Hvor bliver de meter af, som GPS'en ikke måler?

Michael Deichmann har lagt mærke til uregelmæssigheder i sin GPS, når han kører gennem skove og tunneller:

"Det er tydeligt, at ens GPS ikke 'ser' så mange satellitter, når man kører igennem et skovområde, som når man kører i åbent land. Men når man kommer ud af skoven igen, burde gennemsnittet af de aflæste hastigheder modsvare den aflagte distance og den medgåede tid. Min erfaring er imidlertid, at de viste hastigheder alle er for lave. Jeg har aldrig set en hastighedsvisning, der er over den, jeg kører.

Hvor bliver de meter af som GPS'en åbenbart ikke måler når man kører i skoven? Min GPS er en TomTom som simulerer, når GPS signalet forsvinder kortvarigt, men når den får det rette signal igen burde den vise en høj hastighed for at rette op på, at sidste måling er over en lang strækning - eller?"

Poul-Henning Kamp, selverklæret TidsNørd og blogger på ing.dk, svarer:

"Den helt korte forklaring er, at den hastighed, der vises, er et øjeblikstal, udregnet af ikke-midlende numeriske filtre, baseret på de rå GPS-positioner, og derfor giver de ikke den rigtige vejlængde, når de lægges sammen.

Den lange forklaring:

GPS-modtageren måler forskellen i ankomsttid for signalerne fra de satellitter, den kan modtage, og ud fra disse forholdsvis små tidsforskelle og satellitternes egne oplysninger om deres præcise positioner, udregnes modtagerantennens position i 3D+T koordinater.

Hvis man forestiller sig, at der kun er fire satellitter på himlen, og at de alle er stort set lodret over antennen, vil selv en forholdsvis stor forskel i vandret position ikke betyde mere end en meget lille forskel i signalernes ankomsttid, og usikkerheden bliver derfor forholdsvist stor.

Hvis satellitterne derimod er spredt jævnt hvælvet over modtageren, vil selv en lille ændring i dens position betyde store og modsat rettede ændringer i signalernes ankomsttider. Dette fænomen kaldes 'Dilution of Precision' - 'udvanding af nøjagtighed' - og mange modtagere viser det på displayet i et eller andet hjørne.

Modtagerne viser som regel kun den vandrette komponent af DOP, typisk 3-20 meter. På vores breddegrad er den lodrette komponent ofte 10 gange større, på grund af geometrien i forhold til GPS-satellitternes baner. Vi har nemlig næsten ingen satellitter nord for os. Se f.eks.:
http://www.gmat.unsw.edu.au/snap/gps/gps_survey/chap2/fig22-86.jpg,
der viser situationen set fra Sydpolen. Det er symmetrisk, så Nordpolen har samme billede, blot spejlvendt.

Når du kører igennem en skov, dæmpes signalerne fra satellitter, der ligger ned mod horisonten, mere end de satellitter, der er lige over dig: jo flere blade og grene signalet skal igennem, jo flere elektroner er der til at forsinke radiosignalet. Dermed stiger DOP, og de rå GPS positioner vil være mindre præcise.

For at undgå, at tallene flimrer på displayet, filtrerer man dem for at slippe af med "støjen".

Da GPS-modtagere i biler kører under broer og i skyggen af højhuse men sjældent drejer særligt skarpt, når det kommer til stykket, anvender man et Kalman-filter til opgaven:
http://en.wikipedia.org/wiki/Kalman_filter

Kalman-filtre er nogle spøjse matematiske konstruktioner, der kort sagt udregner usikkerheden på de tal, det har modtaget indtil nu, og derefter bruger denne usikkerhed til at forudsige, hvad virkeligheden under støjen sandsynligvis var.

Generelt er Kalman-filtrene i GPS-navigatorer bygget med viden om, at en bil, der kører mere end 10 km/h, ikke pludselig bevæger sig flere meter til siden. Derfor fordeler de, populært sagt, den usikkerhed, der er i GPS koordinaten, med størstedelen i bilens kørselsretning og et minimum på tværs.

