Højdemåling med sportsure, GPS eller trykbaseret højdemåler?

En af de klassiske diskussioner omkring moderne sportsure er præcisionen af højdemåler funktionen hvad enten den er baseret på GPS eller trykbaseret.

Grundlæggende skelner man som nævnt ovenfor mellem højdemåling med GPS, via lufttrykket eller en kombination af de to måleformer. Begge metoder har deres udfordringer og det at måle en præcis højde er ikke ligefrem en eksakt videnskab selv med tidens rasende dyre ure.

Billedet viser en ud og hjem tur over de samme to bakker. Den blå linie er tegnet af en trykbaseret højdemåler mens den grønne kommer fra en GPS baseret højdemåler. Den blå matcher perfekt højden på de to "toppe" aflæst fra et topo kort mens GPS højdemåleren tegner en langt fladere og mindre nøjagtig linie.
Billedet viser en ud og hjem tur over de samme to bakker. Den blå linie er tegnet af en trykbaseret højdemåler mens den grønne kommer fra en GPS baseret højdemåler. Den blå matcher perfekt højden på de to “toppe” aflæst fra et topo kort mens GPS højdemåleren tegner en langt fladere og mindre nøjagtig linie.

GPS baseret højdemåling
GPS baseret højdemåling (vertikal positionering) fungerer på samme måde som den horisontale positionering som vores GPS enheder bruger til at bestemme deres position og ud fra dette måle typisk tilbagelagt distance som kombineret med forbrugt tid kan omsættes til fart. Selvom moderne GPS ure ofte er præcise til få meters afvigelse i det horisontale plan ser sagen lidt anderledes ud i det vertikale plan.

Nogle byer praler af deres høje beliggenhed, andre er stolte af at ligge lavt. Kristianstad i Sverige er placeret 2,41 meter under havet.
Nogle byer praler af deres høje beliggenhed, andre er stolte af at ligge lavt. Kristianstad i Sverige er placeret 2,41 meter under havet.

GPS højdemåling er baseret på en elipsoid som er en matematisk beregning af jordens form mens de højdeangivelser man ser på et kort er baseret på et vertikalt referencenet som er bundet til geoiden, det som oftest refereres til som havniveau. Dette er grundlæggende to forskellige systemer som dog har en modelleret intern forbindelse som tager højde for at jorden ikke er præcis kuglerund i sin grundlæggende form.

Den primære fejlkilde ved GPS baseret højdemåling er GPS satellitternes placering når højden bestemmes. Terræn eller bygninger kan skærme for satellitter som er nødvendige for at levere end præcis vertikal positionsbestemmelse. Når dette sammenholdes med de beregninger som skal foretages for at komme fra en højdeangivelse i elipsoiden til højde i geoiden (højde over havniveau) bliver præcisionen af højden noget lavere end den man kan forvente horisontalt.

Det er ikke usædvanligt at GPS beregnede højdeangivelser afviger op til +/- 100 meter fra det som kan aflæses på et kort. Ofte vil man dog opleve langt bedre præcision, men det er altså vigtigt at kigge på signal kvaliteten (Det kan relativt enkelt bedømmes ved at kigge på det omgivende terræn og vurdere hvor meget det skygger for frit udsyn til himlen. Jo mere fri himmel jo bedre signal som udgangspunkt.) inden man fæster lid til GPS baserede højdeangivelser til brug ved navigation.

De ovenfor beskrevne begrænsninger gør sig naturligvis også gældende ved måling af akkumulerede højdemeter over tid idet fejlmålingerne hver især opsummeres og derfor ofte fører til at antallet af akkumulerede højdemeter estimeres forkert.

Eksempel på topokort med højdeangivelser som punkter og kurver. Her området ved Gl. Ryg nær Silkeborg om huser blandt andet Himmelbjerget.
Eksempel på topokort med højdeangivelser som punkter og kurver. Her området ved Gl. Ryg nær Silkeborg om huser blandt andet Himmelbjerget.

Tryk baseret højdemåling
Trykbaseret højdemåling er klart den mest præcise metode, men desværre også den metode som kræver mest af brugeren. For at trykbaseret højdemåling skal være præcist kræver det nemlig at højdemåleren kalibreres inden, og ved lange aktiviteter, også under brug. Lufttrykket* og dermed højdemålerens visning påvirkes af højden, men også af vejret, hvorfor jævnlig kalibrering mod en kendt reference højde er nødvendig.

Hvordan virker en trykbaseret højdemåler?
Et ur med trykhøjdemåler måler lufttrykket og beregner ud fra dette højden. Uret har behov for to værdier for at beregne den aktuelle højde.

