En bref : qu'est-ce qu'un GPS double-fréquence et quel est son intérêt ?
Le principe du GPS (Global Positioning System) repose sur la triangulation. Le récepteur GPS capte le signal de plusieurs satellites, détermine la distance qui l'en sépare et en déduit, à partir de la position des satellites, la position GPS du lieu de réception.
Pour améliorer la fiabilité des mesures, les satellites émettent leur signaux sur plusieurs bandes de fréquence. Cette redondance d'information permet de corriger les diverses erreurs liées à l'environnement (météo, nuages, impacts de l'ionosphère, etc.).
Jusqu'à récemment, les GPS grand public, utilisés par exemple dans les Smartphones, les montres cardio-GPS ou encore les GPS de randonnée, utilisaient des puces GPS simple-fréquence ou mono-fréquence, c'est-à-dire capables de recevoir et décoder un seul signal par satellite. Ils offrent une précision de +/- 5m quand les conditions de réception sont idéales.
Grâce à l'introduction progressive depuis 2017 d'une seconde bande de fréquence ouverte au grand public, les fabricants proposent aujourd'hui des GPS double-fréquence ou multibande. Ils offrent une meilleure fiabilité grâce à une correction d'erreur beaucoup plus efficace, en particulier les erreurs dues aux réflexions du signal satellite (immeuble, arbre, montagne, mer, etc.). Voir l'illustration plus loin dans notre article.
Xiaomi est le premier à avoir introduit la technologie sur un Smartphone en 2017. Garmin le propose depuis 2020 sur ses antennes GPS de bateau de plaisance avec une précision annoncée de 1 mètre. En 2021, Coros est le premier à proposer un GPS bi-bande sur une montre cardio. On le trouve sur la COROS VERTIX2, une montre cardio-GPS haut de gamme pour l'outdoor. En 2022, le GPS double fréquence se développe sur de nombreuses autres montres sportives chez Garmin, Coros et Polar. Consultez notre comparatif de meilleures montre cardio-GPS actuelles.
Vous souhaitez en savoir plus ? Lisez l'article qui suit.
Qu'est-ce que le GPS ?
Le GPS (Global Positioning System en anglais), ou Système de positionnement par satellite, est un outil permettant de déterminer, grâce aux satellites, les coordonnées GPS d'un lieu. Le géo positionnement par satellite est né d'un projet de recherche militaire lancé à la fin des années 1960 à la demande du président américain Richard Nixon. Le premier satellite est mis en orbite en 1978. Le GPS devient opérationnel en 1995 après le déploiement des 24 satellites que constitue le réseau. Destiné à l'origine à une utilisation militaire, il est ouvert à des fins civils dès son année de lancement mais avec une précision bridée à 100 mètres jusqu'à l'an 2000.
Le GPS s'est démocratisé dès le milieu des années 2000. Il est présent dans nos GPS de voiture et nos Smartphones. Dans le domaine sportif, il équipe les montres cardio-GPS, les GPS de randonnée ou encore les compteurs-GPS de vélo. Il offre une précision qui ne cesse de s'améliorer : +/- 5 m pour les GPS grand public (de l'ordre du mètre pour le système européen Galileo) quand les conditions de réception sont idéales.
Aujourd'hui, 6 systèmes satellitaires ou GNSS (Global Navigation Satellite System ou Géolocalisation et Navigation par un Système de Satellites) coexistent :
- GPS (GNSS américain)
- GLONASS (GNSS russe)
- Galileo (GNSS européen)
- Compass ou Beidu (GNSS chinois)
- QZSS (GNSS japonais)
- IRNSS ou NavIC (GNSS indien)
Comment fonctionne un GPS ?
Le calcul de la position GPS s'effectue par triangulation. Il faut 4 satellites pour déterminer les coordonnées d'un point (intersection de 4 sphères) : 3 satellites pour déterminer le point dans un espace plan et un quatrième pour déterminer l'altitude. En calculant la distance séparant le récepteur des 4 satellites et en connaissant la position des satellites, on peut en déduire la position du récepteur. En pratique, chaque satellite émet un signal véhiculant sa position et l'heure précise d'émission du signal (h1). Le récepteur GPS reçoit le signal, vérifie l'heure d'arrivée (h2) et en déduit la distance le séparant du satellite par la formule "Vitesse de la lumière = Distance / (h2 – h1)".
