GPS がどのように嘘をつくのか

同じ乗車でも、自分のユニットの走行距離が友人のユニットと異なる理由とその対処法

100 年かけてライドを終えた後、GPS の表示が 99 マイルになったことはありませんか? あるいは、同じライドをしたにもかかわらず、Strava アクティビティでの平均速度と合計獲得高度が友人のアクティビティと異なるのはなぜだろうかと疑問に思いませんか?

あなたは一人じゃない。 自転車フォーラムから Strava や Garmin Connect などのソーシャル フィットネス アプリのフォーラムまで、ライダーは、同じ衛星指向の位置情報システムに基づいている GPS デバイスがなぜ頻繁に異なるのかについての答えを求めています。

ランナーズ ワールドの同僚は最近、GPS デバイスが基本的に常に実際の距離を過大評価していることを実証した最近の雑誌研究に焦点を当てて、そのような GPS エラーについて書きました。しかし、これらのエラーは話の一部にすぎません。

GPS の嘘は、私たちがそう呼びたいのであれば、多くの問題から派生し、距離から平均速度、獲得標高に至るまでの指標に影響を与えます。 「それぞれの違いには、異なるドライバーがいます」と、Strava のカスタマー サポート チームの一員としてこれらの質問に毎日対処しているプロ シクロクロス レーサーのエル アンダーソンは説明します。 GPS を使用することで、「私たちはある程度不正確なシステムを操作していることになります」と彼女は言います。

GPS の不一致が発生する理由を理解すると、何らかのエラーを排除したり、より良い代替品が登場するまでエラーを許容する方法を学ぶのに役立つ場合があります。

GPS 追跡の仕組み GPS デバイスは、地球上の任意の場所でいつでも少なくとも 4 つが見えるような正確な軌道をたどって、地球を 1 日に 2 回周回する 27 個の衛星のグループからデータを収集します。

これらの衛星は電波信号を送信し、デバイスが受信します。 電波の送信時と受信時の時間差に基づいて、GPS ユニットは各衛星までの距離を計算し、その情報を使用して現在地を正確に特定します。これは三辺測量として知られるプロセスです。

距離の誤差測定誤差: GPS ファイルをダウンロードして、地図上の自分のパスが道路と平行であるにもかかわらず、実際には道路上にないことがわかった場合は、GPS 精度をテストするための最近の乗車からのこの Garmin Connect ファイルに示されているように、それは測定エラーです。

衛星信号は大気中を伝わるため、信号の速度がわずかに遅くなります。 GPS デバイス メーカーはアルゴリズムでそれを補っていますが、それでも、その中で最も先進的なものは、あなたの位置を水平 3 ～ 5 メートル以内でしか推定できません。 ほとんどは直径 10 メートル以内の精度しかありません。

補間エラー: 曲線の周りのパスを奇妙な一連のぎくしゃくした直線としてレンダリングする GPS ファイルをダウンロードしたことがあるなら、補間エラーを経験したことがあるでしょう。 GPS デバイスは一定の間隔で位置を測定するだけなので、経路は一連の離散点になります。 通常、ソフトウェアは、たとえルートが曲線であっても、それらの点を直線で接続します。 Strava や Garmin Connect などのほとんどのソフトウェアは、既知の道路をたどるように修正できますが、サンプリング間隔が十分に速くない場合、経路が距離を誤って考慮する可能性があります。

その他のエラー: GPS の精度は、信号強度、ハードウェアの完全性、さらにはファームウェアが更新されているかどうかによっても変化します。 特定の設定も精度に影響を与える可能性があります。動きを止めたときにデバイスが自動一時停止するように設定している場合、システムが再び測定を開始する前に、一定の距離を継続的に移動する必要があります。 データ破損もあります。 .fit ファイルをアップロードしたことがある人なら誰でも、ファイルが読み取れないこともあれば、読み取れる場合でもノイズが発生することを知っています。データが欠落したり、奇妙な場所に追加されたりします (いいえ、時速 35 マイルの下り坂で、瞬時に時速 5 マイルに減速したわけではありません) ）。

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標高の誤差気圧ドリフト: GPS デバイスは 2 つの方法で標高を読み取ることができます。 サイクリング コンピューターで最も一般的なのは、気圧高度計を内蔵したもので、気圧 (別名空気) の変化を使用して高度の変化を計算します。 ただし、気圧は天気や気温によっても変化するため、常に若干のずれが生じます。 「標高の上昇は相対的なものであり、絶対的なものではありません」とアンダーソン氏は指摘します。 「[そして] 暖かい家から Garmin を取り出して、30 度の環境でライドすると、最初の数分間は恐怖を感じます。」

電話アプリなど、気圧高度計のない GPS は、ユーザーの位置と基準楕円体と呼ばれる値を使用して標高を計算しますが、多くの場合不正確です。これが、Garmin Connect と Strava がファイルのダウンロード時に標高補正を提供する主な理由の 1 つです。

データベースの汎用性: 標高補正機能は、ルートを既知の標高のリストと比較します。 たとえば、Strava は米国地質調査所のデータを使用しているとアンダーソン氏は言います。基本的に、Strava は 10 平方メートルのタイルのグリッドで地図をオーバーレイします。各タイルには、総面積の平均標高に基づいて標高値が割り当てられます。 したがって、特に急な地形では、実際の標高はタイル値よりも高い (または低い) 可能性があります。 そのため、Strava と Garmin Connect は、気圧高度計を備えたデバイスからダウンロードするときに標高補正を無効にします。通常、収集されたデータはより正確です。

