Jak dokładne są odbiorniki GPS w zegarkach sportowych?

Zegarki sportowe wyposażane są w odbiorniki przeznaczone dla różnych systemów satelitarnych, które różnią się między innymi zastosowanym systemem czasu czy strukturą kodu emitowanego przez satelity, co powoduje różnice w postaci opóźnienia dekodowania sygnału. Gdy odbiornik satelitarny w Twoim zegarku nie obliczy poprawnie różnic pomiędzy GPS, GLONASS i Galileo, błędy pozycjonowania są większe niż w przypadku korzystania z pojedynczego systemu satelitarnego.

Wrocławscy naukowcy sprawdzili dokładność zegarków sportowych pod kątem określenia położenia satelity względem dokładnego odbiornika geodezyjnego. Zbadali pomiary odległości na bieżni lekkoatletycznej i pomiary różnicy wysokości na wieży kontrolnej. Wyniki badań opublikowano w pomiar https://doi.org/10.1016/j.measurement.2024.114426

Odbiorniki satelitarne w zegarkach sportowych

Zegarki sportowe wyposażone w GNSS (Globalny System Nawigacji Satelitarnej) znajdują zastosowanie zarówno w sporcie zawodowym, jak i amatorskim. Umożliwia na przykład biegaczom dokładne śledzenie trasy. Nowsze modele obsługują jednocześnie wiele systemów satelitarnych, co skraca czas pozyskiwania pozycji początkowej. Producenci wspierani są przez aplikacje umożliwiające analizę wyników i interakcję z innymi użytkownikami. Zegarki sportowe dostarczają wielu informacji, które można wykorzystać praktycznie.

Zegarki sportowe są często używane przez naukowców badających różne aspekty fizjologii sportu i wyników, w tym bieganie, pływanie kajakiem i triatlon. Pomimo ich powszechnego stosowania, oficjalne strony internetowe producentów lub sprzedawców często nie dostarczają szczegółowych informacji na temat dokładności pozycjonowania satelitarnego dla konkretnych modeli zegarków sportowych. Brak specyfikacji dokładności motywuje badaczy i pasjonatów do głębszego zgłębienia tego tematu – wyjaśnia profesor Krzysztof Sośnicka z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu.

Wrocławscy naukowcy ocenili dokładność pozycjonowania w dwóch wymiarach – odległości i wysokości – w zegarkach sportowych. Uwzględniono różne kombinacje systemów GNSS. Przeprowadzili eksperymenty mierząc odległości i różnice wzniesień w trzech konfiguracjach GNSS: GPS (globalna), GPS+GLONAS (globalna i rosyjska), GPS+Galileo (globalna i europejska).

„Użyliśmy dziesięciu różnych zegarków sportowych trzech producentów (Garmin, Polar, Suunto): Suunto 5 (S_5), Suunto Ambit3 (S_Amb3), Garmin Forerunner 735XT (G_Fr735), Garmin Forerunner 745 (G_Fr745), Garmin Fenix ​​​​6 PRO (G_6PRO), Garmin Vivoactive 3 Music (G_V3M), Garmin Vivoactive 4s (G_V4s), Polar Grit

Wyjaśnia, że ​​zegarki zazwyczaj obsługują trzy systemy GNSS, ale podczas aktywności korzystają z dwóch jednocześnie, w zależności od preferencji użytkownika. Umożliwia także dostosowanie trybu śledzenia pozycji do własnych potrzeb i czasu pracy baterii.

Eksperymenty: pozycjonowanie, wysokość i odległość

Pierwszą próbę przeprowadzono na drodze testowej o długości około 2,7 km we Wrocławiu. Trasa obejmowała obszary z różnymi widokami nieba.

„Odniesieniem był profesjonalny odbiornik geodezyjny Leica GS18 GNSS. Odbiornik geodezyjny wykorzystuje poprawki w czasie rzeczywistym ze stacji referencyjnej WROC GNSS. Gwarantuje dokładność pozycjonowania mniejszą niż 3 cm i dokładność wysokości mniejszą niż 5 cm. Zegarki sportowe i odbiornik umieszczono na kolumnie geodezyjnej za pomocą dodatkowej ramy – opisuje profesor Krzysztof Sośnicka.