Le quatrième satellite est également nécessaire pour la synchronisation du temps. Le calcul de la distance au satellite requiert en effet une horloge très précise. Une erreur de seulement un millionième de seconde (1 microseconde) entraîne un écart de 300 m sur l'évaluation de la position ! (300.000.000 m/s x 1/1.000.000). Pour obtenir une telle précision, les satellites embarquent une horloge atomique et toutes les horloges sont synchronisées pour afficher la même heure. L'horloge du récepteur, qui sert à mesurer le temps parcouru par le signal, ne peut évidemment pas offrir une telle précision. Il faut donc la corriger. La correction s'effectue en recoupant les données de temps transmises par les 4 satellites.
Qu'est-ce qu'un GPS double-fréquence ?
Mais voilà, ces calculs sont entachés d'erreurs pour plusieurs raisons : imprécision des horloges atomiques (les satellites récents embarquent des horloges plus précises), déviation du signal satellite par les couches atmosphériques, modification de la transmission du signal par la pression et la température, réflexion du signal par l'environnement (nuages, bâtiments, arbres, rochers), etc. Il en résulte une accumulation d'erreurs faussant la position calculée. Ainsi, pour un parcours effectué plusieurs fois en boucle, le même GPS n'affichera pas nécessairement la même trace ! Pire, si les satellites utilisés sont dans un cône de faible ouverture angulaire, l'imprécision sera encore accrue.
Les GPS dits simple-fréquence sont capables de corriger un certain nombre d'erreurs grâce à la redondance des signaux reçus. Le signal satellitaire est en effet émis dans toutes les directions. Du fait des réflexions liées à l'environnement, le récepteur GPS va donc recevoir plusieurs fois le même signal et il pourra ainsi affiner la précision des calculs.
Pour améliorer encore plus la fiabilité des mesures, les satellites émettent leur signaux sur plusieurs bandes de fréquence. En multipliant l'information, le récepteur peut davantage corriger les erreurs et ainsi offrir une plus grande fiabilité de la position. Les différentes fréquences offrent par ailleurs plus de chances au signal de pénétrer dans les environnements délicats. On atteint ainsi une précision de l'ordre du centimètre dans les applications militaires et certaines applications industrielles (agriculture, aviation, voitures sans conducteur). Dans certaines applications spécifiques, on peut même atteindre une précision de l'ordre de quelques millimètres !
Les GPS conçus pour le grand public sont des GPS simple-fréquence. Ils fonctionnent sur une bande de fréquence d'environ 1,6 GHz. C'est la bande L1 pour le GPS ou encore le QZSS, la bande E1 pour le système Galileo, B1 pour le Beidu, G1 pour le Glonass. Mais depuis 2017, les systèmes GPS, QZSS et Galileo ont progressivement introduit une seconde bande à usage civil sur les nouveaux satellites : bande L5 pour le GPS et le QZSS et E5a pour Galileo. Sa fréquence d'émission est un peu plus basse (environ 1,2 GHz). Les GPS double-fréquence (ou bi-bande) sont capables de recevoir les 2 signaux et ainsi corriger les erreurs, notamment celles liées aux réflexion des signaux sur les bâtiments, les rochers, les arbres.
La photo ci-dessous illustre le principe. Chaque satellite émet simultanément 2 signaux, l'un sur la bande classique L1 ou E1 (celle utilisée par tous les GPS civils simple-fréquence), l'autre sur la nouvelle bande L5 ou E5a. Dans l'illustration, l'un des 2 signaux émis est réfléchi par une surface (arbre ou montagne) au lieu d'arriver directement au récepteur GPS de l'utilisateur. Son trajet est donc plus long, ce qui fausse le calcul de la position, le GPS ne pouvant pas deviner que le signal est réfléchi. Grâce aux 2 signaux reçus, le GPS obtient 2 positions différentes qui vont lui permettre de mieux estimer la position réelle recherchée. Le même principe peut être appliqué avec un GPS simple-fréquence (le signal étant émis dans toutes les directions, le récepteur GPS reçoit autant les signaux réfléchis que les signaux directs) mais la correction d'erreur est moins efficace.
La technologie double-fréquence utilisée sur les GPS grand public permet d'atteindre une précision de 3 mètres au lieu de 5 mètres. Garmin annonce même 1 mètre pour ses antennes GPS double-fréquence !
Quel avantage à utiliser un GPS double-fréquence sur une montre, un compteur vélo ou un GPS de randonnée ?
Le GPS double-fréquence présente plusieurs avantages :
- Il offre une précision accrue, en particulier dans les environnements délicats (forêt, montagne, ville)
- Il détecte et élimine plus facilement les signaux réfléchis qu'un GPS simple-fréquence
- Il offre une meilleure correction des erreurs liées aux impacts de l'atmosphère (ionosphère, etc.)
