GPS, GNSS, double-fréquence : tout comprendre à la géolocalisation des smartphones et montres connectées

Si la démocratisation du GPS s’est d’abord faite avec l’automobile, cette fonctionnalité s’est véritablement développée avec les smartphones pour se repérer notamment via les applications de cartographie et d’itinéraire. Par ailleurs, les montres connectées elles-mêmes, et tout particulièrement les montres dédiées au sport, à la course à pied ou à l’outdoor, proposent désormais une connectivité GPS utilisée pour se repérer, mais également pour suivre un entraînement sportif en calculant la distance parcourue en un certain temps, et donc l’allure ou la vitesse.

Mais il serait factuellement faux de se cantonner au seul GPS quand les systèmes de positionnement par satellite (ou GNSS, pour global navigation satellite systems) se multiplient. Par ailleurs, cet usage en pleine croissance fait appel à de nouvelles techniques comme la double fréquence ou l’A-GPS. Pour tout comprendre à ces fonctions qui peuvent sembler complexes, on va tout vous expliquer sur les services de géolocalisation par satellite.

Comment fonctionne la géolocalisation ?

Avant l’avènement du GPS, les smartphones utilisaient essentiellement la triangulation GSM pour se localiser. Le principe, simple, est toujours employé : le smartphone se connecte à plusieurs antennes du réseau mobile et, en fonction de sa distance à chacune d’elles, estime l’endroit où vous vous trouvez.

Quelle différence entre la géolocalisation par GPS et par GSM ou Wi-Fi ?

Il existe plusieurs manières de localiser un smartphone, mais les plus communes sont le GPS, la triangulation GSM et le Wi-Fi.

Pour la triangulation GSM, le smartphone va alors se connecter à une ou jusqu’à trois antennes mobiles. En fonction des antennes fixes auxquelles le smartphone est connecté, vous pouvez alors connaître grossièrement sa géolocalisation. Le procédé est en revanche assez peu précis et dépendra largement du nombre d’antennes auxquelles le smartphone peut se connecter. En zone urbaine, où les antennes mobiles sont nombreuses, la précision est ainsi de l’ordre de 200 mètres, mais, en zone rurale, elle peut être de plusieurs kilomètres.

Pour la connexion Wi-Fi, le principe est le même. Seulement, plutôt que d’utiliser une antenne mobile, le smartphone va identifier les points d’accès Wi-Fi à proximité, et en particulier leur adresse MAC. Il n’est pas nécessaire de se connecter au routeur Wi-Fi, puisque seul le fait de savoir qu’il est à proximité suffit pour donner une géolocalisation relativement précise. Le smartphone s’appuie ensuite sur des bases de données, comme celle constituée par Google à l’aide de ses voitures Street View, pour associer un réseau Wi-Fi à un lieu. Le système est nettement plus précis que celui de la triangulation GSM, mais souffre du même souci en zone rurale avec un maillage insuffisamment dense pour couvrir l’ensemble du territoire.

Le principe de la trilatération

Le principe du GPS est finalement assez proche, même s’il ne passe pas par la triangulation, mais par la trilatération. Pour obtenir votre emplacement, les satellites envoient en permanence un signal, reçu par l’antenne GNSS de votre smartphone ou de votre montre. Avec un seul satellite, vous pouvez obtenir la distance entre vous et le satellite. Néanmoins, sur Terre, il y a tout un cercle de personnes étant à égale distance de ce satellite. Le signal d’un deuxième satellite permet de réduire le positionnement possible à deux points. Un troisième satellite va quant à lui permettre d’affiner votre géolocalisation à un seul et unique point sur le globe.

Pour une position en deux dimensions, votre smartphone ou votre montre doit donc capter au moins trois satellites en même temps. En pratique, il en faut au moins quatre : le quatrième sert à calculer l’altitude et à corriger l’horloge du récepteur, bien moins précise que les horloges atomiques des satellites. Ensuite, en fonction de votre appareil, vous allez pouvoir enregistrer plus ou moins de points de tracé.

Des tracés GPX plus ou moins complets

Tous les appareils ne fonctionnent pas de la même manière pour suivre votre géolocalisation. Certaines montres vont par exemple enregistrer un maximum de points de positionnement quand d’autres vont se contenter de n’en enregistrer que quelques-uns. C’est l’ensemble de ces points qui, organisés les uns à la suite des autres, vont permettre de former un tracé, généralement enregistré au format GPX, pour « GPS eXchange Format ».

Dans ces fichiers, vous pourrez retrouver non seulement l’emplacement précis pour chaque point avec la longitude et la latitude, mais également l’heure et la date. Surtout, ces fichiers permettent de récupérer d’autres données accessoires comme la fréquence cardiaque, la température, la vitesse ou la pente. D’autres formats de fichiers peuvent par ailleurs proposer les mêmes données comme le .fit ou le .tcx.

