Jak dokładne są odbiorniki GPS w zegarkach sportowych?

Zegarki sportowe wyposażone są w odbiorniki różnych systemów satelitarnych, różniące się m.in. używanym systemem czasu, czy też strukturą kodu emitowanego przez satelity, co powoduje różnice w postaci opóźnień w dekodowaniu sygnału. Gdy odbiornik satelitarny w zegarku nieprawidłowo uwzględnia różnice między GPS, GLONASS i Galileo, błędy pozycjonowania są większe niż w przypadku wykorzystania jednego systemu satelitarnego.

Wrocławscy naukowcy zweryfikowali dokładność zegarów sportowych – w zakresie pozycjonowania satelitarnego względem precyzyjnego odbiornika geodezyjnego. Sprawdzili pomiary odległości na bieżni atletycznej oraz pomiary różnicy wysokości na wieży widokowej. Wyniki badań zostały opublikowane w Measurement https://doi.org/10.1016/j.measurement.2024.114426

Odbiorniki satelitarne w zegarkach sportowych

Zegarki sportowe z GNSS (Globalny System Nawigacji Satelitarnej) są używane zarówno w sporcie zawodowym, jak i amatorskim – umożliwiają na przykład biegaczom dokładne śledzenie trasy. Nowoczesne modele obsługują kilka systemów satelitarnych jednocześnie, co poprawia czas uzyskania początkowej pozycji. Producentów wspierają aplikacje do analizy wyników i interakcji z innymi użytkownikami. Zegarki sportowe dostarczają wielu informacji, które można praktycznie wykorzystać.

„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” – tłumaczy prof. dr hab. inż. Krzysztof Sośnica z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki UPWr.

Wrocławscy naukowcy ocenili precyzję pozycjonowania w dwóch wymiarach, różnicy wysokości i odległości w zegarkach sportowych. Uwzględnili różne kombinacje systemów GNSS. Eksperymenty związane z pomiarem odległości i różnic wysokości przeprowadzili w trzech konfiguracjach GNSS: GPS (globalny), GPS+GLONAS (globalny i rosyjski) i GPS+Galileo (globalny i europejski).

„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)” – wyliczył profesor.

Wyjaśnił, że 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.

Eksperymenty: pozycjonowania, wysokościowe i odległościowe

Pierwszy eksperyment przeprowadzony został na trasie testowej o długości około 2,7 km we Wrocławiu. Trasa obejmowała obszary o zróżnicowanej widoczności nieba.

„Punktem odniesienia był profesjonalny odbiornik geodezyjny Leica GS18. Odbiornik geodezyjny korzysta z korekt czasu rzeczywistego z referencyjnej stacji GNSS WROC, gwarantując dokładność pozycjonowania poniżej 3 cm i wysokości poniżej 5 cm. Zegarki sportowe wraz z odbiornikiem umieszczone zostały na tyczce geodezyjnej z wykorzystaniem dodatkowego stelaża” – opisuje prof. Sośnica.

Największe błędy występowały na terenie otoczonym budynkami lub drzewami. W obszarach z mniejszą liczbą przeszkód dokładność pozycjonowania zegarków była wyższa. Zegarki sportowe o wysokiej stabilności wykazywały różną dokładność pozycjonowania między nieprzysłoniętymi i przysłoniętymi obszarami horyzontu.

Naukowcy potwierdzili, że 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” – wyjaśnili.

Eksperyment wysokościowy wykonano na stalowej wieży o wysokości 36,83 m, zlokalizowanej w Kotowicach koło Wrocławia. Pomiary wykonano na 13 poziomach oddalonych od siebie o około 2,9 metra. Różnice wysokości wyznaczono za pomocą dalmierza laserowego. W ten sposób naukowcy zapewnili 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.

Okazało się, że zegarki nie są odpowiednie do pomiaru wysokości. Pomimo wzrostu wysokości, niektóre modele pokazywały niższe odczyty na wyższych poziomach na wieży. Jedynie dwa typy zegarków sportowych wykazywały wzrost wartości na każdym kolejnym poziomie, gdzie wykonywano pomiary. Jednak na niektórych poziomach różnice między ich wynikami a referencją mieściły się w zakresie metrów.

Eksperyment odległości przeprowadzono na pełnowymiarowej bieżni lekkoatletycznej we Wrocławiu. Wewnętrzna krawędź bieżni ma długość 400 m. W każdej konfiguracji GNSS eksperymentatorzy pokonali pięć okrążeń na drugim torze bieżni o długości 407,67 m.

W eksperymencie dotyczącym odległości na bieżni, różne modele zegarków sportowych wykazywały różną dokładność w zależności od wybranej konstelacji. Najbardziej precyzyjny był wynik, w którym różnica między długością bieżni a pomiarem zegarka sportowego wyniosła 0,49 m, co – w ocenie badaczy – jest akceptowalne biorąc pod uwagę niski koszt urządzenia z odbiornikiem GNSS.

Zegarki sportowe 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 charakteryzują się błędami wynoszącymi ponad 20 m w tym samym eksperymencie. Dla pozycjonowania w dwóch wymiarach najlepsze zegarki zapewniają błąd średni wynoszący 1,4 m, podczas gdy najgorsze - 4,2 m.

„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 jednocześnie. GPS jest zawsze wykorzystywanym systemem, a drugą konstelację można wybrać spośród GLONASS, Galileo lub BeiDou” – wyjaśniono w publikacji.

Szczegółowe wyniki w odniesieniu do poszczególnych marek producentów znajdują się w artykule https://doi.org/10.1016/j.measurement.2024.114426 w Measurement. Jego współautorami są: Marcin Mikoś, dr inż. Kamil Kazmierski i Natalia Wachulec z zespołu prof. Sośnicy.

„Dzięki postępowi technologicznemu, również zegarki sportowe będą mogły w przyszłości uzyskiwać wyższą dokładność modułów GNSS” – przewidują badacze w podsumowaniu.

Nauka w Polsce, Karolina Duszczyk

kol/ agt/