Den hastighed, der vises på displayet, er udregnet fra disse filtrerede positioner, og fordi Kalman-filtere ikke respekterer et gennemsnit - støjen kunne jo være assymetrisk -, kan de ikke bare integreres for at finde den tilbagelagte vejlængde, og derfor vil tallet heller ikke have brug for at 'indhente' det manglende stykke vej."

Spørg Scientariet er i dag redigeret af Julie M. Callesen, jmc@ing.dk.

Emner GPS

Spørg Scientariet

Du kan spørge om alt inden for teknologi og naturvidenskab. Redaktionen udvælger indsendte spørgsmål og finder den bedste ekspert til at svare – eller sender spørgsmålet videre til vores kloge læsere. Klik her for at stille dit spørgsmål til Scientariet.

Kommentarer (22)

Citat: "Min erfaring er imidlertid, at de viste hastigheder alle er for lave. Jeg har aldrig set en hastighedsvisning, der er over den, jeg kører."

Hvor ved du det fra? :-)

Sammenlignet med bilens speedometer? Speedometre må ikke vise for lidt; det viser ofte 5% eller mere galt; 0% fejl er yderst sjældent.

GPS'er viser oftest korrekt indenfor under 1 km/h

  • 0
  • 0

er at afstandene mellem målepunkterne antages at være lige linjer og ikke snoede, som de i virkeligheden næsten altid er. Den virkelige afstand er derfor altid noget længere end den beregnede.

Man kan beregne sig til en noget mere korrekt total afstand, ved at bruge diverse kurveformler og det skulle ikke undre mig om nogle af de nyere GPS-dimser bruger dette. Min gamle Garmin Street Pilot gør det vist ikke!

  • 0
  • 0

I tillæg til dette emne er de fleste fabriksmonterede GPS systemer noget bedre, idet de også måler hjulomdrejningerne (de bruger ABS sensorerne).
Dermed kan de ved at måle både det absolutte antal omdrejninger samt forskelle mellem højre og venstre hjul sjusse sig til en position der er temmelig nøjagtig, selv om det er en lang tunnel man kører igennem.

Bent.

  • 0
  • 0

Det undrer mig i øvrigt at de fabriksmonterede anlæg ikke bruger gps-signalet til at kalibrere speedometervisningen, men alligevel viser 3-10% for meget.

Og så også at km-tælleren kan være enig med gps'en, over lange lige motorvejsstrækninger, men alligevel viser speedometre forkert.

Apropos ABS-sensorerne, kunne autocomputeren ikke regne ud, at hvis et hjul begynder at rulle hurtigere end de andre, så er dæktrykket for lavt?

  • 0
  • 0

"Apropos ABS-sensorerne, kunne autocomputeren ikke regne ud, at hvis et hjul begynder at rulle hurtigere end de andre, så er dæktrykket for lavt?"
Sådanne systemer findes i flere bilmodeller, det er "low-cost" versionen af dæktryksalarmer. De dyrere har en tryksensor og en lille radiosender inbygget i fælgen.

Bent

  • 0
  • 0

"Apropos ABS-sensorerne, kunne autocomputeren ikke regne ud, at hvis et hjul begynder at rulle hurtigere end de andre, så er dæktrykket for lavt?" Sådanne systemer findes i flere bilmodeller, det er "low-cost" versionen af dæktryksalarmer. De dyrere har en tryksensor og en lille radiosender inbygget i fælgen. Bent

Ja, og nogen af dem regulerer vist også selv trykket, men egentlig er dæktrykket ikke den relevante parameter, men dækkets facon, og derfor Leifs tanker bedre. Når Jensen kører på weekend ved Storebæltskysten med op til flere hundrede kilo i bagsmækken er de 0,2 bars justering som fabrikken anbefaler langt fra nok for at dækket skal beholde den rigtige form. Det samme problem har stort set alle vare- og lastvogne, specielt mht baghjulene.

Jeg lavede (og patentanmeldte) for snart 30 år siden en opfindelse, som netop byggede på Leifs tanker. Hverken bil- eller dækfabrikanter viste dog nogen interesse for et hjul med en perfekt trædeflade hele tiden!

