Vì sao đồng hồ GPS biết “nói dối”

Bài viết thảo luận về mức độ chính xác từ tín hiệu GPS và cách khắc phục khi cần phải xác định chính xác tốc độ và quãng đường chạy.

Vài tháng trước, một nhóm 5 chân chạy ở Mỹ tham gia chạy ảo cự ly 10K. Cả nhóm xuất phát cùng một vị trí với hy vọng đồng hồ sẽ cho kết quả giống nhau khi kết thúc cự ly. Nhưng dù chạy cùng nhau trên cùng tuyến đường, kết quả của họ cũng không giống nhau.

Khác biệt là điều khó tránh khỏi vì tuyến đường có một số khúc cong và dù cả nhóm chạy cùng bên ngược chiều xe nhưng khó có thể mặc định khoảng cách chạy qua các đoạn đường cong là như nhau nếu tính từ vai của từng người và do đó sự khác biệt vài mét là khó tránh hỏi.

Nhưng kết quả của 5 người lại có sự khác biệt. 2 vận động viên trong nhóm này đang đặt mục tiêu lập thành tích cá nhân mới nhưng lại không biết thực sự mình đã lập thành tích chạy mới hay chưa.

Người chạy nhanh nhất dừng lại khi đồng hồ GPS chỉ 10km và đứng lại làm mốc cho những chân chạy sau đó. Nhưng khi những người còn lại tới “đích”, đồng hồ của những người này cho kết quả dao động từ 10,05 đến 10,09 km.

Việc chênh lệch vài mét mỗi km không phải là quá nhiều nhưng khi thời gian này cộng lại, ảnh hưởng đối với thứ hạng của người chạy hoặc thành tích thời gian chạy tốt nhất (PR) sẽ là rất lớn. Đó là chưa kể tất cả các thiết bị đều cho kết quả không chính xác.

Sai hệ thống

Sự so sánh về quãng đường chạy giữa các vận động viên không phải là hiện tượng gì mới. Cứ sau mỗi giải đấu, các chân chạy lại quy tụ lại, so sánh cự ly trên đồng hồ mình rồi lẩm bẩm tại sao mình lại phải chạy nhiều hơn người khác hay nhiều hơn so với quãng đường mà ban tổ chức công bố? Tại sao các cung đường bán marathon dù đã được chứng nhận về cự ly lại thường có độ dài là 21,3 km chứ không phải 21,1km?

Thông thường sai số sẽ là 1%, đồng nghĩa với việc đồng hồ cho chúng ta kết quả chạy nhanh hơn thực tế 1%. Theo kinh nghiệm của chân chạy Lindsey Scherf có thành tích marathon 2:32, nếu đồng hồ GPS hiển thị cô đang chạy tốc độ 5:20 phút/dặm (tương đương với 3:18 phút/km), thực tế cô đang chỉ chạy ở tốc độ 5:23 phút/dặm (hay 3:20 phút/km), tức tương đương với chính xác 1% nhanh hơn. Cô cho biết “tôi từng sử dụng đồng hồ của các hãng Polar, Garmin, và TomTom và tất cả hình như đều cho kết quả chênh lệch 3 giây mỗi dặm (2 giây mỗi km).”

Nhiều người cho rằng sự chênh lệch xuất phát từ việc thiết bị GPS mất dấu điểm fix do có quá nhiều nhà cao tầng và cây cao và làm nhiễu hoặc chặn tín hiệu. Tuy nhiên, đây không phải là lý do chính dẫn đến sự sai khác này. Thực tế chính thiết bị GPS đã “lừa” tất cả chúng ta.

Trong một nghiên cứu trên Tạp chí Khoa học Thông tin Địa lý Quốc tế năm 2016, một nhóm nghiên cứu do giáo sư Peter Ranacher thuộc Đại học Salzburg, Áo đứng đầu đã nghiên cứu tác động mà họ gọi là “sai số khoảng cách theo hệ thống.”