Plus le fichier GPX va compter de points, plus le suivi du tracé sera précis // Source : Frandroid

Des applications de randonnée ou certaines montres connectées vont vous permettre d’exporter directement le suivi de vos sorties dans ces formats. De quoi vous permettre de récupérer le tracé complet, point par point, de vos excursions. Néanmoins, en fonction de l’emplacement ou de l’appareil utilisé, certains tracés peuvent avoir des différences. Certaines montres enregistrent davantage de points, et donc un tracé plus précis, quand d’autres se contentent d’un tracé moins détaillé.

Des environnements à la géolocalisation difficile

Pour avoir un bon suivi de géolocalisation, encore faut-il se situer dans un environnement dégagé. On l’a vu, la montre ou le smartphone va recevoir des informations de la part de trois satellites différents. Or, les fréquences utilisées par les services de GNSS sont particulièrement courtes, ce qui oblige à n’avoir aucun obstacle entre les satellites et l’appareil.

Dès lors, certains environnements peuvent être bien plus complexes pour enregistrer votre géolocalisation. Ce peut être le cas dans de grandes villes avec de hauts immeubles qui peuvent bloquer la transmission du satellite. C’est également le cas dans des forêts denses où la cime des arbres peut empêcher de voir le ciel. Enfin, c’est également le cas dans certains sentiers de montagne, si vous vous trouvez au bord de certains massifs ou dans des gorges.

Pour compenser ces lacunes, les constructeurs ont plusieurs solutions. Outre l’utilisation de bandes de fréquence supplémentaires — on y reviendra — ils peuvent utiliser de plus grosses antennes GNSS. Néanmoins, cela présente forcément une limite pour les petites montres ou les bracelets connectés. Logiquement, les smartphones ou les montres orientées outdoor — bien plus larges que les montres fitness — intègrent généralement des systèmes d’antennes plus poussés permettant un suivi GNSS plus précis.

GPS, Galileo, Glonass, Beidou… les différents services de GNSS

Si le terme GPS est celui qui est le plus connu du grand public, il ne s’agit que d’une seule constellation de satellites : ceux mis en orbite et exploités par les États-Unis. Depuis plusieurs années, le GPS est concurrencé par plusieurs pays ou organisations qui cherchent à proposer leur propre « géolocalisation et navigation par un système de satellites ». C’est cela que l’on appelle un service de GNSS (global navigation satellite system en anglais).

Parmi les systèmes de GNSS les plus connus et les plus adoptés par les constructeurs, on peut citer :

• GPS : constellation américaine de 31 satellites, couverture mondiale ;
• Galileo : constellation européenne de 24 satellites nominaux (27 actifs fin 2025), couverture mondiale ;
• Glonass : constellation russe de 20 satellites, couverture mondiale ;
• Beidou : constellation chinoise de 44 satellites, couverture mondiale ;
• QZSS : constellation japonaise de 5 satellites, couverture régionale ;
• NavIC (ou IRNSS) : constellation indienne de 7 satellites, couverture régionale.

Si certaines marques de smartphones ou de montres connectées communiquent sur une compatibilité avec les systèmes QZSS ou NavIC, cette compatibilité n’aura cependant que peu d’intérêt pour les utilisateurs en France, puisque ces constellations ne couvrent que les zones régionales autour du Japon ou de l’Inde.

En revanche, une compatibilité avec plusieurs constellations satellitaires permettra à votre montre ou votre smartphone de vous localiser plus rapidement, puisqu’il y a plus de chances que des satellites soient à portée. On aura donc tendance à privilégier une compatibilité avec le plus de constellations possible en plus du GPS.

Notons également la particularité de Galileo, le système européen de géolocalisation par satellite. Contrairement à Glonass, à Beidou ou au GPS, le système n’a pas été conçu dans un cadre militaire, mais à des fins civiles, par l’Union européenne, avec l’Agence spatiale européenne (ESA) pour la conception et le développement. Galileo présente également certains avantages par rapport au GPS avec une précision bien plus importante. Si le GPS propose une marge d’erreur de trois mètres, celle de Galileo n’est que d’un mètre.

Galileo va déjà plus loin pour certains usages. Depuis le 24 janvier 2023, son service haute précision (HAS, pour High Accuracy Service) diffuse gratuitement des corrections en temps réel, avec pour objectif une précision de 20 centimètres à l’horizontale et de 40 centimètres à la verticale. Il faut en revanche un récepteur compatible, capable de lire ces corrections transmises sur le signal E6 de Galileo.

L1 et L5 : comprendre la double fréquence

En septembre 2022, Apple a fait grand cas de l’arrivée d’une nouvelle caractéristique sur son Apple Watch Ultra avec une compatibilité GPS dual-band L1+L5. Pour comprendre de quoi il en retourne, il faut revenir au fonctionnement même des satellites de GNSS.