  • 0
  • 0

Leif, det med speedometeret er et spørgsmål om for mange advokater i verden. Der er vist en lov el.lign. om at et speedometer ikke må vise for lidt, så bilfabrikanterne vælge hellere at få dem til at vise for meget for at være på den sikre side - tænk på alle de sagsanlæg der kunne ventes, hvis en bil viste for lidt - i yderste konsekvens kunne man sikkert anlægge sag mod en bilfabrikant for manddrab, hvis man havde trafikdræbt en person pga for høj fart - "jamen, speedometeret viste jo ikke at jeg kørte for meget..."

  • 0
  • 0

.. idet mit oprindelige spørgsmål er blevet journalistisk bearbejdet så jeg selv har svært ved helt at forstå meningen :-)
Jeg kan se at hastigheden opdateres med visse mellemrum. Da der givetvis skal foretages en hel del beregninger (aflæsning og dechifrering af PPS data, beregning af position og opdatering af billede med kort) og da regnekraften er begrænset i sådan en HP iPAQ, så er der tydelige intervaller - på i hvert fald 0,5 sek måske længere.
Hastigheden antager jeg den udregner ved at tage tiden imellem to sådanne positionbestemmelser og så afstanden. Det svarer meget godt til oplevelsen når man kører ude i det åbne land.
Antages det nu at ovenstående faktisk er sådan det virker - så vil en for lav hastighed fremkomme hvis den fundne afstand er mindre en den faktisk tilbagelagte, foreksempel fordi unøjagtigheden lige faldt sådan - ja at den målte afstand blev for kort.
Hvis usikkerheden når man kører i skoven er sådan normalfordel, så burde afstandene det ene øjeblik være lidt for korte, nogen gange lige på kornet og andre gange for lange.
Hastigheden ville så svinge omkring den rigtige.
Men sådan er det ikke! Hastigheden vises klart for lavt hele vejen igennem skovstrækningen. Qua ovenstående ræsonnement skulle det betyde at der for hvert interval måles en for kort afstand, som akkumuleres hele vejen igennem skoven. Når man kommer ud ser man så ikke et kort glimt hvor der står f.eks. 200 km/t fordi at næste målepunkt bliver rigtigt og hele den akkumulerede fejl kommer til korrektion - næh - når man kommer ud af skoven viser den bare rigtigt. Heraf bemærkningen om de "forsvundne meter".
Så jeg må antage at GPS'ens hastighedsmåling IKKE sker som ovenfor beskrevet af mig.
Nu vil jeg nærlæse PHK's svar igen for det må jo så betyde at GPS må lave to (eller flere) hurtige GPS aflæsninger for hvert interval og ud fra dem beregne hastigheden. Og så kommer al det der støj som Poul-Henning omtaler på banen og forstyrrer billedet.
Er jeg ved at have fat i noget rigtigt her?

  • 0
  • 0

Hastigheden antager jeg den udregner ved at tage tiden imellem to sådanne positionbestemmelser

For det første tvivler jeg på den beregner en hastighed imellem alle par af positionsmålinger som den får fra GPS delen, for det andet skal du huske at hastigheden egentlig er en vektor: den har også en retning.

De fleste bil-GPS'er holder temmeligt hårt fat på vejene i kort-databasen, hvilket folk med legitime behov for 4WD kan tale med om: man skal ret langt ud i pløjejorden inden GPS's indrømmer man har forladt asfalten.

Så jeg tror mindst der er to "lækager" i det tal du ser og derfor skal du se tallene som ikke sammenhængende øjebliksværdier, eller som vi siger i tid/frekvens sammengæng: der er "dead-time" imellem målingerne.

Situationen er den samme som hvis du målte afstanden imellem hvert andet par af de hvide plastic-pæle: 1-2, 3-4, 5-6 osv, så mangler du stadig at kende hastigheden fra 2-3, 4-5, 6-7 osv. og kan derfor ikke summere op.

