Nøjagtighedstest for smartphone og håndholdt gps Rapport fra et teknisk mini-event
Jens			april 2012 - version 1 - udgivet 26. april 2012

1. Indledning

Jeg afholdt en event cache den 14. april 2012. Eventets tekniske formål var at eksperimentere med hvor nøjagtige forskellige typer gps-modtagere er når de skal bestemme koordinaterne til et udpeget punkt. Eventet fokuserede først og fremmest på om der var mærkbare forskelle på nøjagtigheden når man sammenligner de to store familier af gps-modatagere der bruges til geocaching: smartphones og traditionelle håndholdte gps-modtagere.

Der er 36 profiler på geocaching.com som har logget event cachen som attended. Tilsammen bidrog deltagerne med 288 observationer af koordinater, hvoraf 287 var brugbare i analysen af data. Observationerne er tilgængelige i dette regneark (MS Excel).

Under eventet var det skyfrit vejr, og luftfugtigheden var ikke høj.

Jeg vil gerne benytte lejligheden til at takke alle deltagerne for den entusiastiske måde I bidrog til nøjagtighedstesten på. Interessen var overraskende stor, og deltagernes seriøsitet i observationerne var forbilledlig.

2. Opsamling af observationer

Der var på forhånd udpeget to observationssteder i Frederiksberg Have, hvis koordinater skulle forsøges bestemt ved observationerne. Observationsstederne var markeret med stole, og deltagerne fik opgivet et waypoint til hver position, som var bestemt ved hjælp af Google Earth sammen med pejlinger og målinger i terrænet. Som en sidegevinst virker observationerne også som en test af hvor god overensstemmelse der er mellem positioner bestemt ud fra Google Earth og positioner bestemt med GPS-udstyr.

• Åben himmel. På positionen N 55° 40.477 - E 012° 31.573 er der godt udsyn til åben himmel, herunder udsyn til geostationære satellitter og dermed mulighed for brug af EGNOS.
• Under træer: På positionen N 55° 40.487 - E 012° 31.491 er udsynet begrænset af høje bøgetræer. Den 14. april 2012 var de dog ikke sprunget ud.

Observationerne blev indrapporteret enten i eventets fysiske logbog eller i logninger på cachebeskrivelsen. Ud over de observerede koordinater, blev det også indrapporteret hvilken type apparat der var brugt, og om EGNOS eller en gennemsnitsfunktion var i brug.

3. Resume af resultater

3.1 Det store gennemsnit

Gennemsnittet af samtlige observationer ved hver position bruges her som referenceposition - dvs. som bedste gæt på den sande position. Med en decimal mere end positioner sædvanligvis opgives med til brug for geocaching, blev positionerne:

• Åben himmel: N 55° 40.4772 - E 012° 31.5718
• Under træer: N 55° 40.4869 - E 012° 31.4909

Man kan umiddelbart se af gennemsnittene at de stemmer ret godt overens med de positioner der er bestemt ved hjælp af Google Earth. Det betyder at påstandene om at man kan opnå ganske nøjagtige positionsbestemmelser både ved at bruge Google Earth og ved at bruge gennemsnittet af mange observationer, støtter hinanden.

3.2 Afvigelse fra referencepositionen

For hver observation udregnes afvigelsen fra referencepositionen, målt i meter. Med tre decimalers på minutterne, som man bruger i geocaching, vil en minimal ændring i breddegraden (N-koordinaten) betyde et spring på 1,85 m, og en minimal ændring i længdegraden (E-koordinaten) vil betyde et spring på 1,05 m. For de observationer der kun afviger  få meter fra referencepositionen, vil springene i de målte afvigelser derfor have anselig indflydelse.

3.3 Middelafvigelser pr. familie og observationssted

Ud fra tabellen ser man umiddelbart at de håndholdte gps'er alt i alt har mindre afvigelser end smartphones, og også at afvigelsen alt i alt er mindre under åben himmel end under træer.

3.4 Effekten af EGNOS og indbyggede gennemsnitsfuktioner

De observationer der er indrapporteret med EGNOS aktiv, har ikke givet resultater er underbygger en konklusion om at man får mindre afvigelser fra referencepositionen end dem der ikke har EGNOS indrapporteret.

Både i en håndholdt gps og i en smartphone kan der være indbygget en funktion der automatisk tager gennemsnittet af en serie observationer og rapporterer gennemsnittet som den endelige observation. Der er ikke noget i resultaterne fra observationerne der tyder på at en sådan indbygget gennemsnitsoperation har nogen særlig betydning for observationens nøjagtighed.

Man skal her være opmærksom på at det for de håndholdte gps'er i høj grad er muligt at EGNOS eller en gennemsnitsfunktion har været slået til uden at deltagerne har været opmærksomme på det da de rapporterede observationen.

3.6 Variationer inden for typerne

Her vises variationerne mellem de enkelte apparattyper, dels under åben himmel, dels under træer. Datamaterialet er nok for tyndt til at konkludere noget særligt om de enkelte typer, men der er måske nogle brugbare tendenser. Det er i hvert fald interessant - og måske værd at forfølge nærmere - at en Ventus-logger fra Netto har meget lave afvigelser. Ventus-loggeren er her i rapporten behandlet som et apparat der hverken er en håndholdt gps eller en smartphone. Observationerne er taget ved at lade den ligge stille et stykke tid og uddrage gennemsnittet af de positioner der er logget mens den lå stille.

