GPS Kaydım ile Uygulamaların Verdiği Mesafe Neden Tutmuyor

Aynı rotayı birkaç kez yürüyüp kayıtları üst üste koyduğumda mesafe hiç aynı çıkmıyor. Bir seferinde birkaç on metre fazla, bir seferinde eksik. Rota aynı, güzergah aynı, fark cihazda oluşuyor.

GPS mesafesi tutmuyor çünkü dört ayrı hata kaynağı aynı anda çalışıyor: uydu sinyalinin bina yüzeylerinden yansıması, uydu geometrisinin zayıflaması, kayıt sıklığının rastgele hatayı biriktirmesi ya da virajları kesmesi, ve yükseklik sensörünün konum sensöründen çok daha kaba ölçmesi. Bunlar birbirinden bağımsız, her yürüyüşte farklı oranda karışıyorlar.

Harita mühendisiyim, bu sapma benim için soyut değil. Sırayla, dört kaynağı tek tek açayım.

Yatay doğruluk zaten mükemmel değil

ABD hükümetinin GPS'i işlettiği gps.gov'un doğruluk sayfasına göre, hükümetin taahhüdü uydu sinyalinde günlük ortalama "kullanıcı menzil hatasını" yüzde 95 olasılıkla 2 metrenin altında tutmak. Gerçek performans genelde bunun çok altında kalıyor, sayfada verilen bir örnekte 2021 Nisan'ında bu hata yüzde 95 olasılıkla 0,64 metreye kadar inmiş. Ama bu rakam uydudan yayılan sinyalin kendi hatası, telefonun ölçtüğü değil. Aynı sayfa, açık gökyüzü altında akıllı telefonların tipik olarak 4,9 metre yarıçaplı bir alanda doğru konum verdiğini, bina, köprü ve ağaç yakınında bu doğruluğun düştüğünü yazıyor. Yani rotanın başında, başka hiçbir sorun olmadan bile, telefon sizi birkaç metre yanlış yerde gösterebiliyor. Sayfa, kullanıcı doğruluğunun uydu geometrisi, sinyal hatası ve yerel engellerin bir bileşimi olduğunu da ekliyor.

Çok yollu yayılım: sinyal binadan sekip geliyor

Şehir içinde bu rakam daha da bozuluyor, çünkü uydu sinyali her zaman doğrudan alıcıya ulaşmıyor. Yüksek bina cepheleri arasında sinyal yüzeyden yansıyıp alıcıya gecikmeli geliyor, buna çok yollu yayılım deniyor. Sekiz spor saatini şehir, orman ve atletizm pisti olmak üzere üç ayrı zeminde test eden 2020 tarihli bir çalışma, şehir içinde ölçülen mesafelerde ortalama mutlak hatanın yüzde 3,9 ile 8,9 arasında, ormanda yüzde 3,5 ile 8,5 arasında kaldığını, iki alanda da hatanın çoğunlukla mesafeyi kısalttığını gösteriyor. Yazarlar bunu sinyalin bina ya da yoğun bitki örtüsüne çarpıp sekerek gelmesine bağlıyor. Aynı çalışmada açık atletizm pistinde ise tam tersi oluyor, saatlerin altısı mesafeyi olduğundan fazla veriyor.

Uydu geometrisi: HDOP dediğimiz şey

Bir de gökyüzündeki uyduların birbirine göre nerede durduğu var. Uydular gökyüzüne yayılmışsa konum hesabı sağlam çıkıyor, hepsi aynı köşede toplanmışsa hesap zayıflıyor. Buna yatay konum seyrelmesi, kısaca HDOP deniyor, düşük değer iyi, yüksek değer kötü. Yüksek binalar arasında yürürken gökyüzünün sadece dar bir şeridi görünüyor, alıcı da o şeritteki birkaç uyduyla idare etmek zorunda kalıyor. Sahilde ya da geniş bir meydanda aynı telefon çok daha rahat çalışıyor, çünkü gökyüzünün tamamı açık.

Kayıt sıklığı: iki yöne birden çalışan hata

Bence en çok kafa karıştıran kısım burası, çünkü tek yönde değil, iki zıt yönde işliyor. GPS, art arda kaydettiği noktalar arasında düz çizgi çekerek mesafe topluyor. Kayıt çok sıksa, her noktadaki küçük rastgele hata da toplama giriyor, düz bir yolda bile ufak zikzaklar oluşuyor ve bu zikzaklar gerçek yoldan uzun çıkıyor. Salzburg Üniversitesi'nden bir ekibin yayınladığı çalışma, iki GPS noktası arasındaki ölçülen mesafenin ortalamada gerçek mesafeden büyük çıktığını, sebebinin ardışık noktalardaki ölçüm hatasının birbirini yeterince götürmemesi olduğunu gösteriyor. Yazarlar bu şişmenin yalnızca sık örneklemede belirgin olduğunu, seyrek örneklemede ise ölçümün noktalar arasını düz çizgiyle geçen interpolasyon hatasına daha bağımlı hale geldiğini de ekliyor.