Hvis usikkerheden når man kører i skoven er sådan normalfordelt

Det er GPS fejl praktisk taget aldrig når du er nede i atmosfæren, men udenfor (f.eks på Ørsted satellitten) er det tæt på en gauss fordeling.

Poul-Henning

  • 0
  • 0

Når et speedometer viser for meget, er det fordi der skal tages højde - ikke alene for forskelle i dæktryk, men også for nye/slidte dæk, forskellige fabrikater og sommer/vinterdæk. Man skal med andre ord altid være på den sikre side.

Med mine vinterdæk viser speedometeret 9 km/t for meget ved ca. 110 km/t. Dvs. at jeg kører 110 km/t når speedometeret viser 119 km/t. Ved 50 km/t viser speedometeret ca. 4 km for meget. Forskellen er mindre med "de frække fælge" og 17" sommerdæk - ca. 6 km/t ved 110.

Alt sammenlignet med min Garmin GPS.

  • 0
  • 0

I denne artikel kan jeg næsten forstå at GPS'er altid viser for lidt. Har jeg misforstået det hele?

Jeg var her i vinter på skitur og skulle lige prøve min GPS-telefon som er en Nokia 6110. Jeg har altid spekuleret på hvor hurtigt man egentligt kørte på ski, så nu var muligheden der. Så efter "sommersløvheden" var kørt væk fik jeg snowboardet på og ellers ned af bakkerne. En max-hastighed på 55 km/t viste den. Nå så blev man så klog. Jeg kørte til en anden bakke og tog en tur til ... 96 km/t.
Nej nu skulle det være slut ... nu skulle den have alt hvad den kunne trække ned af bakken ... 146,99 km/t.
Helt vildt ... nu vidste jeg at det tal ikke passede ... så hurtigt havde jeg altså ikke kørt !!!
Jeg havde jo kunnet melde mig til skiløb med de professionelle med den hastighed.

Er der nogen der har et bud på hvorfor den viser sådan en hastighed? Jeg ved godt at det er en GPS der er bygget ind i en telefon, men i bilen
på vej hjem viste den samme hastighed som min computer i bilen.

  • 0
  • 0

Er der nogen der har et bud på hvorfor den viser sådan en hastighed? Jeg ved godt at det er en GPS der er bygget ind i en telefon, men i bilen på vej hjem viste den samme hastighed som min computer i bilen.

I skibakken skifter du jo højde ret markant mellem målepunkterne, så mon ikke det er der den systematiske fejl ligger?

Du kan prøve med en tur i nogle stejle alpeveje i sommer og se om du kan komme op i Formel 1-fart! ;-)

  • 0
  • 0

I Poul-Henning Kamps beskrivelse forklares i sidste afsnit "Den hastighed, der vises på displayet, er udregnet fra disse filtrerede positioner, .....", men ifølge en artikel af Tom Clark (http://www.aprs.net/vm/gps_cs.htm) så beregnes hastighed ikke udfra afstand og tid mellem positionerne men direkte udfra fase målinger på sattelitsignalerne. Hvad er rigtigt ?

High-end GPS modtagere kan regne en hastighedsvector ud baseret på dopplerskiftet på satellitsignalerne, men det er så vidt jeg ved ikke ret udbredt endnu.

Poul-Henning

  • 0
  • 0

Iflg. Google så er Tom Clarks artikel oprindeligt fra 2002, og man kunne jo formode at med den teknologiske udvikling så bliver gårsdagens High End udstyr til morgen dagens consumer products. Spørgsmålet er så om vi er i stand til at se på GPSen om den beregner det på den ene eller den anden måde.
Men tak for svaret

  • 0
  • 0

En max-hastighed på 55 km/t viste den. Nå så blev man så klog. Jeg kørte til en anden bakke og tog en tur til ... 96 km/t. Nej nu skulle det være slut ... nu skulle den have alt hvad den kunne trække ned af bakken ... 146,99 km/t.

Disse tre tal er sandsynlige tal på en alpin vellavet bakke. Også for en snowboarder, om end sådanne normalt ikke kører helt så stærkt som hurtige skiløbere. Der er dog undtagelser, en af mine venner kørte i sin ungdom hurtigt på sit bræt.