1.: De aktuelle lufttryk
2.: Referencehøjde indtastet ved tidligere kalibrering

Resultatet af denne beregning er at ændringer i brugerens højde direkte kan aflæses på urets display. Desværre har vejret også indflydelse på lufttrykket. Når vejret skifter til det dårligere falder lufttrykket og højdemåleren viser en forkert (for høj) højde. Ligeledes når vejret skifter til det bedre hvor lufttrykket stiger, her vil højdemåleren vise en for lav højde.

Lufttrykskurve for april 2015. Kilde DMI
Lufttrykskurve for april 2015. Kilde DMI

Hvis vi kigger på en tilfældig dag i april 2015 (se kurven ovenfor)så kan trykudsvinget over et døgn nemt komme op på 5-8 hPa hvilket kan omsættes til en forskel i den målte højde på 42-67 meter, dette på et normal døgn uden de vilde vejrtyper. Dette understreger vigtigheden af at kalibrere højdemåleren hvis den skal benyttes til præcis navigation. Eksempel, du kalibrerer om morgenen din højdemåler til 10 meter. Om aftenen er trykket steget med 8 hPa fordi vejret er blevet bedre og din højdemåler viser nu 77 meter til trods for at du befinder dig præcis samme sted. Dette betyder at højdemåleren bør kalibreres ofte hvis højdeaflæsningerne skal bruges i forhold til navigation i bjerge osv. Jo oftere du kan kalibrere (med korrekte data) jo bedre data har du tilgængelig.

Et par huskepunkter:
1.: større højde = lavere lufttryk, og omvendt.
2.: godt vejr = højere lufttryk, og omvendt.

Kalibrering af trykhøjdemåler
Manuel kalibrering: Dette er den absolut mest præcise metode, men kræver kendskab til aktuel højde for at fungere. Aktuel højde kan aflæses fra et topografisk kort, fra skiltning i bjergegne eller fra forskellige webservices**.

Toppladen på Green Mountain tæt ved Boulder Colorado. Her angives højden over havet nederst på pladen i fod.
Toppladen på Green Mountain tæt ved Boulder Colorado. Her angives højden over havet nederst på pladen i fod.

GPS kalibrering ved start af aktivitet: Selvom denne mulighed ikke er 100% præcis giver det en fornuftig baseline og er bedre end ikke at gøre noget. Det er dog vigtigt at give GPS modtageren tid til at etablere et stabilt satellit fix og lade GPS højden stabilisere sig inden start. Dette kan kræve op til flere minutter efter at de moderne GPS ure med hotfix har meldt klar.

Løbende kalibrering via GPS: Ved dagslange aktiviteter med skiftende vejrforhold kan det være relevant at lade højdemåleren kalibreres løbende via GPS, særligt i egne hvor der ikke skiltes med højden. Suunto kalder denne funktion FusedAlti, men en lignende funktion findes i Garmins top ure. Det er dog altid at foretrække hvis man kan lave løbende kalibreringer baseret på kendte referencepunkter, særligt når højdemålingerne skal benyttes til navigation.

Opsummering
Hvis du har læst så langt, så er du interesseret i hvordan højdemåleren i dit GPS ure fungerer, og du er interesseret i at få de bedst mulige data. Her er det vigtigt at skelne mellem valide træningsdata (akkumulerede højdemeter på en træningstur) og valide navigationsdata (absolut højde angivelse).

I forhold til valide træningsdata er der ingen tvivl om at en trykhøjdemåler slår den GPS baserede på præcisionen til hver en tid. Uanset om den bliver kalibreret eller ej, så vil trykhøjdemåleren (med småd udsving fra model til model) levere et temmelig præcist billede af hvor mange højdemeter du æder på en træningstur i skoven. Den eneste reelle grund til at bekymre sig om at kalibrere højdemåleren i denne sammenhæng er hvis din OCD siger at kurven skal lige perfekt hver gang. Jeg bruger selv at lade højdemåleren kalibrere ved GPS inden træningsstart og giver lige uret et minut til at stabilisere højden efter GPS fix er opnået.

I forhold til valide navigationsdata er der ingen tvivl om at en trykhøjdemåler slår den GPS baserede på præcisionen, men kun hvis trykhøjdemåleren bliver kalibreret som beskrevet ovenfor. En ukalibreret trykhøjdemåler er i denne situation nærmest værdiløs (udover at den kan bruges til at forudse vejrforandringer). Om trykhøjdemåleren kalibreres efter referencepunkter som skilte, toppe, højdekurver på et topokort eller via GPS er ikke så væsentligt, når blot en kalibrering foretages.

I det store billede er de små højdeforskelle vi oplever i Danmark insignifikante, der er altså ingen grund til at fluekneppe på om højdemåleren viser 5 meter lavere ved en træningsturs afslutning i forhold til begyndelsen. Det er fint inden for tolerancer og der skal i øvrigt kun en ganske lille ændring af vejrforholdene til for at give den slags udsving som beskrevet ovenfor.

