Por que a súa altitude GPS ou STRAVA é imprecisa?

Xorde unha pregunta ou pregunta recorrente sobre a precisión da altitude e as diferenzas de altitude do GPS.

Aínda que poida parecer trivial, conseguir unha altura precisa é un reto, no plano horizontal pode colocar facilmente unha cinta métrica, unha corda, unha cadea xeodésica ou acumular a circunferencia dunha roda para medir a distancia. por outra banda, é máis difícil situar o contador 📐 no plano vertical.

As alturas do GPS baséanse nunha representación matemática da forma da terra, mentres que as alturas nun mapa topográfico baséanse nun sistema de coordenadas verticais asociado ao globo terráqueo.

Polo tanto, trátase de dous sistemas diferentes que deben coincidir nun punto.

A altitude e o desnivel son parámetros que a maioría dos ciclistas, ciclistas de montaña, sendeiristas e escaladores quererán consultar despois dun paseo.

As instrucións para obter o perfil vertical e a diferenza de elevación correcta están relativamente ben documentadas nos manuais de GPS ao aire libre (como os manuais da gama Garmin GPSMap), paradoxalmente, esta información está case ausente ou críptica nos manuais de usuario do GPS previstos. para ciclistas (por exemplo, guías para a gama GPS Garmin Edge).

O servizo posvenda de Garmin está a repartir todos os consellos útiles, igual que o TwoNav. Para outros fabricantes ou aplicacións de GPS (ademais de Strava) esta é unha gran brecha 🕳.

Como medir a altura?

Varias técnicas:

• Aplicando na práctica o famoso teorema de Thales,
• Varias técnicas de triangulación,
• Usando un altímetro,
• Radar, trato,
• Medidas por satélite.

Altímetro barométrico

Era necesario determinar o estándar: o altímetro traduce a presión atmosférica dun lugar nunha altitude. Unha altitude de 0 m corresponde a unha presión de 1013,25 mbar ao nivel do mar a unha temperatura de 15 ° Celsius.

Na práctica, estas dúas condicións raramente se cumpren ao nivel do mar, por exemplo, ao escribir este artigo, a presión na costa de Normandía era de 1035 mbar e a temperatura é próxima aos 6 °, o que pode provocar un erro a unha altitude. duns 500 m.

O altímetro barométrico dá a altitude precisa despois do reaxuste se as condicións de presión/temperatura se estabilizan.

O axuste consiste en manter unha altitude precisa para un lugar e, a continuación, o altímetro axusta esa altitude en resposta aos cambios na presión atmosférica e na temperatura.

Unha baixada de temperatura 🌡 estreita as curvas de presión e aumenta a altitude, e viceversa se a temperatura aumenta.

O valor de altitude mostrado será sensible aos cambios na temperatura ambiente, o usuario do altímetro, que o sostén ou o leva no pulso, debe ser consciente do efecto dos cambios de temperatura locais sobre o valor mostrado (por exemplo: reloxo pechado/ aberto con manga, vento relativo por movementos rápidos ou lentos, influencia da temperatura corporal, etc.).

Para simplificar a masa de aire estable, é o tempo estable 🌥.

Cando se usa correctamente, o altímetro barométrico é un instrumento de referencia fiable para unha variedade de aplicacións como a aeronáutica, sendeirismo, montañismo...

O GPS de altitude

O GPS determina a altura dun lugar en relación coa esfera ideal que simula a Terra: "Elipsoide". Dado que a Terra é imperfecta, esta altura debe ser transformada para obter a altura "xeoide" 🌍.

Un observador que le a altura dun marcador de levantamento mediante GPS pode ver unha desviación de varias decenas de metros, aínda que o seu GPS funciona correctamente en condicións de recepción ideais. Quizais o receptor GPS está mal?

Esta diferenza explícase pola precisión da modelización do elipsoide e, en particular, do modelo xeoide, que é complexo debido a que a superficie terrestre non é unha esfera ideal, contén anomalías, sofre modificacións humanas e está en constante cambio. (Telúrico e Humano).

Estas imprecisións combinaranse cos erros de medición inherentes ao GPS, e son a causa de imprecisións e cambios constantes na altitude que informa o GPS.

As xeometrías de satélites que favorecen unha boa precisión horizontal, é dicir, a baixa posición dos satélites no horizonte, impide a adquisición precisa da altitude. A orde de magnitude da precisión vertical é 1,5 veces a precisión horizontal.

A maioría dos fabricantes de chipsets GPS integran o modelo matemático no seu software. que se achega ao modelo xeodésico da terra e proporciona a altura especificada neste modelo.

