Por que seu GPS ou altitude STRAVA são imprecisos?

Uma pergunta ou dúvida recorrente surge em relação à precisão da altitude e às diferenças de altitude do GPS.

Embora possa parecer trivial, obter uma altura precisa é um desafio, no plano horizontal você pode facilmente colocar uma fita métrica, corda, corrente geodésica ou acumular a circunferência de uma roda para medir a distância. por outro lado, é mais difícil posicionar o medidor 📐 no plano vertical.

As alturas do GPS são baseadas em uma representação matemática da forma da Terra, enquanto as alturas em um mapa topográfico são baseadas em um sistema de coordenadas verticais associado ao globo.

Portanto, esses são dois sistemas diferentes que devem coincidir em um ponto.

A altitude e a queda vertical são parâmetros que a maioria dos ciclistas, praticantes de mountain bike, caminhantes e alpinistas deseja consultar após um passeio.

As instruções para obter o perfil vertical e a diferença de elevação correta são relativamente bem documentadas em manuais de GPS externos (como os manuais de alcance do GPSMap da Garmin), paradoxalmente, essas informações estão quase ausentes ou enigmáticas nos manuais de usuário de GPS pretendidos. para ciclistas (por exemplo, guias da gama Garmin Edge GPS).

O Serviço Pós-Venda da Garmin está fornecendo todos os conselhos úteis, assim como o TwoNav. Para outros fabricantes de GPS ou aplicativos (além do Strava), essa é uma grande lacuna 🕳.

Como medir a altura?

Várias técnicas:

• Aplicando o famoso teorema de Tales na prática,
• Várias técnicas de triangulação,
• Usando um altímetro,
• Radar, negócio,
• Medições de satélite.

Altímetro barométrico

Era preciso determinar o padrão: o altímetro traduz a pressão atmosférica de um lugar em altitude. Uma altitude de 0 m corresponde a uma pressão de 1013,25 mbar ao nível do mar a uma temperatura de 15 ° Celsius.

Na prática, essas duas condições raramente são encontradas ao nível do mar, por exemplo, ao escrever este artigo, a pressão na costa da Normandia era de 1035 mbar e a temperatura está próxima de 6 °, o que pode levar a um erro a uma altitude de cerca de 500 m.

O altímetro barométrico fornece altitude precisa após o reajuste se as condições de pressão / temperatura se estabilizarem.

O ajuste é para manter uma altitude precisa para um local e, em seguida, o altímetro ajusta essa altitude em resposta às mudanças na pressão atmosférica e na temperatura.

Uma queda na temperatura 🌡 estreita as curvas de pressão e a altitude aumenta, e vice-versa se a temperatura aumenta.

O valor de altitude exibido será sensível a mudanças na temperatura ambiente, o usuário do altímetro, que o está segurando ou usando no pulso, deve estar ciente do efeito das mudanças de temperatura local no valor exibido (por exemplo: relógio fechado / aberto com manga, vento relativo devido a movimentos rápidos ou lentos, influência da temperatura corporal, etc.).

Para simplificar a massa de ar estável, é o clima estável 🌥.

Quando usado corretamente, o altímetro barométrico é um instrumento de referência confiável para uma variedade de aplicações, como aeronáutica, caminhadas, montanhismo ...

L'altitude GPS

O GPS determina a altura de um local em relação à esfera ideal que simula a Terra: "Elipsóide". Como a Terra é imperfeita, essa altura precisa ser transformada para obter a altura do “geóide” 🌍.

Um observador que lê a altura de um marcador de levantamento usando GPS pode ver um desvio de várias dezenas de metros, embora seu GPS esteja funcionando corretamente em condições ideais de recepção. Talvez o receptor GPS esteja errado?

Essa diferença se explica pela precisão da modelagem do elipsóide e, em particular, do modelo geóide, que é complexo pelo fato de a superfície terrestre não ser uma esfera ideal, conter anomalias, sofrer modificações humanas e estar em constante mudança. (Telúrico e Humano).

Essas imprecisões serão combinadas com os erros de medição inerentes ao GPS, e são a causa das imprecisões e mudanças constantes na altitude informada pelo GPS.

As geometrias dos satélites que favorecem uma boa precisão horizontal, ou seja, a posição baixa dos satélites no horizonte, impedem a aquisição precisa da altitude. A ordem de magnitude da precisão vertical é 1,5 vezes a precisão horizontal.

A maioria dos fabricantes de chipset GPS integra o modelo matemático em seu software. que se aproxima do modelo geodésico da terra e fornece a altura especificada neste modelo.

