Sportovní hodinky a GPS: jak měří tempo a vzdálenost

Sportovní hodinky neměří uběhnutou vzdálenost přímo. Každou sekundu nebo jednou za několik sekund si uloží polohu vypočtenou z družicových signálů, sousední body spojí úsečkami a jejich délky sečtou. Tempo je pak jen tato vzdálenost vydělená časem. Z toho plyne všechno, co uživatele mate: každá nepřesnost polohy se propíše do kilometrů, a protože okamžité tempo se počítá z několika posledních bodů, skáče tím víc, čím horší je příjem.

GNSS: víc družicových systémů než jen GPS

Slovo GPS se vžilo pro všechno, ale správný souhrnný název je GNSS, globální navigační družicový systém. Americký GPS je jedním z nich, vedle evropského Galilea, ruského GLONASSu a čínského BeiDou. Dnešní hodinky obvykle přijímají několik systémů současně. Přijímač potřebuje signál nejméně ze čtyř družic, aby spočítal polohu a čas, a čím víc jich má na obloze k dispozici, tím lépe si vybere ty s dobrou geometrií.

Polohu přijímač odvozuje z doby, za kterou k němu signál z každé družice doletí. Po zapnutí proto hodinky chvíli hledají. Doporučuji stisknout start až po potvrzení signálu, protože první stovky metrů zaznamenané s nejistou polohou bývají v záznamu nejkřivější.

Co přináší vícepásmový příjem

Starší a levnější přijímače poslouchají každou družici na jedné frekvenci. Vícepásmové, často označované jako dual-band nebo multi-band, přijímají dvě – u GPS pásma L1 a L5, u Galilea E1 a E5a. Druhá frekvence pomáhá přijímači rozlišit přímý signál od odraženého a opravit zpoždění, které signál nabere při průchodu ionosférou. Přínos je nejvíc znát tam, kde se signál odráží, tedy mezi vysokými domy a ve skalnatém terénu.

Proč se tempo ve městě a v lese rozchází se skutečností

Ve městě je hlavním viníkem vícecestné šíření. Signál se odrazí od fasády, dorazí k hodinkám po delší dráze a přijímač z něj spočítá polohu posunutou o několik metrů, někdy na druhou stranu ulice. Záznam pak kličkuje, i když jste běželi rovně, a naměřená vzdálenost vyjde delší.

V lese se děje opak. Listí a větve signál zeslabují, poloha se ukládá s větší nejistotou a k tomu přistupuje geometrie trasy: klikatou pěšinu hodinky zaznamenají jako řadu rovných úseček mezi body, takže zatáčky ořežou. Vzdálenost vyjde kratší a tempo pomalejší, než jaké ve skutečnosti bylo. Dva lidé na stejném okruhu proto běžně naměří odlišná čísla a ani jeden nemá vadný přístroj.

Roli hraje i nastavení záznamu. Ukládání každou sekundu kopíruje trasu věrněji než úsporný režim, který body zapisuje řidčeji, typicky jen při změně směru nebo rychlosti. Zvolil bych sekundový záznam vždy, když na baterii nezáleží, protože ztracenou zatáčku už žádný software dodatečně nedopočítá.

Vyhlazování a okamžité tempo na displeji

Surové body by daly tempo, které se mění s každým krokem. Hodinky je proto filtrují: průměrují několik posledních sekund a odhazují body, které by znamenaly nereálný skok. Výsledkem je klidnější číslo, ale se zpožděním. Když zrychlíte, displej to ukáže až po několika sekundách.

Podle mě je okamžité tempo údaj, kterému se věří víc, než si zaslouží. Užitečnější je průměrné tempo kola, obvykle kilometrového, kde se drobné chyby polohy vzájemně vyruší. Kdo teprve hledá rychlost, kterou vydrží, nepotřebuje číslo vůbec a vystačí si s pravidlem souvislé věty, jak ho popisuje návod k běhu pro začátečníky.

Akcelerometr, kadence a měření bez signálu

V hodinkách je i akcelerometr, snímač zrychlení ve třech osách. Rozpozná rytmický pohyb paže, který odpovídá krokům, a z něj počítá kadenci, tedy počet kroků za minutu. Tenhle údaj na družicích nezávisí.

Akcelerometr zaskakuje také tam, kde signál chybí – v tunelu, v podchodu nebo na běžeckém pásu. Hodinky vynásobí počet kroků odhadnutou délkou kroku, kterou si předtím odvodily z výběhů venku s dobrým příjmem. Na pásu se proto jejich údaj často liší od údaje stroje. Většina modelů proto umožňuje vzdálenost po doběhu ručně opravit, čímž se odhad kalibruje.

Barometrický výškoměr a nastoupané metry

Výška z družic je méně přesná než vodorovná poloha, a tak lépe vybavené hodinky používají barometr. Tlak vzduchu s výškou klesá, u hladiny moře zhruba o jeden hektopascal na každých osm metrů, a snímač tyto změny zachytí citlivě.

Slabinou je počasí. Přechod fronty změní tlak stejně jako výstup na kopec, takže absolutní výška se během dne posouvá a je třeba ji kalibrovat, ručně na známém bodě nebo automaticky podle družic. Hodinky bez barometru dopočítávají převýšení z polohy a mapového modelu terénu, což bývá hrubší.

Optický snímač tepu a výdrž baterie

Zelené diody na spodní straně pouzdra svítí do kůže a fotodioda měří, kolik světla se vrátí. Krev zelené světlo pohlcuje, a protože se objem krve v cévách mění s každým pulzem, mění se v rytmu i odražené světlo. Metoda se jmenuje fotopletysmografie. Vyžaduje, aby hodinky seděly těsně a neposouvaly se; volný řemínek, chlad nebo prudké pohyby zápěstí signál ruší. Hrudní pás snímá elektrický signál a reaguje rychleji.

Výdrž, kterou výrobci uvádějí, se vždy vztahuje ke konkrétnímu režimu. Nejvíc energie bere vícepásmový příjem všech systémů se sekundovým záznamem a trvale rozsvícený displej. Úsporné režimy vydrží násobně déle za cenu hrubší stopy. Při výběru bych se díval na výdrž v režimu, který skutečně použiji, ne na nejvyšší číslo v tabulce parametrů. Při večerních výbězích, o nichž píšu v článku o běhání po práci v zimě, je navíc třeba počítat s tím, že chlad kapacitu akumulátoru dočasně snižuje.

Vyzkoušejte si přesnost na místě se známou délkou. Čtyři kola po vnitřní dráze atletického oválu dávají 1600 metrů; porovnejte je s údajem na displeji a prohlédněte si stopu na mapě. Uvidíte, jak se váš přístroj chová, a podle toho budete číst všechna další čísla.

Zdroje

• European Union Agency for the Space Programme (EUSPA), dokumentace k systému Galileo a GNSS User Technology Report
• GPS.gov, National Coordination Office for Space-Based Positioning, Navigation, and Timing – GPS Accuracy
• Garmin, uživatelská dokumentace k režimům GNSS a vícepásmovému příjmu
• Polar Electro, technické podklady k optickému měření srdečního tepu
• Český úřad zeměměřický a katastrální, informace o globálních navigačních družicových systémech