Aktualności

Dokładność pozycjonowania satelitarnego przy użyciu modułów GNSS w zegarkach sportowych

06-03-2024

Rynek odbiorników Globalnego Systemu Nawigacji Satelitarnej (GNSS) dynamicznie rozwija się dzięki nowoczesnej technologii oraz miniaturyzacji GNSS umożliwiając ich powszechne zastosowanie, m.in. w nawigacji, monitorowaniu osuwisk, atmosfery i pomiarach geodezyjnym. Zegarki sportowe z GNSS są powszechnie używane zarówno w sporcie zawodowym, jak i amatorskim, z aplikacjami do analizy wyników.

Zegarki sportowe z sensorami, w tym z modułem GNSS, są niezbędne dla biegaczy, umożliwiając dokładne śledzenie trasy. Nowoczesne modele obsługują kilka systemów satelitarnych jednocześnie, co poprawia czas uzyskania początkowej pozycji. Dotychczas niewiele prac koncentrowało się na dokładności wyznaczenia pozycji, różnic wysokości oraz odległości wyznaczonej przy pomocy modułów GNSS w zegarkach sportowych.

Producentów, takich jak Polar, Suunto czy Garmin, wspierają aplikacje do analizy wyników i interakcji z innymi użytkownikami. Zegarki sportowe dostarczają wielu informacji, które można praktycznie wykorzystać. Ze względu na ich powszechną dostępność i przyjazny dla użytkownika charakter, zegarki sportowe są często wykorzystywane przez naukowców badających różne aspekty fizjologii i wyników sportowych, w tym bieganie, kajakarstwo i triathlon. Pomimo ich szerokiego zastosowania, oficjalne strony internetowe lub strony sprzedawców często nie zawierają szczegółowych informacji na temat dokładności pozycjonowania satelitarnego dla konkretnych modeli zegarków sportowych. Brak wskazanej specyfikacji dokładności motywuje badaczy i entuzjastów do zagłębienia się w ten temat.
Nasze badanie koncentruje się na ocenie precyzji pozycjonowania 2D, różnicy wysokości i odległości w zegarkach sportowych (Rys. 1), uwzględniając różne kombinacje systemów GNSS. Przedstawiamy eksperymenty, które nie tylko analizują pozycjonowanie 2D, ale również dostarczają pełniejszych danych na temat odległości i różnicy wysokości. Każdy eksperyment został przeprowadzony w trzech konfiguracjach GNSS: GPS (G), GPS+GLONAS (G+R), GPS+Galileo (G+E). Wyniki z wykorzystaniem GNSS pokazują zróżnicowane jakościowo rezultaty dla zegarkach sportowych, sugerując potencjał do dalszego rozwoju tej technologii.

W Przeprowadzonych badaniach wykorzystaliśmy dziesięć różnych zegarków sportowych, od 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 X (P_GritX), Polar M430 (P_M430), Polar Vantage V (P_Vant_V). Zegarki obsługują zazwyczaj trzy systemy GNSS, ale korzystają z dwóch jednocześnie w trakcie aktywności, zależnie od preferencji użytkownika. Umożliwiają także dostosowanie trybu śledzenia pozycji do potrzeb i czasu działania na baterii.


Rys. 1 Przeprowadzone eksperymenty dla zegarków sportowych a) test jakości pozycjonowania dla składowych współrzędnych, b) eksperyment pomiaru wysokości, c) test pomiaru odległości na bieżni lekkoatletycznej