Uddybninger:

*Lufttryk
Vægten af den luftsøjle, der hviler på en kvadratmeter af en vandret flade. Måles i enheden hectopascal (hPa). Standardlufttrykket ved jordoverfladen er 1013 hPa.

Lavtryk: Når varm og kold luft kommer tæt på hinanden, kan der under visse betingelser opstå områder med lavt lufttryk. Udviklingen sker, når kold og dermed tung luft trænger ind under den varme luft, som tvinges til vejrs. Den varme luft indeholder vanddamp, der bliver til skyer og regn, når den stiger og afkøles.

Højtryk: Områder med højere lufttryk end omgivelserne. Trykket skaber udadgående vinde, således at luften fra højereliggende luftlag synker ned og opvarmes. Det giver roligt og tørt vejr.

**Værktøjer:
Til bestemmelse af højde i forbindelse med kalibrering af højdemåler bruger jeg denne service fra Miljøministeriet / Geodatastyrelsen. Vælg korttype i menuen til venstre og derefter Værktøjer -> Vis koordinater og lokaliser position i menuen øverst. Nederst i popup boksen vises den registrerede højde for den valgte position.

Min oplevelse er at de opgivne data stemmer rigtig godt overens med virkeligheden modsat eks. en service som Google Maps Højdeservice  der angiver decideret forkerte data for to af mine tre lokale referencepunkter.

Har du andre fede værktøjer til bestemmelse af højder lokalt hører jeg meget gerne fra dig.

Til sidst får du lige en lille lækker video fra Suunto som pænt beskriver højdemålerens funktion.

7 tanker om "Højdemåling med sportsure, GPS eller trykbaseret højdemåler?"

  1. Hej Knut
    super indlæg og dejligt at se at der trods alt er en som har forstået hvordan gps virker hvilket der er rigtig mange af “brokkehovederne” som ikke aner en dyt om …
    jeg arbejder selv for Trimble med gps maskinstyring og ved om nogen hvor svært det er at få præcise højder,i vores branche forlanger man jo ned til 2 cm præcision i højden hvilket KUN kan opnås ved at få et radiosignal eller internetsignal fra en referencestation som står i en kendt højde i nærheden hvis ikke man har det så er præcisionen helt i skoven i bedste fald +/- 40 meter men kan være meget værre,men i det horisontale plan er præcisionen under 20 cm
    dette kommer sig af at det vindue sattelitterne har i dere “synsfelt” i det horisontale plan er kæmpestort og nemt kan se afvigelser men i det vertikale plan er vinduet lillebitte og det er meget svært at se afvigelser …

    jeg har købt et fenix 3 da det blev frigivet og synes nu at den løbende kalibrering i det virker supergodt 🙂
    og har iøvrigt fundet en app til iphone (altimeter Digital)som altid kan give dig den lokale højde og den kommer meget tæt på

    1. Tak for kommentaren Frank! Og tak for din uddybning omkring Trimble, rigtig interessant og relevant information som jeg vil forsøge at indarbejde i artiklen.

      Tjekker appen ud, og kommer den gennem “nåleøjet” så tilføjer jeg den også i artiklen.

  2. GPS højdemåling er underlagt alle de samme udfordringer som den horisontale præcision. Manglende udkik til sateliterne påvirker præcision både i x, y og z plan.

    GPS signalet er meget lavt i styrke (-160dB) og kun speciel modtager teknikker tillader at signalet kan isoleres for anden støj i L frekvens båndet. Selvom teknikker virker fint, skal der ikke meget til at skabe forstyrrelser. En “Jammer” på 1 W kan ligge GPS signalet ned i en radius af op til 50 km. Det forklarer lidt om hvor følsomt signalet rent faktisk er, og hvorfor udstyr som kræver præcise og dynamiske målinger, sjældent alene anvender GPS positionen, men rent faktisk “fuser” (blander sammen) informationer fra flere kilder, så som inerti systemer, gyroer og radarsystemer (doppler). Et GPS signals opdaterings rate er 1 Hz, og uanset hvad, vil det aldrig kunne lade sig gøre at lave positionsopdateringer, alene med GPS, mere end en gang i sekundet.

    Den reelle udfordring med GPS højdemåling (z plan) er sateliternes co-planare konstellation. I modsætning til x og y koordinatet, hvor modtageren har tidssignaler fra GPS sateliter på begge sider, vil alle z koordinater udledes ud fra at sateliterne befinder sig på en side af modtageren – nemlig over os. Og indtil vi udvikler underjordiske sateliter, vil denne udfordring ikke rigtig kunne overkommes… 🙂

  3. Hej Knut. Tak for et spændende indlæg. Flere GPS-ure giver mulighed for også at bruge Glonass. Men ved du, hvad det så betyder for højdemålingen med GPS? Bliver den mere præcis? Benjamin

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret. Krævede felter er markeret med *