Isto significa que se andas polo mar non é raro ver altitude negativa ou positiva, porque o modelo xeodésico da terra é imperfecto, e a esta deficiencia hai que engadirlle o erro propio do GPS. A combinación destes erros pode provocar unha desviación de elevación de máis de 50 metros en determinados lugares 😐.

Os modelos de xeoides foron refinados, en particular, a altimetría obtida como resultado do posicionamento GNNS permanecerá imprecisa durante varios anos.

Modelo dixital do terreo "DTM"

Un DTM é un ficheiro dixital composto por cuadrículas, cada cuadrícula (superficie elemental cadrada) proporciona un valor de altura para a superficie desa cuadrícula. Unha idea do tamaño actual da cuadrícula do modelo de elevación mundial é de 30 m x 90 m. Coñecendo a posición dun punto na superficie da terra (lonxitude, latitude), é fácil obter a altura do lugar lendo o ficheiro DTM (ou DTM, Digital Terrain Model en inglés).

A principal desvantaxe dun DEM é a súa fiabilidade (anomalías, buracos) e precisión do ficheiro; Exemplos:

• O ASTER DEM está dispoñible cun paso (cuadrícula ou píxel) de 30 m, unha precisión horizontal de 30 m e un altímetro de 20 m.
• O MNT SRTM está dispoñible en espazamento de 90 m (cuadrícula ou píxel), aproximadamente 16 m de altímetro e 60 m de precisión planimétrica.
• O modelo Sonny DEM (Europa) está dispoñible en incrementos de 1°x1°, é dicir, cun tamaño de cela da orde de 25 x 30 m dependendo da latitude. O vendedor compilou as fontes de datos máis precisas, este DEM é relativamente preciso e pódese usar "doadamente" para TwoNav e Garmin GPS a través do mapeo gratuíto OpenmtbMap.
• IGN DEM 5m x 5m está dispoñible de xeito gratuíto (a partir de xaneiro de 2021) en pasos de 1m x 1m ou 5m x 5m con resolución vertical de 1m. O acceso a este DEM explícase nesta guía.

Non confunda a resolución (ou a exactitude dos datos do ficheiro) coa exactitude real deses datos. As lecturas (medidas) pódense obter a partir de instrumentos que non permiten observar a superficie do globo terráqueo ao metro máis próximo.

IGN DEM, dispoñible de balde 🙏 a partir de xaneiro de 2021, é un mosaico de lecturas (medidas) obtidas con varios instrumentos. As áreas escaneadas para investigacións recentes (por exemplo, o risco de inundación) foron escaneadas a unha resolución de 1 m, noutros lugares a precisión pode estar moi lonxe deste valor. Non obstante, no ficheiro, os datos interpoláronse para cubrir os campos en incrementos de 5x5m ou 1x1m. IGN lanzou unha campaña de enquisas de alta resolución co obxectivo de cubrir por completo Francia para 2026, e ese día, IGN DEM será preciso. e gratis a intervalos de 1x1x1m...

O DEM mostra a cota do terreo: non se ten en conta a altura da infraestrutura (edificios, pontes, sebes, etc.). No bosque, esta é a altura da terra ao pé das árbores, a superficie da auga é a superficie da costa para todos os encoros superiores a unha hectárea.

Todos os puntos dunha cela teñen a mesma altura, polo que no bordo do penedo, debido á incerteza da localización do ficheiro, sumada coa incerteza da localización, a altura extraída pode ser a mesma que a da cela veciña.

A precisión do posicionamento GPS en condicións de recepción ideais é da orde de 4,5 m ao 90 %. Este rendemento vese cos receptores GPS máis recentes (GPS + Glonass + Galileo). Polo tanto, a precisión é de 90 veces sobre 100 entre 0 e 5 m (ceo despexado, excluíndo máscaras, excluíndo canóns, etc.) da localización real. usar un DEM cunha cela de 1 x 1 m é contraproducente.porque as posibilidades de estar na grella correcta serán raras. Esta opción abrumará ao procesador sen ningún valor engadido real.

Para obter un DEM que se pode usar en:

• TwoNav GPS: CDEM a 5m (RGEALTI).

• GPS Garmin: Base de datos Sonny

  Aprende a crear o teu propio DEM para TwoNav GPS. As curvas de nivel pódense extraer usando o software Qgis.

Determine a altitude mediante o GPS

Unha solución pode ser cargar o ficheiro DEM no navegador GPS, pero a altitude só será fiable se as cuadrículas son de tamaño reducido e se o ficheiro é o suficientemente preciso (horizontal e verticalmente).