3.6.1 Åben himmel

3.6.2 Under træer

4. De faktiske observationer

Tabellerne nedenfor giver et overblik over det faktiske observationer. Den lyseblå position er den der er tættest på referencepositionen ved åben himmel. Den lysegrønne position er den der er tættest på referencepositionen under træer.

4.1 Åben himmel, alle observationer

4.2 Åben himmel, håndholdte gps'er

4.3 Åben himmel, smartphones

4.4 Under træer, alle observationer

4.5 Under træer, håndholdte gps'er

4.6 Under træer, smartphones

5. Fejlkilder og andre kommentarer

Mange af deltagerne i eventet har påpeget mulige fejlkilder i forbindelse med observationerne og behandlingen af dem. Et fremtidigt event vil kunne tilrettelægges på en sådan måde at nogle af disse ulige fejlkilder kan blive belyst yderligere. Et fremtidigt event vil også kunne tilrettelægges så det nuancerer eller efterviser nogle af de tendenser der er konkluderet i denne rapport. Her er de emner jeg er blevet opmærksom på.

5.1 Sammenligning med en kendt referenceposition

Ved eventet observerede vi koordinater på positioner der ikke var fastlagt på forhånd ved hjælp af en pålidelig, uafhængig målemetode. Ved at tage observationerne på steder hvis koordinater kendes meget nøjagtigt ud fra landmåleroplysninger, kan man få et bedre grundlag til at vurdere konklusionerne om brugbarheden af de overordnede gennemsnit.

5.2 Interferens mellem apparaterne

Mange af observationerne blev foretaget mens 10 eller flere apparater lå ved siden af hinanden. Det er muligt at apparaterne forstyrrer hinandens modtagelse af gps-signalerne. Det kan man belyse ved at foretage med observationer med kun et apparat på observationsstedet ad gangen, idet man sammenligner med observationer med mange apparater ved siden af hinanden. En anden måde at belyse emnet på, kan være at bede deltagerne om at navigere til en position hvor koordinaterne er opgivet på forhånd, hvorefter de sætter en pløk i jorden på det sted hvor deres apparat viser afstand 0.

5.3 Kødranden skygger

Mange af observationerne blev foretaget mens 10 eller flere personer stod rundt om observationsstedet og fulgte med. Et menneske består fortrinsvis af vand, og mennesket skygger derfor for gps-signalerne. Denne effekt kan man belyser ved at foretage mere kontrollerede observationer med og uden kødrand.

5.4 Træerne var ikke sprunget ud

Eventet blev afholdt så tidligt om foråret at træerne ikke var sprunget ud. Man må forvente at når træerne er sprunget ud, så vil vandindholdet i træernes blade have en yderligere skyggende effekt for gps-signalerne. Det kan selvsagt belyses ved at foretage tilsvarende observationer på en passende årstid.

5.5 Vejrets indflydelse

Vejrforholdene var (formentlig) favorable for nøjagtige observationer. Det kunne være interessant at få belyst hvilken indflydelse skyer eller regnvejr ville have på observationerne.

5.6 Indbyggede filtre

Apparaternes navigationssoftware indeholder filtre (som regel Kalman-filtre). Let forenklet kan man sige at apparaterne både detekterer bevægelser direkte og de absolutte positioner. Ved at sammenholde de to slags observationer, kan softwaren udjævne spring i observationerne og i nogen grad tage højde for støj. I langt de fleste situationer er filtervirkningen til gavn for brugen af gps'en. Imidlertid kan fileteret have den virkning at hvis gps'en ligger stille, så vil softwaren være utilbøjelig til at ændre positionen. Den anbefalede observationsmetode ved eventet var at lade gps'en ligge stille på observationsstedet i nogle minutter og tage tre observationer med mindst et minuts mellemrum. Det er højst tænkeligt at filteret kan have den virkning at observationerne vil være noget utilbøjelige til at flytte sig.

Det er derfor nok bedre i stedet at foretage observationerne ved at nærme sig observationsstedet fra en vis afstand før hver observation. I eventet som det var udformet, kunne det ske ved at gå frem og tilbage mellem de to observationssteder mellem hver observation.

En af Crumlins observationer blev foretaget med eget software som aflæste gps-positionen direkte fra apparatets hardware, uden om andet software. Observationerne under træer afveg her 1,9 m, mens dem under åben himmel afveg godt 8 m. Materialet er nok for tyndt til at konkludere noget særligt ud fra.

5.7 Apparattyper i stedet for familier

Variationen mellem forskellige typer håndholdte gps'er og forskellige typer smartphones er belyst med tyndere datamateriale end variationerne mellem familierne som helhed. Det kunne være interessant at følge op på om nyere smartphones er mere nøjagtige end de modeller der er nogle år gamle. Det ville kræve flere observationer med det specifikke formål.