En normal pænt hurtig topfart for en begynder på ski er ca. 60 km i timen. Hvis man er ekstra robust og stærk og erfaren, kører man nemt 150 km i timen ned ad en god bakke, forudsat at man er alene og at skiene er designede til det. Dette valg, skiene, er man tvunget til at beslutte sig om, når man køber ekstra gode ski. Hurtige ski er umulige at anvende i dyb sne, for eksempel, fordi de er stive og vridningsstive og dæmpede så de føles som togskinner.

De virkeligt dygtige skiløbere, kan køre i hvert fald 240 km i timen, forudsat at luften er tynd og skiene er specielle, og bakken er meget speciel. Der er en særlig bakke i Frankrig (Les Arcs), hvor netop disse kørsler er populær underholdning at betragte. Man behøver en særdeles lang bane at kunne bremse på, forneden.

Mine højeste hastigheder, har jeg opnået i Frankrig når jeg begyndte i 3600 meters højde. Deroppe, i begyndelsen, er luftmodstanden temmelig lille, og det går temmelig stærkt også af en anden grund, fordi sneen altid er frosttør, og af en tredje grund, at kulden deroppe normalt altid blæser nedad, og af en fjerde grund, at man ofte er temmelig alene, så man virkeligt kan give den gas. (Den øvre top over Tignes, nær Val D'Isere.) Langt længere nede ad den bakke, bliver man ramt af vindmodstand, og den kan man ganske vist forme sig delvist som en pil imod, men det går ud over evnerne til at styre sikkert. Desuden er høje hastigheder, når der er vidner, selvsagt forbudt, og uansvarligt, hvis der er andre på pisten.

  • 0
  • 0

det er helt normalt at GPS'er bliver jammet af højde ændringer, deres hastighed samt positionstal bliver så også meget forkerte,
jeg har fløjet med model flyvere i flere år med GPS og video og OSD, så jeg kan holde øje med alle tal live, hver gang jeg ændre retning eller højde over en ret kort tid, så bliver gps'en forviret, jeg har i den forbindelse experimenteret med mange typer chip sets, og desværre fundet at de alle har samme problem, min løsning er at flyve mere kedeligt rundt, dvs i meget store kurver i samme højde, så jeg kan regne med de tal jeg får fra GPS'en, ellers kan jeg risikere at styre i forkert retning.

  • 0
  • 0

GPS er både til lokalisere olie boringer på havbunden og et Missils vej til et mål, men hastigheder af stejle skiløbere ned ad løjper, er vel lige netop det andet.

  • 0
  • 0

Her formoder jeg de har et flådesystem.
Når en politibil har tilbagelagt en rute i et område, hvordan er det så med de koordinater den har passeret, bliver de lagt ind på en harddisk eller bliver de slettet med det samme, eller inden for nogle dage, uger eller måneder. Det kunne jeg godt tænke mig at vide om der er en her på tråden der har den viden at ville være venlig at fortælle mig lidt om.

  • 0
  • 0

Nej nu skulle det være slut ... nu skulle den have alt hvad den kunne trække ned af bakken ... 146,99 km/t. Helt vildt ... nu vidste jeg at det tal ikke passede ... så hurtigt havde jeg altså ikke kørt !!!

Det er slet ikke usandsynligt at køre så stærkt på en pæn pist. Jeg opnår konsekvent over 100 km/t, og jeg har brugt flere forskellige GPS-modtagere. Prøv at lægge mærke til vindmodstanden, og mærk hvor meget du bliver komprimeret ned over selv en blød dal. 147 km/t skal skam nok passe....

  • 0
  • 0

Det er et bevidst valg hvor meget et speedometer skal vise for meget. Har lige boet i USA i en længere periode, og næsten alle de biler jeg har kørt i derovre (5-6 stykker) har været meget præcise. Sammenlignet med GPS'en har fejlvisningen meget sjældent været mere end +/- 1 mile/time. Lige så ofte over som under.

Så jeg tror det er ved lov i EU at bilerne viser mere end den reelle hastighed.

  • 0
  • 0