Para ter unha boa idea da calidade do DEM, abonda con visualizar, por exemplo, o relevo dun lago ou construír un camiño que atravese o lago e observar as elevacións nunha sección 2D.

Imaxe: software LAND, vista do lago Gerardmer en aumento 3D x XNUMX con DEM correcto. A proxección das mallas sobre o terreo mostra o límite actual de DEM.

Imaxe: programa LAND, vista do lago Gérardmer “BOG” en 2D co DTM correcto.

Todos os dispositivos GPS modernos de "boa calidade" teñen un compás e un sensor barométrico dixital, polo tanto un altímetro barométrico; Usar este sensor permíteche obter unha altitude precisa sempre que a configures nun punto coñecido (recomendación Garmin).

A imprecisión da altitude proporcionada polo GPS desde a aparición do GPS provocou o desenvolvemento de algoritmos de hibridación para a aeronáutica que utilizan a altitude do barómetro e a altitude GPS para proporcionar unha posición xeográfica precisa. altura. É unha solución de altitude fiable e a opción preferida dos fabricantes de GPS, optimizada para a práctica de TwoNav ao aire libre. e Garmin.

En Garmin introdúcese a oferta de GPS segundo o perfil do usuario (outdoor, ciclismo, mountain bike, etc.), polo que é importante consultar os manuais de usuario e o servizo posvenda.

A solución óptima é configurar o seu GPS na opción:

• Altitude = Barómetro + GPS, se o GPS o permite,
• Altitude = Barómetro + DTM (MNT) se o GPS o permite.

En todos os casos, para un GPS equipado cun barómetro, configure manualmente o barómetro na súa altitude mínima no punto de partida. Na montaña ⛰ en carreiras longas, haberá que refacer a configuración, especialmente en caso de variacións de temperatura e tempo.

Algúns dispositivos de ciclismo de Garmin optimizados para GPS restablecen automaticamente a altitude barométrica nos puntos de referencia de altitude coñecidos, o que é unha solución especialmente intelixente para a bicicleta de montaña. Non obstante, o usuario deberá informar, por exemplo, antes de saír da altura dos pasos e do fondo do val; á volta, a diferenza de altura será precisa 👍.

No modo Barómetro + (GPS ou DTM), o fabricante inclúe un algoritmo de axuste automático do barómetro baseado no principio de que a subida observada polo barómetro, GPS ou DEM debe ser consistente: este principio ofrece unha gran flexibilidade ao usuario e é moi adecuado para actividades ao aire libre.

Non obstante, o usuario debe ter en conta as limitacións:

• O GPS baséase no xeoide, polo que se o usuario se move por terreo artificial (por exemplo, para escorias), as correccións distorsionaranse,
• O DEM mostra o camiño sobre o terreo, se o usuario toma prestada unha parte importante da infraestrutura humana (viaduto, ponte, pontes peonís, túneles, etc.), os axustes compensaranse.

Polo tanto, o procedemento óptimo para obter un aumento de elevación preciso é o seguinte:

1️⃣ Axusta o sensor barométrico ao principio. Sen esta configuración, as alturas converteranse (desplazarse), a diferenza de niveis será correcta se a deriva pola climatoloxía é pequena (percorrido curto fóra das montañas). Para os usuarios de GPS da familia Garmin, Garmin e Strava usan as alturas "gpx" para a comunidade, polo que é preferible introducir o perfil de elevación correcto na base de datos.

2️⃣ Para reducir a deriva (erro en altitude e altitude) polas condicións meteorolóxicas en viaxes longas (> 1 hora) e en montaña:

• Concéntrase na elección Barómetro + GPS, zonas exteriores con relevo artificial (vertedoiros, montes artificiais, etc.),
• Concéntrase na elección Barómetro + DTM (MNT)se instalou un DTM IGN (cuadrícula de 5 x 5 m) ou un DTM Sonny (Francia ou Europa) fóra dun itinerario que utilice unha parte importante da infraestrutura (pontes peonís, pasos elevados, etc.).

Desenvolvemento dunha diferenza de altura

O problema de altitude descrito nas liñas anteriores maniféstase con máis frecuencia despois de observar que a diferenza de altitude entre os dous practicantes é diferente ou varía segundo se le no GPS ou nunha aplicación como STRAVA (ver a axuda de STRAVA) por exemplo.

Primeiro de todo, debes sintonizar o teu GPS para proporcionar a altitude máis fiable.

É bastante sinxelo obter a diferenza de niveis lendo o mapa, moitas veces o practicante limítase a determinar a diferenza entre os puntos de dimensións extremas, aínda que, para ser precisos, é necesario contar as curvas de nivel positivas para obter a suma. .