Đồng hồ cũng biết “nói dối”

Kích thước và trọng lượng

 Lỗi không nằm ở bản thân hệ thống GPS. Trong khoa học địa chấn, các chuyên gia sử dụng công nghệ GPS để theo dõi sự dịch chuyển của các mảng kiến tạo với tốc độ vài cm mỗi năm. Các chuyên gia núi lửa sử dụng GPS để theo dõi với độ chính xác vô cùng cao các chuyển động của mặt đất giúp báo hiệu các vụ phun trào núi lửa. Tuy nhiên, đây đều là những cảm biết vô cùng nhạy được gắn vào các vật thể cố định.

Việc xác định được vị trí điểm fix chính xác theo phương pháp này đòi hỏi thời gian và khả năng tính toán của thiết bị cao hơn rất nhiều so với khả năng của các thiết bị đeo tay hiện nay. Đó là chưa kể đây là những thiết bị thu tín hiệu rất đắt đỏ với giá dao động từ 5.000 USD tới 8.000 USD. Ngoài ra, chúng ta nếu có khả năng mua cũng sẽ không chắc có khả năng mang theo để chạy vì kích thước của các thiết bị này tương đương với một cuốn sách bình thường và có trọng lượng vài kg.

Khi sản xuất đồng hồ GPS, nhà sản xuất phải đánh đổi và điều chỉnh giữa kích thước và trọng lượng để đảm bảo thời lượng của pin.

Một mặt, đồng hồ xác định quỹ đạo đường chạy bằng cách xác định một chuỗi liên tục các điểm định vị (điểm fix) ở thời điểm tức thời nhưng những điểm này lại không có độ chính xác như những điểm fix được các chuyên gia địa vật lý sử dụng. Có điểm fix sẽ rơi phía sau chúng ta, có điểm bên phải, có điểm bên trái, có điểm phía trước…dẫn đến đồng hồ nhận thấy quãng đường chúng ta đánh võng giống như một người say rượu.

Để khắc phục hiện tượng này, người ta đưa các thuật toán làm “mịn” quỹ đạo di chuyển bằng cách sử dụng một chuỗi các điểm fix để dự đoán quỹ đạo thực tế của người sử dụng. Nhưng khi chuyển đổi từ dữ liệu tức thời sang dữ liệu bình quân, chúng ta lại gặp một vấn đề khác mà theo chuyên gia Ranacher gọi là “sai số nội suy.”

Các thiết bị GPS thực hiện thao tác này như thế nào cho tới nay vẫn là một bí mật công nghệ. Nhưng về cơ bản nếu thấy một chuỗi các điểm fix cho thấy thực tế người chạy đang chạy theo đường thẳng, thuật toán sẽ can thiệp để làm phẳng các điểm “đánh võng” bằng cách lấy trung bình các điểm fix. Tuy nhiên, nếu thuật toán can thiệp quá sâu, thiết bị sẽ chậm phát hiện khi chúng ta chạy vòng qua một góc cua và điều này giải thích vì sao các thiết bị GPS thường không chính xác trên sân tập.

Tất cả các yếu tố này sẽ góp phần biến cuộc đua ảo của chúng ta thành thảm họa hoặc khó có thể chấp nhận đối với những chân chạy quan tâm tới sự khác biệt giữa chạy 10K trong 37:59 phút và 38:21 phút (chậm hơn 1%).

Con quay hồi chuyển, thước lăn và bản đồ số

 Theo chuyên gia Hudnut, một giải pháp là chúng ta nên trang bị đồng hồ có con quay hồi chuyển giúp theo dõi thay đổi chuyển động dù có hay không tín hiệu GPS. Ông cho biết con quay hồi chuyển thường được sử dụng để hỗ trợ GPS. Khi con quay hồi chuyển hoạt động mạnh nhất là khi GPS hoạt động yếu nhất và ngược lại. Đây là những công nghệ bổ trợ cho nhau. Vậy nên theo ông, khi thiết kế đồng hồ chạy bộ, khía cạnh các nhà sản xuất cần cải thiện chính là con quay hồi chuyển.