結果 これらすべてのエラーのため、特定の乗車を行うたびに、GPS はわずかに異なるデータセットを生成します。 また、あなたと友人が同じ乗車をした場合、ファイルは異なります。 アンダーソン氏は、「それぞれの誤差は個別には小さいですが、すべてに小さな変数が重なり合う複合効果があるため、アクティビティ終了時の累積誤差は数分、場合によっては数十分のマイルになる可能性があります。」と述べています。

最も一般的な誤差は距離であり、昨年秋に国際地理情報科学ジャーナルに掲載された論文によると、GPS が補間に依存しているため、記録された距離が実際の距離よりも長くなってしまうことがほとんどです。

通常、標高データはより広範囲に変動します。 その一部は、気圧高度計の有無など、個々のハードウェアに依存します。 その結果、一連の登りで標高プロファイルが数百フィート離れてしまう可能性があります。これは、たとえば自転車でエベレストに登ろうとする場合には非常に重要です。

でも私のセグメントはどうなるの?! おそらく人々の最大の懸念は、GPS エラーが何らかの形で QOM/KOM 結果に影響を与えることです。 リラックスしてください、とアンダーソン氏は言います。まず、セグメントは通常十分に短いため、測定誤差は、たとえば 60 マイルの坂道で見られる誤差よりもはるかに小さくなります。

そして、補間は 1 つの重要な指標であるセグメントに対してうまく機能します。 セグメント時間については、Strava はアクティビティ ファイルを分析し、セグメントの開始と終了に最もよく一致する 2 つの GPS 補間ポイント (合計 4 ポイント) を選択します。 Strava は、各ポイントのペアのうち、セグメントの開始位置とセグメントの終了位置に最も近いポイントを開始ポイントと終了ポイントとして使用します。 時間は、完全なアクティビティで発生するような、間にあるすべての内挿ポイントの累積測定誤差ではなく、これら 2 つのポイントのタイムスタンプのみに基づいています。 そこにはまだ誤差の余地がありますが、それは水平数メートル程度であり、場合によってはそれが数メートル有利になる場合もあります。 セグメントを十分な回数繰り返すと、基本的には洗浄になります。 何も興奮することはありません。

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まだご心配ですか? アンダーソン氏は、Strava はほとんどの GPS エラーをなくす可能性のあるプロジェクトの非常に初期段階にあると述べています。 ユーザーがアップロードした何百万ものアクティビティからのファイルを使用して、本質的にユーザーから大規模なデータベースをクラウドソーシングしています。 「これは非常に重要であるため、変更を行う場合は、それが改善であると 100% 確信する必要があります」とアンダーソン氏は言います。 「しかし、もしそれが起こった場合、それはあなたが一人で乗ったのかグループで乗ったのか、別の日に同じ乗馬をしたのか、あるいは異なるデバイスを使用して友人と乗ったのかは問題ではないことを意味します。同じルートに乗れば、私たちは全員が同じデータを取得します。」

確かに、そうなった場合でも、微小レベルのエラーが存在する可能性があります。 しかし、少なくともそうすれば、私たちは皆同じフィールドでプレーすることになります。

それについて何をすべきか 「ユーザーが秒、フィート、（1 マイルの）10 分の 1 をどれだけ気にしているかにいつも驚かされます」とアンダーソン氏は言います。 最も正確なデータが必要な場合は、GPS の優れた実践方法をいくつか紹介します。

• ファームウェアを更新する: 上記の GPS テストのために、何年も更新していなかった古い Garmin Edge 500 を意図的に取り出しました。 結果として得られたファイルにエラーだらけのルートが含まれていた理由は複数ありますが、古いファームウェアもその 1 つです。

• 速度センサーを取得する: センサーを GPS デバイスにペアリングすると、ほとんどの場合、デフォルトで GPS ではなく速度センサーにデータが収集されると書かれています。 必要に応じて、ホイール サイズの校正が正確であることを確認してください。

• アップグレード: 新しい GPS ユニットでは、バックグラウンドで連邦航空局の WAAS ナビゲーション支援機能が有効になっている場合があり、ロシアの GLONASS 衛星ネットワークにもアクセスできます。 衛星の数が多いほど、位置の精度が高くなります。

• サンプリング レートを切り替える: ほとんどの GPS デバイスには、サンプリング間隔のデフォルト設定が「自動」または「スマート」に設定されていますが、衛星に ping を 1 秒あたり 1 回まで設定できます。 欠点は？ バッテリーの消耗が早くなり、ファイル サイズが大きくなり、ノイズが増加する可能性があります。

• 既知の標高ポイントを入力する: GPS にポイントの数を入力すると、頻繁に訪れる登山口で GPS をオンにすると、その保存された標高ポイントが取得され、気圧のずれが補正されます。気圧高度計を既知の値に設定することは簡単に行えます。 古い GPS デバイスでは、一定数の既知のポイントを保存できます。 乗車を開始すると、デバイスは入力したポイントのいずれかの近くにあるかどうかを自動的に確認し、それに合わせて調整します。 ダウンロード可能なマップを備えた新しい GPS デバイスでは、通常、標高ポイントはそれらのマップから取得されます。

既知のポイントを選択するための 1 つのヒント: 標高を示す市境標識は使用しないでください。 通常、それは都市の別の場所にあるランダムな地点、または都市の平均標高です。 ただし、峠の頂上などのマークのあるスポットを使用することはできます。

GPS の有無にかかわらず、自転車に乗りましょう。

Joe Lindsey は長年フリーランスのジャーナリストとして活動しており、スポーツとアウトドア、健康とフィットネス、科学と技術、特にベン図の 3 つの要素が重なる部分について執筆しています。

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