Mais est-ce bien utile sur une montre cardio ou un GPS de randonnée quand on sait que les GPS simple-fréquence actuels offrent déjà une excellente précision ? Même si la trace enregistrée n'est pas toujours parfaitement alignée au parcours (on peut voir des écarts de plusieurs mètres selon l'endroit), on obtient globalement un tracé exploitable du parcours et une distance et une vitesse moyenne à peu près correctes. Alors pourquoi chercher mieux ?
Le GPS double-fréquence fait la différence dans les environnements délicats (canyons, forêt, ville, montagne)
Le GPS bi-bande offre une plus grande fiabilité dans les environnements délicats. On peut en effet observer de grosses erreurs de positionnement du fait de la réflexion du signal sur les arbres, les rochers ou encore les bâtiments. Vous avez peut-être déjà pu observer une trace chaotique dans vos sorties sportives en ville ou encore en montagne, lors de sorties d'escalade, de canyoning ou en forêt. Ceci peut être dû à des pertes du signal mais parfois, c'est simplement lié aux réflexions du signal sur une paroi, un arbre, un immeuble. Le GPS double-fréquence permet de limiter ces effets et peut faire une grande différence dans ce type d'environnement.
Il facilite le suivi d'itinéraire
Sur les appareils offrant le suivi d'itinéraire, il est important que le géo-positionnement soit précis, sans quoi il sera difficile de suivre l'itinéraire programmé, en particulier sur les randonnées menées hors des sentiers battus. On pourra facilement tourner trop tôt ou trop tard, rater une bifurcation, etc.
C'est particulièrement important pour les appareils n'offrant pas de guidage virage après virage (Turn by Turn). Même en zoomant le tracé, si le positionnement est imprécis, on pourra facilement se tromper et perdre du temps.
Le même problème se présentera pour revenir au point de départ en suivant la trace enregistrée lors de l'aller. Les imprécisions de la trace vont s'ajouter à l'imprécision du GPS lors du retour. On augmente un peu plus les chances de se perdre !
Le GPS-double fréquence présente donc un intérêt tout particulier pour la navigation GPS.
Un GPS multifréquences est utile aussi pour les sorties longues
Le GPS bi-bande est également intéressant pour les grandes sorties du fait de l'accumulation des erreurs. Si les erreurs de positionnement peuvent être négligeables sur un parcours de 10 km, il n'en est pas de même sur un marathon ou un ultratrail. Si l'on considère une erreur de 2% (comptez en moyenne 1 à 3% pour une montre GPS), cela représente seulement 200 m sur un parcours de 10 km mais plus de 800 m sur un marathon ! Sur le TOR des Géants, cette course de 450 km, l'erreur atteint 9 km ! Cela peut amener à des surprises (on croit arriver sur la ligne d'arrivée et on en est encore loin ou, au contraire, on y arrive plus tôt que prévu !) mais cela fausse aussi les performances mesurées (vitesse moyenne et autres calculs qui découlent de la distance). Tout cela peut être frustrant pour un compétiteur ou pour un athlète qui s'entraîne et qui a besoin d'une grande précision.
En réduisant les erreurs de calculs, le GPS multi-bandes ou double-fréquence offre une meilleure précision des données limitant cet inconvénient.
Un mot sur le GPS multi-GNSS
Pour améliorer la qualité de réception et la fiabilité du récepteur, les fabricants de puces proposent des GPS multi-GNSS, c'est-à-dire capables de recevoir simultanément les signaux de GNSS différents (GPS + GLONASS par exemple ou encore GPS + Galileo). L'idée est d'augmenter le nombre de satellites disponibles pour diminuer le temps d'accrochage mais aussi pour réduire les temps de décrochage dans les endroits où le signal passe mal (si l'on perd un satellite, on a plus de chances d'en trouver un autre). Certains GNSS ont également l'avantage de mieux passer que d'autres dans certains lieux (ville, forêt). La multiplication des satellites donne également plus de chances de trouver 4 satellites bien positionnés, c'est à dire dans un cône de grande ouverture angulaire plutôt que de petite ouverture.
La plupart des récepteurs GPS sont compatibles avec plusieurs GNSS mais ils ne permettent pas tous de se connecter à plusieurs en même temps. Quand ils le font, ce n'est généralement qu'avec 2 GNSS au maximum. Mais depuis 2020, Garmin offre des antennes GPS multi-GNSS capables de se connecter à 5 GNSS en même temps. Coros propose également un GPS multi-GNSS dans sa Coros Vertix 2.
Le GPS multi-GNSS devrait progressivement se développer. Son inconvénient est qu'il consomme davantage de batterie parce que le récepteur doit scanner plusieurs systèmes. Ce n'est certainement pas un problème pour la plupart des applications mais ça peut l'être sur une montre GPS dont l'autonomie est un paramètre critique.
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