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

 

Depuis ses premiers pas dans l'automobile, le GPS à des fins commerciales n'a eu de cesse d'évoluer et de se perfectionner. Désormais complété par d'autres GNSS comme Galileo et Glonass, il propose également un suivi à double fréquence. On fait le point pour tout comprendre à la géolocalisation.

Google Maps sur smartphone
Google Maps sur smartphone // Source : Tamas Tuzes-Katai via Unsplash

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 elle-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 impose de nouvelles normes techniques comme la double-fréquence ou le 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 est simple et toujours employé : le smartphone se connectait à trois antennes de réseau mobile et, en fonction de la distance à chacune de ces antennes, était capable de donner une estimation de l’endroit où vous vous situiez.

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.

Ici des antennes installées sur le toit d’un immeuble polonais, pour illustration // Source : Jakub Pabis – Unsplash

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 — et en particulier leur adresse MAC — à proximité. 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. Dès lors, le smartphone va alors utiliser 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. Concrètement, pour obtenir votre emplacement, les satellites vont envoyer un signal qui va être reçu par les antennes 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. C’est la raison pour laquelle un deuxième satellite va se connecter à son tour, permettant 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.

Le principe de la trilatération GNSS
Le principe de la trilatération GNSS // Source : Frandroid

Concrètement, pour identifier votre position, ce sont donc au moins trois satellites, pour une géolocalisation en deux dimensions, auxquels votre smartphone ou votre montre vont se connecter simultanément. 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 randonnées 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. Outre le fait que certaines montres vont enregistrer davantage de points — et donc proposer un tracé plus précis — certains modèles vont être moins détaillés.

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).

Les différentes constellations de satellites GNSS
Les différentes constellations de satellites GNSS // Source : Frandroid

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, 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 chance que l’un des satellites soit 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’agence spatiale européenne, l’ESA. 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.

L1 ou L5 : les deux bandes de fréquence du GPS

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 une certaine bande de fréquences, généralement de l’ordre de quelques kHz autour de 1,25 à 1,6 GHz :

  • GPS : L1 (1 575,42 MHz), L2 (1 227,60 MHz) et L5 (1176,45 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 (1176,45 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.

Image d'illustration d'un satellite GPS
Image d’illustration d’un satellite GPS // Source : Gouvernement des États-Unis

Dans le cas du GPS, l’US Space Force, qui gère la constellation de satellites, a décidé d’ouvrir une nouvelle bande de fréquence en 2014, la bande L5. Celle-ci, ouverte aux applications civiles et commerciales — contrairement à la bande L2 d’usage strictement militaire — a permis d’accroître la précision de la géolocalisation et de proposer des appareils compatibles dual band, c’est-à-dire utilisant simultanément la fréquence L1 et la fréquence L5. 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 dual band, 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.

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. Il ne s’agit pas de récupérer directement les données GPS du téléphone en lui-même — puisque la géolocalisation de la montre serait alors supplantée par celle du smartphone — mais de profiter 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.

Le fonctionnement du GPS assisté, ou A-GPS
Le fonctionnement du GPS assisté, ou A-GPS // Source : Frandroid

L’autre intérêt de l’A-GPS est de permettre une connexion pendant plusieurs heures consécutives, là où le GPS classique se limite à seulement quatre heures de connexion. 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.


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