GPS – Uhren Grenzen der Genauigkeit

Was kann man von ihnen erwarten?
Was kann man von ihnen erwarten?

Die Einen sind begeistert, die Anderen schwer enttäuscht. GPS-Uhren für Outdoor-Sportler sind in. Klar, die gab es früher schon. Garmin war der absolute Vorreiter. Suunto, Polar, Tomson, TomTom und einige weitere Hersteller haben sich an diesen Trend angeschlossen. Die legendäre Forerunner von Garmin war das Maß aller Dinge für den Laufsport. Während Polar sich mit der GPS Technik schwer tat und auf andere Schwerpunkte setzte, überholten Garmin und Suunto, die mit schickeren Designs und Zusatztools ausgestattet wurden, den ehemaligen Marktführer. Klar hat Polar reagiert und ebenfalls auf GPS gesetzt, zu spät, wie ich meine.

Hier möchte ich nicht Qualitätsvergleiche zwischen den einzelnen Modellen und Herstellen untersuchen, sondern eher auf eine Problematik der GPS-Uhren aufmerksam machen. Sie haben viele nützliche Tools, die jedoch sehr den Grenzen der Technik unterworfen sind. Dadurch werden viele Sportler abgeschreckt und teilweise schwer enttäuscht.

Momentanwerte (Echtzeitwerte)
Darunter verstehe ich berechnete Werte (Echtzeitwerte) die Auskunft über den Momentanen Laufparameter wiedergeben. Ein typischer Wert ist die momentane Geschwindigkeit oder die Pace. Was für ein stinknormalen Tacho kein Problem ist, wird bei den GPS-Uhren zum Riesenproblem. Ein mechanischer Tacho tut sich einfach den Mittelwert aus, zB. Radumdrehungen zu ermitteln. Die GPS-Uhr ist auf die Signale des Satelliten angewiesen. Sie braucht mindestens 4 Satelliten um eine 3D Position zu bestimmen (also wo befinde ich mich im Raum). Diese Signale dürfen nicht durch Gebäude, Bäume, Geländeunebenheiten, etc. verdeckt werden. Das ist kaum möglich, daher können Uhren gut 12 Satellitensignale empfangen. Diese Signale werden je nach Einstellung jede Sekunde empfangen. So kann die Uhr die Geschwindigkeit berechnen. Das funktioniert solange die Signale auch ungestört kommen. Fallen diese durch Störungen aus (Wald, Schluchten), muss die Uhr was annehmen.

Aus Sicht der GPS-Uhr
Am Beispiel der Pace möchte ich die Grenzen der Machbarkeit von solchen Tools erläutern. Angenommen ich laufe im Wald mit unterschiedlicher Pace aufgrund des unebenen Geländes. Für die GPS-Uhr ist das ein Horror. Solange sie mich in jeder Sekunde in der Position erfassen kann wo ich mich  befinde, ist alles in Ordnung. Aber wehe sie verliert mich für z.B. 25 Sekunden, weil ich für die Satelliten in der Zeit regelrecht unsichtbar war. Die Uhr hat wirklich Stress! Sie weiß nicht mehr wie sie tun soll, denn sie bekommt für 25 Sekunden keine Information mehr. In der 26 Sekunde weiß sie wieder wo ich bin, nicht aber was ich in der Zwischenzeit gemacht habe. Sie weiss nicht ob ich Höhenmeter absolviert habe, meine Pace konstant gehalten habe, gerade aus oder Kurven gelaufen bin. Diese sogenannte Totzeit ist schwer zu managen. Es gibt einige Möglichkeiten damit umzugehen, wie z.B. durch eingebaute Bewegungssensoren, Barometer (Höhenbestimmung) in der Uhr oder im Brustgurt den Laufweg nachzuvollziehen versuchen. Es sind aufwendige Berechnungen, die Zeit und Rechenleistung kosten. Diese Algorithmen sind alles andere als sicher, da sie auf Annahmen und Erfahrungswerte basieren. Für den Sportler ist es oft nicht nachvollziehbar, warum er in der Aufzeichnung teilweise eine Pace von 3:12 min/km sieht und er auch noch 400m weniger als sein Kollege bei einem 8 km Lauf auf seinem Display stehen hat. Diese enormen Fehlerraten sind im Gelände eher normal. Ich persönlich verzichte auf die Darstellung von Momentanwerten, wie Pace oder Geschwindigkeit, Schrittweite, Anstiegsgeschwindigkeit, etc. während des Laufens im Gelände. In der Auswertung sehe ich die Ausreisser sofort. Diese sog. Artefakte gibt es übrigens auch bei der Pulsmessung. Wenn da steht HF-max = 249, dann weiss ich es war sicher ein Messfehler.

