Волшебная лампочка:: О погрешностях GPS и его калибровке

Волшебная лампочка

GPS

О погрешностях GPS и его калибровке

Вопрос применения GPS для реальной оценки высоты требует значительной проработки. Данные высоты, получаемые чисто со спутника, дают основательную погрешность. Данные барометрического датчика жёстко завязаны на атмосферное давление, и если есть тенденция к его росту, высота при нахождении на одном месте так же будет меняться (
Характеристики барометрического высотомера: точность 3,048 метра с правильной калибровкой (пользовательской и/или автоматической калибровкой), диапазон -609,6 до 9144 метров )...

Варианты, которыми пользовался - находясь на уровне моря, выставляешь высоту 0м. Потом, в течении дня, если график давления в GPS не сильно полз вверх-вниз, высотомеру можно верить. После выключения (разряда батареек) верить уже нельзя... Второй вариант - калибровать высотомер в GPS ручками, по тригопунктам с военных карт (типа у тригопункта 654,3 метра кладёшь прибор на землю и вводишь значение с карты в GPS как текущую высоту). Как правило, после такой операции все соседние встреченные за ходовой день-два тригопункты совпадают по высоте с заявленной на картах в пределах 3-4 метров...

Гляньте выдержки ниже и спросите у своих друзей, выполняли ли они все нижеописанные "танцы с бубном" (это об оставлении прибора на местности на 1 час). Я ни в малейшей мере не пытаюсь их обидеть или обвинить в подтасовке, упаси Будда/Аллах/Яхве/Исус. Просто я... оптимистически настроенный скептик.

С уважением,
Анатолий.

=======================

Особенности работы высотомера в eTrex Summit

Имея GPS приемник eTrex Summit от GARMIN, я так нигде и не смог найти внятного и исчерпывающего объяснения принципов и особенностей работы его встроенного высотомера. Интерес к этому «белому пятну» был у меня скорее теоретический, нежели практический. Но, тем не менее, оно мне не давало покоя и я, наконец, решил во всем разобраться, что и удалось сделать. На данный момент мне хотелось бы, чтобы потраченное на это время и полученные результаты (которые скорее всего имеют также отношение и к другой модели, eTrex Vista) не пропали даром, а стали достоянием общественности.

Итак, главные выводы (без описания проведенных экспериментов и измерений, которые я, конечно, могу затем изложить тому, кому это будет интересно):

1. eTrex Summit имеет два альтернативных определителя высоты:

Первый - это барометрический высотомер, который работает на основе встроенного барометра (или измерителя внешнего атмосферного давления) и том факте, что с увеличением высоты давление понижается. Достоинством такого высотомера является его достаточно высокая относительная (или дифференциальная) точность. Беда только в том, что атмосферное давление меняется не только с изменением высоты, но и само по себе (правда, медленно) при изменении погодных условий. Поэтому такой высотомер требует процедуры калибровки своих абсолютных показаний, которая может быть выполнена в какой-нибудь удобной точке местности (геодезический знак, вершина холма, берег моря или озера и т.д.) путем задания известной высоты. Или в любой произвольной точке местности путем задания текущего известного атмосферного давления, приведенного к уровню мирового океана (именно приведенного давления, например, из метеосводок, а не считанного с какого-нибудь первого попавшегося барометра; об этом в инструкции пользователя ничего не сказано; может быть, такое правило само собой разумеется?). Все значения высоты, которые появляются в меню eTrex Summit, берутся от барометрического высотомера.

Второй – это секция GPS приемника, вычисляющая по спутниковым сигналам помимо координат еще и высоту. Недостатком этого высотомера является его большая относительная погрешность (кратковременно более 100 метров), которая очень сильно зависит от текущего расположения спутников в пространстве. В eTrex Summit значения высоты секции GPS недоступны для пользователя. Единственная возможность их увидеть – это подключить приемник к компьютеру по протоколу NMEA. Протокол Garmin для этого не подходит.

2. У eTrex Summit есть функция автокалибровки барометрического высотомера по данным, получаемым от секции GPS.

Если эта функция отключена, то значение высоты берется от барометрического высотомера таким, какое оно есть.

Если функция автокалибровки включена, то к показаниям высоты барометрического высотомера добавляется поправка, которая плавно изменятся, компенсируя отличие высоты барометрического высотомера, от высоты секции GPS. Скорость изменения этой поправки пропорциональна разнице в показаниях двух высотомеров, а ее постоянная времени с точностью 10% составляет 30 минут (в течении этого времени отклонение компенсируется в e (2.718…) раз). Существенно то, что значение поправки не сохраняется и обнуляется всякий раз при включении приемника.