İnterpolasyon hatası dediğimiz şey, aslında viraj kesme. Kayıt seyreksa cihaz virajın köşesini değil, iki uzak noktayı birleştiren düz çizgiyi kaydediyor, mesafe de kısalıyor. Bunun spor bilimindeki karşılığını, saniyede bir ile saniyede beş kayıt alan cihazları dönüşü sık parkurlarda karşılaştıran bir çalışma ölçmüş: saniyede beş kayıt alan cihazlarda bile dönüşü sık parkurlarda tekrar tekrar ölçümün yüzde 8,6 ile 9,7 arasında oynadığını, örnekleme sıklığı arttıkça bu oynamanın azaldığını bulmuşlar. Yani aynı rotayı iki farklı uygulamada farklı mesafede görmenizin bir sebebi tam olarak bu, hangi uygulamanın saniyede kaç nokta kaydettiği ve o veriyi nasıl yumuşattığı markadan markaya değişiyor.

Yükselti en güvenilmez sayı

Toplam tırmanış rakamına hiç güvenmiyorum, teknik bir sebebi var. GPS'in yükseklik ölçümü, yatay konum ölçümünden yapısal olarak daha kaba. Çoğu spor saati bu yüzden barometrik basınç sensörüne geçiyor, havadaki basınç değişimini yükseklik farkına çeviriyor. Strava'nın kendi yardım sayfasında yazdığına göre, barometrik verisi olan cihazlarda bir tırmanışın sayılması için yükselmenin en az 2 metre sürmesi gerekiyor, barometrik verisi olmayan cihazlarda bu eşik 10 metreye çıkıyor. Yani "toplam tırmanış" dediğimiz sayı ham veri değil, bir eşik filtresinden geçmiş veri. Eşik değiştikçe sayı da değişiyor, aynı rotanın iki cihazda apayrı tırmanış vermesinin çoğu zaman sebebi bu.

Çok bantlı alıcılar neyi düzeltiyor

Son yıllarda telefonlar sadece GPS'e değil, Rus GLONASS'ına, Avrupa'nın Galileo'suna ve Çin'in BeiDou'suna da bakıyor, aynı anda daha çok uyduya erişince geometri güçleniyor. Avrupa Birliği Uzay Programı Ajansı'nın (EUSPA) yayınına göre, L5/E5a bandını da okuyan çift bantlı telefonlar şehir içinde çok yollu yayılıma karşı daha dayanıklı, çünkü bu bandın sinyal şekli, binadan yansıyan gecikmeli sinyali gerçek sinyalden ayırt etmeyi kolaylaştırıyor. Ajans, 2020 başında piyasada 10 üreticiden 41 çift bantlı telefon modeli olduğunu yazmıştı, bugün bu sayı çok daha yüksek olmalı, ama güncel bir rakam bulamadım.

Aynı koşuyu telefon ve saat neden farklı ölçüyor

2016'da bir maratonda yapılan saha çalışması bunu doğrudan ölçmüş. Araştırmacılar, yarı maraton mesafesinde uygulamalı telefonların ortalama mutlak hatasının 0,35 kilometre (yüzde 1,7), GPS spor saatlerinin ise 0,12 kilometre (yüzde 0,6) olduğunu bulmuş, aradaki fark istatistiksel olarak anlamlı çıkmış. Telefon ile saat arasındaki bu fark, anten kalitesi, kayıt sıklığı ve arka planda çalışan yumuşatma algoritmasının ikisinde farklı olmasından geliyor.

Bir uygulamanın "daha doğru" olduğunu iddia edenlere de temkinli yaklaşırım. Hangi anten, hangi kayıt sıklığı, hangi yumuşatma algoritması kullandığını çoğu uygulama açıklamıyor. Elimde olan tek şey, aynı rotayı defalarca kaydedip sapmanın hangi aralıkta kaldığını görmek, mesafeyi tek bir rakam değil bir aralık olarak okumak.

Sık sorulanlar

Hangi uygulama daha doğru mesafe veriyor? Tek bir cevap yok, çünkü fark markanın antenine, kayıt sıklığına ve yumuşatma algoritmasına bağlı. Yukarıdaki saha çalışması genel eğilimin GPS spor saatleri lehine olduğunu gösteriyor, ama bu her modelde aynı çıkmayabilir.

GPS saatim mi telefonum mu daha güvenilir? Saha verisine göre saatler genelde daha az sapıyor, ama fark kilometrede birkaç yüz metreyi geçmiyor. Şehir içi kısa rotalarda bu fark daha da küçülüyor.

Mesafe her seferinde neden birkaç metre değişiyor? Uydu geometrisi her ölçümde biraz farklı, sinyal o an hangi binadan yansıdı bilinmiyor. Aynı rotayı aynı gün bile iki kez yürüseniz mesafe birebir çıkmaz.

Toplam tırmanış rakamına güvenmeli miyim? Tek başına hayır. Eşik filtresi değiştikçe rakam da değişiyor. Yükselti profiline, yani rotanın nerede yükselip nerede düştüğüne bakmak daha güvenilir.

Doğru ölçüm için ne yapabilirim? Kaydı açık alanda başlatmak, mümkünse çift bantlı bir cihaz kullanmak ve tek ölçüme değil birkaç kaydın ortalamasına bakmak. Kesin bir sayı arıyorsanız zaten GPS'in işi bu değil.