Eksperyment pozycjonowania
Pierwszy eksperyment przeprowadziliśmy na trasie testowej o długości około 2,7 km we Wrocławiu, obejmującej obszary o zróżnicowanej widoczności nieba. Niektóre części trasy miały nieprzysłonięty widok horyzontu, podczas gdy na innych częściach trasy różne przeszkody terenowe częściowo przysłaniały widok horyzontu, stanowiąc wyzwanie dla określenia pozycji. Taka konfiguracja eksperymentalna miała na celu naśladowanie rzeczywistego środowiska, podobnego do warunków, w których zwykle używane są zegarki sportowe. W tym eksperymencie punktem odniesienia był profesjonalny odbiornik geodezyjny Leica GS18. Odbiornik geodezyjny korzysta z korekt czasu rzeczywistego z referencyjnej stacji GNSS, gwarantując dokładność pozycjonowania poniżej 3 cm i wysokości poniżej 5 cm. Zegarki sportowe wraz z odbiornikiem umieściliśmy na tyczce geodezyjnej z wykorzystaniem dodatkowego stelaża, gdzie właśnie te zegarki ulokowaliśmy (Rys. 2). Wyniki zarówno dla precyzyjnego odbiornika i zegarków sportowych w pierwszej kolejności przekształciliśmy do zbliżonych względem siebie układów, odpowiednio ITRF204 i WGS84, a następnie różnice pozycji 2D zostały przekształcone do układu topocentrycznego z uwzględnieniem stałego przesunięcia każdego zegarka sportowego względem Leica GS18.



Rys. 2 Ułożenie precyzyjnego odbiornika geodezyjnego oraz zegarków sportowych podczas eksperymentu

Rys. 3 ilustruje błędy pozycjonowania 2D między zegarkami sportowymi a profesjonalnym odbiornikiem GNSS klasy geodezyjnej. Najmniej dokładny wynik został osiągnięty przez zegarek sportowy S_5, a konfiguracja G+R dała najkorzystniejsze wyniki dla tego urządzenia. Z kolei P_M430 i G_6PRO wykazały się lepszymi wynikami odpowiednio w konfiguracjach G i G+R. G_V4s wykazuje pośredni wynik pomiędzy pozostałymi trzema urządzeniami.

Największe błędy występują w przypadku przeszkód na horyzoncie spowodowanych licznymi budynkami lub drzewami. W obszarach z mniejszą liczbą przeszkód dokładność pozycjonowania zegarków jest wyższa. Zegarki sportowe o wysokiej stabilności wykazują różną dokładność pozycjonowania między nieprzysłoniętymi i przysłoniętymi obszarami horyzontu. Niestety, zegarki sportowe niższej jakości mniej wyraźnie pokazują tę różnicę. Wynika to z większych szumów sygnału w module GNSS poszczególnych urządzeń, co skutkuje niską dokładnością pozycjonowania nawet w idealnych warunkach, w przeciwieństwie do bardziej stabilnych zegarków sportowych.


Rys. 3 Błędy pozycjonowania 2D dla czterech zegarków sportowych w różnych konfiguracjach konstelacji GNSS. Punkt początkowy trasy znajduje się po prawej stronie i kieruje się w górę w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Każda mapa jest zorientowana w kierunku północnym. Czarne obszary zaznaczone na mapach reprezentują regiony ze szczególnie zasłoniętym horyzontem

Eksperyment z pomiarem wysokości
Drugi eksperyment przeprowadziliśmy na stalowej wieży o wysokości 36,83 m, zlokalizowanej w miejscowości Kotowice, koło Wrocławia. Pomiary wykonaliśmy na 13 poziomach oddalonych od siebie o około 2,9 metra (Rys. 1b). Różnice wysokości wyznaczyliśmy za pomocą dalmierza laserowego, aby zapewnić cenne odniesienie do różnic wysokości między różnymi poziomami platformy wieży. W każdej konfiguracji GNSS na każdym poziomie wieży zegarki sportowe utrzymywane były w miejscu przez ponad 3 min w celu zarejestrowania zbliżonej ilości obserwacji na każdym poziomie wieży. W tym eksperymencie zegarki sportowe S_5, S_Amb3, G_Fr735 nie zostały wykorzystane ze względu na zły zapis informacji odnoszących się do wysokości.