Was kann ich tun?
Wie ich schon sagte, sich nicht während dem Lauf auf Momentanwerte verlassen. Was immer stimmt ist die Zeit. Die Länge der zurückgelegten Strecke ist schon kritisch zu bewerten. Im Gelände wird oft, trotz gutem GPS-Empfang, ein gravierender Fehler begangen. Ich möchte hier ein Beispiel dafür bringen.

Zwei Läufer laufen eine Strecke von 15,3 km  mit insgesamt 873 hm uphill und 357 hm downhill. Beide haben die gleiche GPS Uhr. Einer der Läufer hat eine zurückgelegte Distanz von 15,42 km auf seinem Display stehen. Dr zweite Läufer ist sehr enttäuscht, denn er hat lediglich 14,01 km stehen. Er gibt die Uhr an den Händler zurück. Was ist da passiert? Nun, die Antwort ist sehr einfach. Eine Uhr hat die tatsächliche Entfernung gemessen, weil sie die sogenannte 3D-Messung vorgenommen hat. Diese kann man einstellen, auch die 3D-Geschwindigkeit ist einstellbar. Warum nicht alle Uhren diese Funktionen automatisch vorprogrammiert haben, ist mir ein Rätsel. Das sorgt für viel Verwirrung beim User. Der zweite Läufer hat nämlich nur die Länge der Strecke aus der Vogelperspektive gemessen, die Höhenmeter hat die Uhr einfach verschwiegen. Insgesamt sind durch Auf- und Abstieg 1330m Höhenmeter zusätzlich zurückgelegt worden. Auch diese Berechnung ist eine grobe Näherung. Etwas genauere Werte bekommt man, wenn man nach der Formel :

eine Näherung zur tatsächlichen Strecke
eine Näherung zur tatsächlichen Strecke (s)

Aber Achtung, auch das ist eine Näherung die eher für kontinuierliches steiles Gelände ohne Abstiege passt. Die Uhr macht einen sehr kleinen Fehler, wenn die GPS Zeit auf 1 Sekunde eingestellt ist, denn dabei ist der zurückgelegte Weg (s1) und die Höhe(h) auch gering. So würde ich den Algorithmus programmieren.

 

 

Das ist der häufigste Fehler, der begangen wird. Auf ebener Strecke fällt er kaum auf, im Gelände umso mehr! Die genaue Berechnung der tatsächlich zurückgelegten Strecke im Raum (x,y,z = Breite, Höhe, Tiefe) ist die sogenannte Bogenlänge. Diese Berechnung ist nicht ohne und erfordert recht hohe Mathematikkenntnisse. Es ist schon spannend, denn das, was ein stinknormaler mechanischer Tachometer automatisch richtig machen würde, ist für eine GPS-Uhr eine großer Herausforderung.

Det Weg im Raum (3D) ist nicht so leicht zu bestimmen
Der tatsächlich zurückgelegte Weg (Bogenmaß) im Raum (3D) ist nicht so leicht zu bestimmen, es sei denn, die Uhr berechnet es aus vielen Datenänderungen wie oben beschrieben. Je kürzer die GPS Abfragezeit, desto geringer der Fehler

Fazit
GPS-Uhren sind komplex geworden. Sie erfordern viel Wissen und Erfahrung um sie richtig nutzen zu können. Je nach Bedarf müssen sie durch unterschiedliche Einstellungen angepasst werden. Mit der Ausgabe von Echtzeitwerten ist Vorsicht angesagt. Lieber sich auf die Auswertung am Rechner beschränken. Wenn die Pace um 5 – 20 Sekunden während dem Lauf schwankt, dann kann das jeden Läufer killen. Daher sich lieber auf die eigene Wahrnehmung verlassen oder an bekannten Strecken orientieren. Mein Lieblingsspruch von einem Prof. während des Studiums: „wer viel misst, misst Mist“

Nur so nebenbei, wäre Herr Einstein nicht gewesen, würde sie so richtig daneben liegen. Die Uhren müssen nämlich eine Korrektur wegen der Gravitationskraft der Erde und der Geschwindigkeit der Satelliten machen. Wenigstens das hat man gut im Griff. Es ist eben doch alles sehr „relativ“. 😉

Viel Spaß mit GPS

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