Comme pour la 4G ou la 5G, la transmission du signal entre le satellite et le smartphone ou la montre se fait à l’aide d’ondes radio. Celles-ci sont transmises sur plusieurs bandes de fréquences, larges de quelques MHz et situées entre 1,1 et 1,6 GHz environ (2,5 GHz pour la bande S de NavIC) :

• GPS : L1 (1 575,42 MHz), L2 (1 227,60 MHz) et L5 (1 176,45 MHz) ;
• Galileo : E1 (1 575,42 MHz), E5 (1 176,45 MHz) et E6 (1 278,75 MHz) ;
• Beidou : B1 (1 561,098 MHz), B2 (1 207,14 MHz) et B3 (1 268,52 MHz) ;
• Glonass : L1 (1 598,06 MHz), L2 (1 242,94 MHz), L3 (1 202,025 MHz) ;
• QZSS : L1 (1 575,42 MHz), L2 (1 227,60 MHz), L5 (1 176,45 MHz) et L6 (1 278,75 MHz) ;
• NavIC : L5 (1 176,45 MHz) et S (2 492,03 MHz).

Cependant, comme on l’a vu un peu plus tôt, la plupart de ces constellations ont d’abord été conçues pour un usage militaire et non pas civil. Dès lors, certaines de ces bandes de fréquences sont réservées à l’armée.

Dans le cas du GPS, l’US Air Force, qui gérait alors la constellation (c’est aujourd’hui l’US Space Force), a commencé à diffuser en avril 2014 des messages de navigation civils sur une nouvelle bande, la L5. Celle-ci, pensée pour les usages civils et notamment la sécurité aérienne, — a permis d’accroître la précision de la géolocalisation et de proposer des appareils compatibles double fréquence, c’est-à-dire utilisant simultanément la fréquence L1 et la fréquence L5. Officiellement, le gouvernement américain considère toutefois encore le signal L5 comme « pré-opérationnel ». C’est à ce titre que de plus en plus de constructeurs comme Apple, Garmin ou Coros communiquent désormais sur des montres doubles fréquence L1+L5.

Ce système s’est rapidement démocratisé également sur les autres GNSS et on trouve désormais de nombreux smartphones compatibles GNSS double fréquence, tout comme des montres connectées. Sur certains modèles, comme la Polar Ignite 3, cette fonction double fréquence permet ainsi d’accroître la précision de la géolocalisation, et ce malgré un format compact et des antennes nécessairement plus petites.

Les smartphones ont d’ailleurs ouvert la voie. Le Xiaomi Mi 8, lancé le 31 mai 2018 avec une puce Broadcom BCM47755, a été le premier smartphone GNSS double fréquence, plus de quatre ans avant l’Apple Watch Ultra. Sa puce combinait les signaux L1/E1 et L5/E5 du GPS et de Galileo.

A-GPS ou la géolocalisation assistée

Sur les fiches techniques de certaines montres connectées, vous pouvez voir apparaître le terme A-GPS. Il s’agit en fait d’une fonction GPS « assistée » visant à améliorer la vitesse du fix, c’est-à-dire le temps durant lequel votre smartphone ou votre montre va chercher les signaux satellites pour vous localiser.

L’assistance se fait alors au moyen d’un smartphone auquel est connectée la montre. La montre ne récupère pas directement la position calculée par le téléphone, sinon elle se contenterait de celle du smartphone. Elle profite de la connexion Internet du smartphone pour aller récupérer les tables d’éphéméride, et donc la position de chaque satellite. Grâce à ces données, la montre connaîtra ainsi la position des satellites dont elle reçoit le signal et ne perdra pas de longues minutes à télécharger leurs informations.

L’autre intérêt de l’A-GPS tient à la durée de validité des données. Les éphémérides envoyées par les satellites ne valent que quelques heures, alors que les données d’assistance téléchargées via le smartphone couvrent souvent plusieurs jours. Par ailleurs, si la connexion vient à être coupée, le fix sera de nouveau réalisé rapidement, en quelques secondes à peine, puisqu’il ne sera pas nécessaire pour le smartphone ou la montre de tenter de se connecter à l’ensemble des satellites.

Ainsi, si les systèmes de géolocalisation par satellites se sont lancés avec le seul GPS classique pour le grand public, les services de GNSS n’ont eu de cesse d’évoluer afin de proposer deux avantages : une meilleure précision du suivi et un suivi plus réactif, y compris au moment de la première connexion au service. À ce titre, toutes les montres et smartphones ne sont pas logés à la même enseigne et, logiquement, plus une montre connectée embarquera de fonctions de géolocalisation (multiples GNSS, double-fréquence, A-GPS, etc), plus elle sera performante. À l’inverse, l’expérience d’une montre plus limitée, sans A-GPS par exemple, pourra s’avérer frustrante avec parfois de longues minutes avant que le premier fix ne se fasse.

Surtout, les progrès continuent à se faire dans ce domaine. Du côté de Galileo par exemple, on ambitionne de proposer, à l’avenir, une précision au décimètre près grâce à une nouvelle génération de satellites. Il faudra cependant patienter avant que cette précision accrue ne soit intégrée.