Na Rys. 4 kolor punktów wskazuje wyniki każdego eksperymentu. Czarne linie odpowiadają wysokościom odniesienia dla każdego poziomu określonego przez dalmierz laserowy. Wskaźniki numeryczne po prawej stronie oznaczają odpowiedni analizowany poziom. Poziom zero jest określany przez wyznaczoną wysokość na najniższym poziomie każdego zegarka sportowego. Kolejne poziomy zostały określone w odniesieniu do poziomu zerowego używanego jako odniesienie (referencję). Pomiary są niezależne od modelu geoidy zawartego w każdym oprogramowaniu zegarka, który jest używany do transformacji między wysokościami elipsoidalnymi dostarczanymi przez GNSS a wysokościami ortometrycznymi odpowiadającymi wysokości nad poziomem morza. Takie podejście uwzględnia tylko różnicę wysokości, która jest najbardziej istotną informacją dla użytkowników zegarków sportowych.


Rys. 4 Wysokość względna dla zegarków sportowych i dalmierza laserowego (odniesienie)

Analizując wyniki uzyskane przez zegarki sportowe (Rys. 4), można zauważyć, że niektóre z urządzeń uzyskały wartości ujemne. Najbardziej znacząca wartość ujemna została zarejestrowana przez P_GritX podczas testu G+E na poziomie -9,37 i -7,50 m odpowiednio dla poziomów 1 i 4. Wskazuje to na niestabilność w określaniu wysokości dla P_GritX. W przypadku konfiguracji G tylko zegarki sportowe G_Fr745 i G_6PRO wykazują niewielkie różnice w porównaniu do wzorca. Istnieje jednak znaczny rozrzut między najwyższym i najniższym poziomem, z różnicami wynoszącymi odpowiednio 40,50 i 30,60 m. Tym samym różnica w stosunku do poziomu referencyjnego wynosi odpowiednio 3,67 i 6,23 m. Zegarek sportowy G_Fr745 wykazuje poprawę podczas korzystania z dwóch konstelacji dla rozwiązania G+E, z rozpiętością 37,40 metra między skrajnymi poziomami. W tym przypadku różnica między najwyższymi poziomami a odniesieniem wynosi 0,57 m. Wyniki dla zegarka sportowego G_6PRO są mniej dokładne w konfiguracjach G+R i G+E, ponieważ najwyższy poziom różni się odpowiednio o 11,83 i 9,36 m w porównaniu z poziomem odniesienia. W wariancie G różnica wynosi 6,23 m. W przypadku pozostałych pięciu zegarków sportowych określone wysokości względne są tak niestabilne, że niemożliwe jest wyciągnięcie jakichkolwiek znaczących wniosków z zarejestrowanych wyników do poziomów odniesienia. Wskazuje to na niską precyzję algorytmu wykorzystywanego do pomiaru wysokości, co jest powszechnym problemem w wielu modelach zegarków sportowych.

Eksperyment pomiaru odległości
Trzeci eksperyment koncentrował się na ocenie dokładności zegarków sportowych w określaniu odległości. W tym celu eksperyment przeprowadziliśmy na pełnowymiarowej bieżni lekkoatletycznej zlokalizowanej we Wrocławiu. Wewnętrzna krawędź bieżni ma długość 400 m. W każdej konfiguracji GNSS pokonaliśmy 5 okrążeń na drugim torze bieżni o długość 407,67 m.
Średnie wartości okrążeń dla każdego zegarka sportowego i każdej konfiguracji pokazano na Rys. 5. Najkorzystniejszy wynik osiąga zegarek sportowy P_VantV w konfiguracji G, wykazując różnicę 0,49 m (0,12%) w porównaniu z torem referencyjnym. W konfiguracji G+R, G_Fr735 osiąga najkorzystniejszy wynik, z różnicą 0,76 m (0,19%). W konfiguracji G+E zegarek S_5 osiąga lepsze wyniki, wykazując różnicę 1,10 m (0,21%).