Isso significa que se você está caminhando no mar não é incomum ver altitude negativa ou positiva, pois o modelo geodésico da Terra é imperfeito, e a essa lacuna deve ser adicionado o erro inerente ao GPS. A combinação desses erros pode causar um desvio de elevação de mais de 50 metros em certos locais 😐.

Os modelos de geóide foram refinados, em particular, a altimetria obtida como resultado do posicionamento GNNS permanecerá imprecisa por vários anos.

Modelo Digital de Terreno “DTM”

Um DTM é um arquivo digital composto de grades, cada grade (superfície elementar quadrada) fornece um valor de altura para a superfície dessa grade. Uma ideia do tamanho da grade atual do modelo de elevação mundial é de 30 m x 90 m. Conhecendo a posição de um ponto na superfície da terra (longitude, latitude), é fácil obter a altura do local lendo o arquivo DTM (ou DTM, Digital Terrain Model em inglês).

A principal desvantagem de um DEM é sua confiabilidade (anomalias, buracos) e precisão do arquivo; Exemplos:

• O ASTER DEM está disponível com degrau (grade ou pixel) de 30 m, precisão horizontal de 30 me altímetro de 20 m.
• O MNT SRTM está disponível para espaçamento de 90 m (grade ou pixel), altímetro de aproximadamente 16 m e precisão planimétrica de 60 m.
• O modelo Sonny DEM (Europa) está disponível em incrementos de 1°x1°, ou seja, com um tamanho de célula da ordem de 25 x 30 m dependendo da latitude. O fornecedor compilou as fontes de dados mais precisas, este DEM é relativamente preciso e pode ser usado “facilmente” para TwoNav e GPS Garmin por meio do mapeamento OpenmtbMap gratuito.
• IGN DEM 5m x 5m está disponível gratuitamente (a partir de janeiro de 2021) em passos de 1m x 1m ou 5m x 5m com resolução vertical de 1m. O acesso a este DEM é explicado neste guia.

Não confunda a resolução (ou a precisão dos dados no arquivo) com a precisão real desses dados. As leituras (medições) podem ser obtidas a partir de instrumentos que não permitem observar a superfície do globo ao metro mais próximo.

IGN DEM, disponível gratuitamente 🙏 a partir de janeiro de 2021, é uma colcha de retalhos de leituras (medições) obtidas com vários instrumentos. Áreas escaneadas para pesquisas recentes (por exemplo, risco de inundação) foram escaneadas com resolução de 1 m; em outros lugares, a precisão pode estar muito longe deste valor. No entanto, no arquivo, os dados foram interpolados para preencher os campos em incrementos de 5x5m ou 1x1m. IGN lançou uma campanha de votação de alta resolução com o objetivo de cobrir totalmente a França até 2026 e, nesse dia, IGN DEM será preciso e livre em intervalos de 1x1x1m. ...

O DEM mostra a elevação do terreno: a altura das infraestruturas (edifícios, pontes, sebes, etc.) não é considerada. Na floresta, esta é a altura da terra ao pé das árvores, a superfície da água é a superfície da costa para todos os reservatórios maiores que um hectare.

Todos os pontos de uma célula têm a mesma altura, portanto, na borda da falésia, devido à incerteza da localização do arquivo, somada à incerteza da localização, a altura extraída pode ser igual à da célula vizinha.

A precisão do posicionamento do GPS em condições ideais de recepção é da ordem de 4,5 m a 90%. Este desempenho é visto com os receptores GPS mais recentes (GPS + Glonass + Galileo). Portanto, a precisão é 90 vezes em 100 entre 0 e 5 m (céu claro, excluindo máscaras, excluindo desfiladeiros, etc.) da localização real. usar um DEM com uma célula de 1 x 1 m é contraproducente.porque as chances de estar na grade correta serão raras. Esta escolha sobrecarregará o processador sem nenhum valor agregado real!

Para obter um DEM que pode ser usado em:

• TwoNav GPS: CDEM - 5 M (RGEALTI).

• Garmin GPS: banco de dados Sonny

  Aprenda a criar seu próprio DEM para TwoNav GPS. As curvas de nível podem ser extraídas usando o software Qgis.

Determine a altitude usando GPS

Uma solução pode ser carregar o arquivo DEM em seu navegador GPS, mas a altitude só será confiável se as grades forem reduzidas em tamanho e se o arquivo for preciso o suficiente (horizontal e verticalmente).

Para se ter uma boa ideia da qualidade do DEM, basta visualizar, por exemplo, o relevo de um lago ou construir um caminho que atravessa o lago e observar as elevações em um corte 2D.