Если показания двух высотомеров отличаются более чем на 300 метров, то автокалибровка не работает.

Для того, чтобы наилучшим образом откалибровать высотомер в незнакомой местности, процедуру калибровки желательно выполнить дважды. Сначала нужно найти место, с которого хорошо проглядывается небо и с точностью до 300 метров задать высоту при первой калибровке. Затем необходимо оставить в этом месте приемник включенным на 1 час (функция автокалибровки при этом должна быть включена). Полученное после этого текущее показание высоты рекомендуется использовать для повторной калибровки высотомера.

=====================================================
Далее ругательные цитаты из форума и еще одно описание, как работает барометрический высотомер.
=====================================================

Тут недавно велись дискуссии (ищутся по слову "альтиметр", "высотомер"), в результате которых вроде как выяснили, что в приборах с барометром и давление показывается хрен знает какое (нормализованное по уровню моря [по датуму WGS84], получающееся из текущего с учетом измеренной по GPS высоте, которая измеряется с немалой погрешностью) и барометрическая высота - тоже хрен знает какая (потому что прибор пытается учитывать погодные изменения давления, непонятно как сопоставляя моменты его изменения при постоянной GPS-высоте...).

======================================

Поскольку gps не точен в определении высоты, а бароальтиметр подвержен дрейфу показаний, в любом случае, единственный способ оценить высоту своего положения более или менее точно, связан с использованием "сторонних" данных. Т.е.: либо нужно знать давление на уровне моря (или другой точно известной высоте) в этой местности в данный (или недавний) момент, измеренное "кем-нибудь" либо нужно знать высоту своего положения (например, по карте).
Есть и окольный способ - оценить взаимно тренд давления и тренд высоты по GPS (усредненный), если они меняются не параллельно, скорее всего, меняется не только высота, но и погода.

================
Барометр

Вообще-то барометр в данном приборе в основном предназначен для повышения точности определения высоты. Хотя и давление тоже меряет. Сам GPS по спутникам высоту тоже показывает, но делает он это плохо. Точность измерения высоты по данным спутников в 3-7 раз хуже точности измерения координат. Это значит, что если прибор показывает погрешность в пределах 15-20м, то измеряемая им GPS-высота может прыгать в пределах 50-150м! Хотя… Я сам таких прыжков высоты не видел, но вот совершенно удивительные значения высоты видел не раз. Например, я по карте посмотрел – живу на высоте ~176 метров. А приборчик иногда говорит – «неее, а 260 не хочешь?»…

Барометрическая корректировка показаний высотомера основана на том нехитром факте, что с ростом высоты атмосферное давление падает. Все бы было хорошо, если бы оно еще не менялось в одной и той же точке с течением времени. Для борьбы с этим досадным явлением используется процедура калибровки барометрического высотомера. Для калибровки можно использовать точно известное значение высоты данной точки (хм… где бы его такое взять-то?) или точное значение давления (иногда говорят по телевизору, радио, можно еще посмотреть в сети). После калибровки прибор, по идее, должен работать довольно точно. По крайней мере – до тех пор, пока давление не «уплывет» от калибровочного значения в силу природных причин. Имеется также режим автоматической калибровки, который пытается согласовать показания барометрического и спутникового высотомеров. Мне, пока, к сожалению, не удалось добиться от данного режима никаких внятных результатов. Хотя, я и не попробовал в точности соблюсти все необходимые для этого ритуалы.

Единственное, что можно точно сказать – барометрический высотомер меряет даже небольшие изменения высоты в течение небольшого промежутка времени, пока давление не успело измениться само собой. Например, если прибор со стола переложить на пол – он честно скажет, что высота изменилась примерно на метр.

Показания высотомера можно посмотреть не только в виде циферки на экране, но и в виде графика. В графике по оси Y всегда показывается значение высоты, а по оси X – можно выбрать либо время, либо пройденный путь.

Теперь – о барометрических возможностях. Сходу засада. Давление можно смотреть в Дюймах Ртутного Столба, Миллибарах и горячо любимых Гектопаскалях. Вот ведь, блин. Ну, дюймы-то это понятно, гектопаскали тоже. А миллибары-то зачем (это гектопаскали один в один)?. И ГДЕ МИЛЛИМЕТРЫ РТУТНОГО СТОЛБА??? Нету L. Пришлось поставить гектопаскали. Однако выяснилось, что давление, в общем-то, все равно в каких единицах мерить – абсолютная величина давления вещь не особо интересная. Собственно, зачем ее знать-то? Ведь для предсказания погоды важно не абсолютное значение давления, а его изменение. С этим, как раз, всё в порядке. Прибор пишет график изменения давления за последние 48 часов. Причем, будет писать каждые 15 мин, даже если выключен.