Największe błędy wystąpiły na obszarach otoczonych budynkami lub drzewami. Na obszarach o mniejszej liczbie przeszkód dokładność pozycjonowania zegarków była wyższa. Wysoce stabilne zegarki sportowe wykazywały zmienną dokładność pozycjonowania pomiędzy obszarami bez przeszkód i obszarami z przeszkodami w zasięgu wzroku.

Badania zegarków sportowych przeprowadzono a) terenowe badanie pozycjonowania w celu wyznaczenia składowych współrzędnych poziomych, b) doświadczenie pomiaru wysokości, c) doświadczenie pomiaru odległości na bieżni lekkoatletycznej. Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu

Naukowcy potwierdzili, że niskiej jakości zegarki sportowe pokazują tę różnicę w mniej wyraźny sposób. „Wynika to z dużego szumu sygnału w module GNSS poszczególnych urządzeń, co prowadzi do niskiej dokładności pozycjonowania nawet w idealnych warunkach, w przeciwieństwie do bardziej stabilnych zegarków sportowych” – wyjaśniają naukowcy.

Eksperyment wysokościowy przeprowadzono na stalowej wieży o wysokości 36,83 m, zlokalizowanej w Kotowicach k. Wrocławia. Pomiarów dokonano na 13 poziomach oddalonych od siebie o około 2,9 m. Różnice wysokości zmierzono za pomocą dalmierza laserowego, aby zapewnić wartościowy punkt odniesienia dla różnic wysokości pomiędzy różnymi poziomami peronów wieży. W każdej konfiguracji GNSS na każdej platformie wieży zegary matematyczne utrzymywano w miejscu przez ponad 3 minuty, aby zarejestrować podobną liczbę obserwacji na każdej platformie.

Okazało się, że zegarki nie nadają się do pomiaru długości. Pomimo wzrostu wysokości, niektóre modele wykazały niższe odczyty na wyższych poziomach wieży. Tylko dwa modele zegarków sportowych wykazały wzrost wartości na każdym kolejnym poziomie, na którym dokonywano pomiarów. Jednakże na niektórych poziomach różnice między wynikami a wynikami odniesienia wyrażono w metrach.

Rywalizacja na dystansie odbyła się na pełnowymiarowej bieżni lekkoatletycznej we Wrocławiu. Wewnętrzna krawędź toru ma długość 400 metrów. W każdej konfiguracji GNSS eksperymentatorzy wykonali pięć okrążeń na drugim torze o długości 407,67 m.

W eksperymencie dotyczącym odległości różne modele zegarków sportowych wykazały różną dokładność w zależności od konkretnej konstelacji. Najdokładniejszym wynikiem był ten, w którym różnica między długością toru a pomiarem zegarka sportowego wyniosła 0,49 m, co – zdaniem badaczy – jest akceptowalne, biorąc pod uwagę niski koszt urządzenia wyposażonego w odbiornik GNSS.

Zegarki sportowe nie osiągają zadziwiająco dużej dokładności w porównaniu z wynikami uzyskiwanymi przez bardzo precyzyjne odbiorniki GNSS. Niektóre zegarki w tym samym eksperymencie wykazują błędy pomiaru odległości mniejsze niż 1 metr, podczas gdy inne wykazują błędy większe niż 20 metrów. W przypadku pozycjonowania 2D najlepsze zegarki zapewniają średni błąd 1,4 metra, najgorsze – 4,2 metra.

„Zegarki sportowe to niedrogie odbiorniki, które zazwyczaj umożliwiają śledzenie więcej niż jednej konstelacji GNSS. Jednak ze względu na ograniczenia sprzętowe w większości modeli dostępnych na rynku możliwe jest jednoczesne korzystanie tylko z dwóch systemów GNSS. Zawsze używany jest GPS obecne i możliwy jest wybór drugiej konstelacji, takiej jak GLONASS, Galileo czy BeiDou – wyjaśniają naukowcy w swoim artykule.

Szczegółowe wyniki dla poszczególnych marek producentów można znaleźć w artykule https://doi.org/10.1016/j.measurement.2024.114426 w pomiar. Współautorami są: Marcin Mikusch, dr Kamil Kaźmierski i Natalia Wacholik z zespołu profesora Krzysztofa Sośnickiej.

„W przyszłości technologia ta może ulepszyć algorytmy śledzenia sygnału GNSS i obliczania lokalizacji” – przewidywali naukowcy w swoim artykule.

PAP – Nauka w Polsce, Karolina Duszczyk

col/ajt/cap/

R. R L