Imagem: software LAND, vista do Lago Gerardmer em ampliação 3D x XNUMX com DEM correto. A projeção das malhas no terreno mostra o limite atual do DEM.

Imagem: Programa LAND, vista do lago Gérardmer “BOG” em 2D com o DTM correto.

Todos os dispositivos GPS modernos de “boa qualidade” têm uma bússola e um sensor barométrico digital, portanto, um altímetro barométrico; O uso deste sensor permite obter uma altitude precisa, desde que você defina a altitude em um ponto conhecido (recomendação Garmin).

A imprecisão da altitude fornecida pelo GPS desde o advento do GPS levou ao desenvolvimento de algoritmos de hibridização para a aeronáutica que usam a altitude do barômetro e a altitude do GPS para fornecer uma posição geográfica precisa. altura. É uma solução confiável em altitude e a escolha preferida dos fabricantes de GPS, otimizada para a prática do TwoNav ao ar livre. e Garmin.

Na Garmin, a oferta de GPS é apresentada de acordo com o perfil do usuário (outdoor, ciclismo, mountain bike, etc.), por isso é importante consultar os manuais do usuário e o serviço pós-venda.

A solução ideal é configurar seu GPS para a opção:

• Altitude = Barômetro + GPS, se o GPS permitir,
• Altitude = Barômetro + DTM (MNT) se o GPS permitir.

Em todos os casos, para um GPS equipado com um barômetro, defina manualmente o barômetro para sua altitude mínima no ponto inicial. Nas montanhas - em corridas longas, a configuração deverá ser refeita, principalmente em caso de oscilações de temperatura e clima.

Alguns dispositivos de ciclismo otimizados com GPS Garmin redefinem automaticamente a altitude barométrica em waypoints de altitude conhecida, o que é uma solução especialmente inteligente para mountain bike. Porém, o usuário deve informar, por exemplo, antes de sair da altura dos passes e do fundo do vale; na volta, a diferença de altura será precisa 👍.

No modo Barômetro + (GPS ou DTM), o fabricante inclui um algoritmo de ajuste automático do barômetro baseado no princípio de que a subida vista pelo barômetro, GPS ou DEM deve ser consistente: este princípio oferece grande flexibilidade ao usuário e é adequado para atividades ao ar livre.

No entanto, o usuário deve estar ciente das limitações:

• O GPS é baseado no geóide, portanto, se o usuário se mover em terreno artificial (por exemplo, para depósitos de escória), as correções serão distorcidas,
• O DEM mostra o caminho no terreno, caso o usuário peça emprestada uma parte significativa da infraestrutura humana (viaduto, ponte, passarelas, túneis, etc.), os ajustes serão compensados.

Portanto, o procedimento ideal para obter um aumento de elevação preciso é o seguinte:

1️⃣ Ajuste o sensor barométrico no início. Sem esta configuração, as alturas serão convertidas (deslocadas), a diferença de nível estará correta se a deriva devido ao clima for pequena (rota curta fora das montanhas). Para usuários de GPS da família Garmin, as alturas “gpx” são usadas pela Garmin e Strava para a comunidade, portanto, é preferível inserir o perfil de elevação correto no banco de dados.

2️⃣ Para reduzir a deriva (erro de altitude e altitude) devido às condições meteorológicas em viagens longas (> 1 hora) e nas montanhas:

• Foco na escolha Barômetro + GPS, áreas externas com relevo artificial (áreas de despejo, colinas artificiais, etc.),
• Foco na escolha Barômetro + DTM (MNT)se instalou IGN DTM (grelha 5 x 5 m) ou Sonny DTM (França ou Europa) fora de um percurso que utiliza uma parte significativa da infraestrutura (passarelas, viadutos, etc.).

Desenvolvendo uma diferença de altura

O problema de altitude descrito nas linhas anteriores mais frequentemente se manifesta depois de observar que a diferença de altitude entre os dois praticantes é diferente ou varia dependendo se é lida no GPS ou em um aplicativo como o STRAVA (veja a ajuda do STRAVA), por exemplo.

Em primeiro lugar, você precisa ajustar seu GPS para fornecer a altitude mais confiável.

É bastante simples obter a diferença de níveis lendo o mapa, muitas vezes o praticante se limita a determinar a diferença entre os pontos de dimensões extremas, embora, para ser preciso, seja necessário contar as curvas de nível positivas para obter a soma .