Еще заодно узнал, что атмосферное давление бывает «сырое» ( ambient по-буржуйски) и «нормализованное». Сырое давление есть, собственно, измеренное в каких-нибудь единицах атмосферное давление в данном месте, в данное время. Нормализованное из него получается, если пересчитать, какое оно в таком раскладе было бы на нулевой отметке высоты над уровнем моря. Синоптики, вроде, говорят именно нормализованное давление. А в GPS на него лучше и не смотреть – нормализованное давление накрепко связано с высотой, которая вычисляется очень неуверенно. Поэтому, оно постоянно прыгает.

С детства я так местами помнил, что если давление растет, будет солнышко, а если падает – придут тучки. В жизни все оказалось немного сложнее. Выяснилось, что для более-менее внятного предсказания погоды по давлению лучше посмотреть спутниковый снимок или специализированную карту с изобарами, всякими там направлениями и тенденциями. Кроме того, лучше еще знать, в каком куске атмосферного явления ты сейчас находишься, куда оно движется и какие антициклоны/циклоны гуляют вокруг. Еще неплохо знать климатические особенности региона, обычное в этот сезон давление, замерить температуру и т.п., и т.п… Тогда можно предсказывать погоду не хуже, чем это делают наши бравые метеорологи J. А если имеется возможность только следить за изменениями давления, то такое прогнозирование недалеко уйдет от гадания на кофейной гуще. По графику можно делать только очень грубые выводы…

Вкратце так. В природе существуют крупные и устойчивые атмосферные явления – циклоны (зоны пониженного давления, дожди) и антициклоны (зоны повышенного давления, солнышко), а в промежутках между ними располагаются более мелкие и неустойчивые фиговины – атмосферные фронты, всякие там завихрения и другие загогулины.

Приближение циклона (антициклона) можно определить по устойчивой тенденции к понижению (повышению) давления. Скорость изменения давления невысокая, в пределах 0.2-0.5 гПа в час. Суточный график в этом случае будет довольно ровный, суточное изменение давления – в пределах 5-10гПа. Но если уж такая штуковина накроет… Будет или стабильно хорошо или стабильно плохо.

Мелкие атмосферные явления сопровождаются более резкими изменениями давления 1-2 и более гПа в час. Такие изменения являются признаками неустойчивой погоды. Вероятен ветродуй, при резком понижении давления возможен сильный ливень или гроза.

Я уже довольно долго наблюдаю за окружающей погодой и графиком давления. На улице светит солнце, бывает пасмурно, временами идет дождь. Давление на графике тоже меняется. То быстро, то не очень… Честно говоря, никакой связи между двумя этими процессами мне пока установить не удалось. Будем тренироваться.

Анатолий: "Я это не с целью обхаять GPS написал, а просто предупредить, что чрезмерно доверять его показаниям не следует. Поверьте, более занятной, чтобы не сказать захватывающей игрушки, чем GPS, у меня давно не было. Штукенция просто обалденная. Понимаю, что она лишает пешеходную жизнь элемента истинной и нерушимой спортивности, но с другой стороны, когда времени в обрез, вокруг темнота (или глухой туман), а прийти к удобной стоянке с водой о-о-очень хочется... я выбираю не карту, а GPS. Уже находясь дома, очень интересно проанализировать трек на предмет где, с какой скоростью шли, где и как блуждали... Да-да, именно блуждали, потому что я приучил себя без пущей необходимости на "жулезку" не смотреть: болтается себе на плече, и пусть болтается, пока время есть. Когда нужно - поможет. Второе - планировать новые маршруты помогает здорово. На карте на компьютере нарисовал, в прибор несколько вариантов залил - и иди себе куда
хочешь... Особенно если других после себя посылать - можешь чётко объяснить, сколько примерно каждый переход займёт времени, где и как лучше обойти препятствия. Ничего в блокнот по пути записывать не нужно - все высоты, время стоянок видны - я выбирал долго и выбрал юнит, у которого 10000 точек в треке, то есть при 100 км перехода он каждые 10 метров сохраняет, где был и как шёл. Поиск тех же родников в неочевидной местности, возвращение за спрятанными в лесу рюкзаками... Плюс классная карта, с горизонталями, где можно померить расстояние "по кривой", которая вовремя подскажет, что ты сбился с намеченного пути на столько, в такую-то сторону, по которой можно, спроектировав пару точек на гору вдалеке, узнать, что это за гора, уточняющей, находишься не в том овраге, который думаешь, а в том, который собирался уже час как за спиной оставить... %-))) Электронный компас тоже частенько выручает."