Trong quá khứ, đây là loại thiết bị rất tốn kém và chủ yếu được trang bị cho các vận động viên ba môn phối hợp và chạy địa hình nhưng sắp tới sẽ có rất nhiều thế hệ đồng hồ chạy bộ được trang bị thiết bị này.

Tuy nhiên, đây không phải là cách duy nhất để cải thiện độ chính xác của các thông số GPS trên đồng hồ. Để xác định quãng đường và tốc độ chạy của nhóm vận động viên trên, tác giả bài viết cùng nhóm bạn đã đo lại tuyến đường chạy bằng ba công nghệ khác nhau. Một người sử dụng thước lăn đường, một người sử dụng Stryd (xác định quãng đường theo chuyển động của bàn chân) và một người sử dụng trang web lập bản đồ của Google theo tín hiệu vệ tinh gmap-pedometer.com để đo quãng đường từ không gian.

Đối với công nghệ đo quãng đường chạy, tiêu chuẩn vàng hiện nay là áp dụng bộ đo Jones được lắp trên xe đạp và khi được tinh chỉnh đầy đủ sẽ có mức độ chính xác cao và thường được sử dụng để chứng nhận đường chạy của các giải đấu. Hầu hết mọi người khó tiếp cận thiết bị này và thiết bị đòi hỏi phải được tinh chỉnh sau mỗi lần sử dụng để điều chỉnh theo những thay đổi về áp suất không khí trong lốp xe.

Trang gmap-pedometer.com có độ chính xác khá cao nếu chúng ta có thể xác định được các mốc quan trọng (như điểm xuất phát, đích…) từ hình ảnh vệ tinh và không bị mất dấu đường do cây che khuất. Ở những lần thử nghiệm với những quãng đường đã biết trước khoảng cách (như sân bóng), mức độ chính xác trong khoảng 0,1% và có thể cao hơn và hạn chế chủ yếu là mức độ chi tiết của hinhfa nhr vệ tinh của tuyến đường cần đo. Phương án này phát huy tác dụng cao nhất đối với các tuyến đường thẳng.

Kết quả đo của thước lăn và trang web trên gần như giống nhau hoàn toàn, sự khác biệt có lẽ do cách người điều khiển lăn bánh xe khi qua các khúc cua. Stryd cũng cho kết quả khá sát, trong vòng vài mét giữa kết quả vệ tinh và thước lăn.

Các kết quả này cho thấy sự sai lệch của các thiết bị GPS nằm trong khoảng 1%-0,65% và phù hợp với nhận định của Scherf.

Giải pháp

Câu hỏi đặt ra là người dùng phải làm gì để đảm bảo thu được kết quả chính xác cao?

Một trong những câu trả lời là kiểm tra đồng hồ theo những tuyến đường đã xác định được khoảng cách. Nên kiểm tra cả trên đường thẳng và đường nhiều khúc cua. Một cách khác là đo đoạn đường bằng trang web gmap-pedometer.com hoặc thước lăn và kiểm tra đồng hồ theo tuyến đường đo. Chúng ta nên kiểm tra nhiều lần, vào các ngày khác nhau để đảm bảo kết quả giữa các lần đo giống nhau.

Sau khi đã xác định được mức độ lệch trên mỗi km, chúng ta có thể sử dụng đồng hồ vào mục đích lập thành tích cá nhân mới hoặc tham gia chạy ảo sau khi đã có thể điều chỉnh quãng đường chạy cho phù hợp. Những cũng cần lưu ý, không tuyến đường nào có độ chính xác cao hơn đường đua trong sân tập và các tuyến đường đã được chứng nhận cho các giải đấu (có ngăn đường để vận động viên có thể chạy theo đường tiếp tuyến ngắn nhất ở các khúc cua) là chính xác hoàn toàn.

Cuối cùng, hãy chạy và thư giãn và cảm thấy may mắn vì đồng hồ GPS hiện nay chính xác hơn rất nhiều so với các phương pháp thô sơ hơn như đo đường bằng xe máy hay xe đạp. Đừng nên quá căng thẳng và khắt khe chỉ vì vài phần trăm sai lệch.

Theo Podium Runner