Não há linhas horizontais no arquivo digital, o software GPS, aplicativo de plotagem de trilha ou software de análise está configurado para “acumular etapas ou incrementos de elevação”.

Freqüentemente, "sem acúmulo" pode ser configurado:

• no TwoNav as opções de configuração são comuns a todos os GPS
• na Gamin deve consultar o manual do utilizador e serviço pós-venda (cada modelo tem as suas características de acordo com o perfil típico do utilizador)
• o aplicativo OpenTraveller tem uma opção que sugere ajustar o limite de sensibilidade para determinar a diferença de altura.

Cada um tem sua própria solução 💡.

Sites ou software para análise online esforce-se para substituir a altura de arquivos "gpx" com seus próprios dados de altura.

Exemplo: STRAVA criou um arquivo de altimetria "nativo" criado usando elevações derivadas de trilhas derivadas de GPS conhecido por STRAVA e está equipado com um sensor barométrico. A solução adotada assume que o GPS é conhecido pelo STRAVA, portanto, no momento ele é obtido principalmente da faixa GARMIN, e a confiabilidade do arquivo pressupõe que cada usuário tenha feito o reset manual da altitude .

Quanto às implicações práticas, o problema surge principalmente durante as caminhadas em grupo, pois cada participante 🚵 pode perceber que sua diferença de elevação é diferente do nível dos demais participantes, dependendo do seu tipo de GPS, ou é um usuário curioso que não entende porque a diferença é altitude GPS, software de análise ou STRAVA é diferente.

No mundo STRAVA perfeitamente higienizado, todos os membros do grupo de usuários GPS GARMIN devem, em princípio, ver a mesma altitude em seu GPS e em seu STRAVA. É lógico que a diferença só pode ser explicada pelo ajuste de altura, porém nada confirma que a diferença de altura relatada está correta.

É lógico que um membro deste grupo de usuários que possui um GPS não conhecido por STRAVA deve ver a mesma diferença de altitude em STRAVA que seus assistentes, embora a diferença de nível exibida por seu GPS seja diferente. Ele pode culpar seu equipamento, que, no entanto, funciona corretamente.

O mais próximo do valor verdadeiro da diferença de altura ainda é obtido na FRANÇA ou na BÉLGICA ao ler o cartão IGN., o comissionamento de um geóide mais avançado moverá gradualmente o marco em direção ao GNSS

GNSS: Geolocalização e navegação usando um sistema de satélite: determinação da posição e velocidade de um ponto na superfície ou nas vizinhanças imediatas da Terra pelo processamento de sinais de rádio de vários satélites artificiais recebidos naquele ponto.

Caso necessite contar com um software ou aplicativo para obter a diferença de elevação, deve-se ajustar este software para ajustar o valor do passo de acumulação de acordo com as curvas de nível do mapa IGN do local, ou seja, 5 ou 10 m. Um pequeno passo se tornará uma queda em todos os pequenos saltos ou transições para solavancos, e vice-versa, um passo muito alto apagará o surgimento de pequenas colinas.

Depois de aplicar essas recomendações, o experimento do autor mostra que os valores de altitude obtidos usando GPS ou software de análise equipado com um DEM confiável permanecem dentro da faixa "correta", assumindo que o mapa IGN também tem suas próprias incertezasface à estimativa obtida com o cartão IGN 1 / 25.

Por outro lado, o valor publicado pela STRAVA costuma ser exagerado. O método utilizado pelo STRAVA, baseado no "feedback" dos utilizadores, permite teoricamente prever uma convergência rápida para valores muito próximos da verdade, que, dependendo do número de visitantes, já deveriam ocorrer no BikePark ou faixas muito ocupadas!

Para ilustrar esse ponto de forma concreta, aqui está uma análise de uma trilha, tomada aleatoriamente, em uma estrada montanhosa de 20 km de extensão. A altitude GPS "barométrica" ​​foi definida antes da partida, fornece a altitude "Barométrica + GPS", o DTM é um DTM confiável que foi redesenhado para ser preciso. Estamos fora da área onde o STRAVA poderia ter um perfil de elevação confiável.

Esta é uma ilustração de uma faixa onde a diferença entre IGN e GPS é a maior e a diferença entre IGN e STRAVA é a menor. a distância entre GPS e STRAVA é de 80m e o verdadeiro "IGN" está no meio.

Alturas
Départ	Chegada	Max	min	altura	Desvio / IGN
GPS (barreira + GPS)	122	124	150	98	198	-30
Ajuste de altura no DTM	122	122	150	98	198	-30
comidaaaa	280	+51
Cartões IGN	122	122	148	99	228,5	0