Non hai liñas horizontais no ficheiro dixital, o software GPS, a aplicación de trazado de pistas ou o software de análise está configurado para "acumular pasos ou incrementos de elevación".

A miúdo pódese configurar "sen acumulación":

• en TwoNav as opcións de configuración son comúns a todos os GPS
• en Gamin debes consultar o manual de usuario e o servizo posvenda (cada modelo ten as súas propias características segundo o perfil de usuario típico)
• a aplicación OpenTraveller ten unha opción que suxire axustar o limiar de sensibilidade para determinar a diferenza de altura.

Cada un ten a súa solución 💡.

Sitios web ou software para análise en liña esforzarse por substituír a altura de ficheiros "gpx" cos seus propios datos de altura.

Exemplo: STRAVA creou un ficheiro de altimetría "nativo" creado usando cotas derivadas de pistas derivadas de GPS coñecido por STRAVA e está equipado cun sensor barométrico.A solución adoptada supón que o GPS é coñecido por STRAVA, polo que polo momento obténse principalmente da gama GARMIN, e a fiabilidade do ficheiro supón que cada usuario se encargou do restablecemento manual da altitude. .

En canto ás consecuencias prácticas, o problema xorde sobre todo nas andainas en grupo, xa que cada participante 🚵 pode notar que a súa diferenza de cota é diferente do nivel dos demais participantes, dependendo do seu tipo de GPS, ou ben se trata dun usuario curioso que non entende. por que a diferenza é a altitude GPS, o software de análise ou STRAVA é diferente.

No mundo STRAVA perfectamente desinfectado, todos os membros do grupo de usuarios de GPS GARMIN deberían ver, en principio, a mesma altitude no seu GPS e no seu STRAVA. Non obstante, é lóxico que a diferenza só se explique polo axuste de altura nada confirma que a diferenza de altura indicada sexa correcta.

É lóxico que un membro deste grupo de usuarios que teña un GPS descoñecido por STRAVA vexa a mesma diferenza de altitude en STRAVA que os seus asistentes, aínda que a diferenza de nivel que mostra o seu GPS é diferente. Pode culpar ao seu hardware, que con todo funciona correctamente.

O valor máis próximo ao verdadeiro da diferenza de altura aínda se obtén en FRANCIA ou BÉLXICA ao ler a tarxeta IGN., a posta en servizo dun xeoide máis avanzado moverá gradualmente o fito cara ao GNSS

GNSS: Xeolocalización e navegación mediante un sistema de satélite: determinación da posición e velocidade dun punto na superficie ou nas proximidades inmediatas da Terra mediante o procesamento de sinais de radio de varios satélites artificiais recibidos nese punto.

Se necesitas confiar nun software ou nunha aplicación para obter a diferenza de elevación, debes axustar este software para axustar o valor do paso de acumulación segundo as liñas de nivel do mapa IGN do sitio, é dicir, 5 ou 10 m. Un pequeno paso converterá nunha caída todos os pequenos saltos ou transicións a baches, e viceversa, un paso demasiado alto borrará a subida de pequenos outeiros.

Despois de aplicar estas recomendacións, o experimento do autor mostra que os valores de altitude obtidos mediante GPS ou software de análise equipado cun DEM fiable permanecen dentro do rango "correcto". asumindo que o mapa IGN tamén ten as súas propias incertezasen comparación coa estimación obtida coa tarxeta IGN 1/25.

Por outra banda, o valor publicado por STRAVA adoita estar exagerado. O método empregado por STRAVA, baseado no "feedback" dos usuarios, permite teoricamente prever unha rápida converxencia a valores moi próximos á verdade, que, dependendo do número de visitantes, xa deberían producirse en BikePark. ou pistas moi ocupadas!

Para ilustrar este punto concretamente, aquí tes a análise dunha pista, tomada ao azar, nunha estrada de 20 km de costas. A altitude GPS "barométrica" ​​estableceuse antes da saída, proporciona a altitude "Barométrica + GPS", o DTM é un DTM fiable que foi redeseñado para ser preciso. Estamos fóra da zona onde STRAVA podería ter un perfil de elevación fiable.

Esta é unha ilustración dunha pista onde a diferenza entre IGN e GPS é a maior e a diferenza entre IGN e STRAVA é a menor. a distancia entre o GPS e STRAVA é de 80 m, e o verdadeiro "IGN" está entre eles.

Alturas
Saída	Chegada	Max	min	altura	Desviación / IGN
GPS (barrera + GPS)	122	124	150	98	198	-30
Axuste de altura en DTM	122	122	150	98	198	-30
ALIMENTOS	280	+ 51
Tarxetas IGN	122	122	148	99	228,5	0