sự khác biệt về chiều cao.

Mỗi người đều có giải pháp của riêng mình 💡.

Trang web hoặc phần mềm để phân tích trực tuyến cố gắng thay thế chiều cao từ các tệp "gpx" với dữ liệu chiều cao của riêng chúng.

Ví dụ: STRAVA đã tạo tệp đo độ cao "gốc" được tạo bằng cách sử dụng độ cao bắt nguồn từ các tuyến đường bắt nguồn từ GPS được biết đến với STRAVA và được trang bị cảm biến khí áp. Giải pháp được áp dụng giả định rằng GPS được biết đến bởi STRAVA, vì vậy tại thời điểm này, nó chủ yếu được lấy từ dải GARMIN và độ tin cậy của tệp giả định rằng mỗi người dùng đã quan tâm đến việc đặt lại độ cao thủ công .

Về hậu quả thực tế, vấn đề phát sinh đặc biệt là trong các chuyến đi bộ theo nhóm, bởi vì mỗi người tham gia 🚵 có thể nhận thấy rằng sự chênh lệch độ cao của họ khác với mức độ của những người tham gia khác, tùy thuộc vào loại GPS của họ, hoặc người dùng tò mò không hiểu tại sao sự khác biệt là độ cao GPS, phần mềm phân tích hoặc STRAVA lại khác nhau.

Trong thế giới STRAVA được vệ sinh hoàn hảo, tất cả các thành viên của nhóm người dùng GPS GARMIN về nguyên tắc phải nhìn thấy cùng một độ cao trên GPS và trên STRAVA của họ. Tuy nhiên, hợp lý là sự khác biệt chỉ có thể được giải thích bằng cách điều chỉnh độ cao không có gì xác nhận sự khác biệt chiều cao được công bố là chính xác.

Hợp lý là một thành viên của nhóm người dùng này có GPS không được STRAVA biết đến sẽ thấy cùng độ cao trên STRAVA với các trợ lý của anh ta, mặc dù chênh lệch mức độ hiển thị bởi GPS của anh ta là khác nhau. Anh ta có thể đổ lỗi cho thiết bị của mình, tuy nhiên nó hoạt động chính xác.

Giá trị gần nhất với giá trị thực của sự khác biệt về chiều cao vẫn nhận được ở PHÁP hoặc BỈ khi đọc thẻ IGN., việc đưa vào sử dụng một geoid tiên tiến hơn sẽ dần dần chuyển sang bước ngoặt đối với GNSS

GNSS: Định vị địa lý và điều hướng bằng hệ thống vệ tinh: Xác định vị trí và tốc độ của một điểm trên bề mặt hoặc trong vùng lân cận của Trái đất bằng cách xử lý tín hiệu vô tuyến từ một số vệ tinh nhân tạo nhận được tại điểm đó.

Nếu bạn cần dựa vào phần mềm hoặc một ứng dụng để lấy chênh lệch độ cao, bạn phải điều chỉnh phần mềm này để điều chỉnh giá trị bước tích lũy theo các đường đồng mức của bản đồ IGN của vị trí, nghĩa là, 5 hoặc 10 m. Một bước nhỏ sẽ biến thành một cú sụt giảm tất cả các bước nhảy nhỏ hoặc chuyển sang va chạm, và ngược lại, một bước quá cao sẽ xóa bỏ sự trồi lên của những ngọn đồi nhỏ.

Sau khi áp dụng các khuyến nghị này, thử nghiệm của tác giả cho thấy rằng các giá trị độ cao thu được bằng cách sử dụng GPS hoặc phần mềm phân tích được trang bị DEM đáng tin cậy vẫn nằm trong phạm vi "chính xác", giả định rằng bản đồ IGN cũng có những điểm không chắc chắn của riêng nóso với ước tính thu được với thẻ IGN 1 / 25.

Mặt khác, giá trị do STRAVA công bố thường bị phóng đại quá mức. Phương pháp mà STRAVA sử dụng, dựa trên "phản hồi" từ người dùng, về mặt lý thuyết cho phép bạn dự đoán sự hội tụ nhanh chóng đến các giá trị rất gần với sự thật, tùy thuộc vào số lượng khách truy cập, sẽ diễn ra trong BikePark hoặc các bài hát rất bận rộn!

Để minh họa điểm này một cách cụ thể, đây là phân tích về một đoạn đường, được thực hiện ngẫu nhiên, trên một con đường đồi núi dài 20 km. Độ cao GPS "khí áp" đã được đặt trước khi khởi hành, nó cung cấp độ cao "Khí quyển + GPS", DTM là một DTM đáng tin cậy đã được thiết kế lại để trở nên chính xác. Chúng tôi ở ngoài khu vực mà STRAVA có thể có hồ sơ độ cao đáng tin cậy.

Đây là hình ảnh minh họa đường đua mà sự khác biệt giữa IGN và GPS là lớn nhất và sự khác biệt giữa IGN và STRAVA là nhỏ nhất. khoảng cách giữa GPS và STRAVA là 80m và "IGN" thực sự nằm giữa chúng.

Heights
Đi	Đến	Max	phút	cao	Độ lệch / IGN
GPS (Baro + GPS)	122	124	150	98	198	-30
Điều chỉnh độ cao trên DTM	122	122	150	98	198	-30
THỰC PHẨM	280	+51
Thẻ IGN	122	122	148	99	228,5	0