Rys. 5 Średnie różnice odległości między zegarkami sportowymi a długością toru na bieżni lekkoatletycznej

Wnioski
Zegarki sportowe to niedrogie odbiorniki, zazwyczaj zdolne do śledzenia więcej niż jednej konstelacji GNSS. Jednak z powodu ograniczeń sprzętowych większości modeli dostępnych na rynku, możliwe jest tylko jednoczesne wykorzystanie dwóch systemów GNSS. GPS jest zawsze wykorzystywanym systemem, a drugą konstelację można wybrać spośród GLONASS, Galileo lub BeiDou.

Badania obejmują trzy eksperymenty oceniające dokładność 1) pozycjonowania 2D, 2) wysokość i 3) odległość dla różnych zegarków sportowych w odniesieniu do konkretnej referencji. Najlepsze wyniki w pozycjonowaniu osiągnął Polar M430 z użyciem GPS i Garmin Fenix 6 PRO z użyciem GPS+GLONASS. Warto zauważyć, że pomimo niższej ceny, Polar M430 osiąga podobny poziom dokładności pozycjonowania 2D co zegarek Garmin Fenix 6 PRO. W eksperymentach nie uwzględniono jednak innych cech modeli / modułów w analizowanych zegarkach sportowych. W eksperymencie dotyczącym pomiaru wysokości względem pomierzonych poziomów wieży dla trzech zegarków sportowych nie uzyskaliśmy wyników z powodu problemów technicznych. Dla pozostałych urządzeń wyniki wskazują, że nie są one odpowiednie do pomiaru wysokości. Pomimo wzrostu wysokości, niektóre modele pokazywały niższe odczyty na wyższych poziomach na wieży. Jedynie zegarki sportowe Garmin Forerunner 745 i Garmin Fenix 6 PRO konsekwentnie wykazywały wzrost wartości na każdym kolejnym poziomie, gdzie dokonywano pomiarów. Jednak na niektórych poziomach różnice między wynikami tych dwóch zegarków sportowych a referencją mieściły się w zakresie metrów. W eksperymencie dotyczącym odległości na bieżni, różne modele zegarków sportowych wykazywały różną dokładność w zależności od wybranej konstelacji. Ponownie, najbardziej precyzyjny wynik uzyskaliśmy przy użyciu tylko GPS, tym razem z zegarkiem sportowym Polar Vantage V. Różnica między długością bieżni a pomiarem zegarka sportowego wyniosła 0,49 m, co jest akceptowalne biorąc pod uwagę niski koszt urządzeń z odbiornikami GNSS.

Różne eksperymenty i różne kombinacje GNSS pozwoliły nam przeanalizować jakość modułu GNSS w miniaturyzowanych urządzeniach - zegarkach sportowych. Te eksperymenty podkreślą główne wady tych urządzeń, ale także zaznacza ich potencjał w przyszłości. Jako zwarty sprzęt, obecnie nie osiągają zadziwiająco wysokiej dokładności w porównaniu do wyników uzyskiwanych poprzez precyzyjne odbiorniki GNSS. Niektóre zegarki zapewniają błędy pomiaru odległości poniżej 1 m, podczas gdy inne zwracają błędy wynoszące ponad 20 m w tym samym eksperymencie. Dla pozycjonowania 2D najlepsze zegarki zapewniają błąd średni wynoszący 1,4 m, podczas gdy najgorsze - 4,2 m. Jednak dzięki postępowi technologicznemu, również zegarki sportowe będą mogły w przyszłości uzyskiwać wyższą dokładność dla modułów GNSS.


Więcej na temat eksperymentów związanych z zegarkami sportowymi można znaleźć w artykule:
Mikoś, M., Kazmierski, K., Wachulec, N., Sośnica, K. (2024). Accuracy of satellite positioning using GNSS receivers in sports watches, Measurement Volume 229, April 2024, 114426
https://doi.org/10.1016/j.measurement.2024.114426