Pourquoi l'altitude de votre GPS ou de STRAVA est-elle inexacte ?

GPS Cartographie 11 minutes
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Il est une question ou une interrogation qui est récurrente et relative à la précision de l’altitude et du dénivelé issus d’un GPS.

Bien que cela puisse sembler trivial, obtenir une altitude précise s’avère complexe, dans le plan horizontal on peut aisément poser un mètre, une ficelle, une chaîne d’arpenteur, ou accumuler la circonférence d’une roue, afin de mesurer une distance, par contre dans le plan vertical c’est plus difficile de poser un instrument de mesure.

Les altitudes GPS se basent sur une représentation mathématique de la forme de la terre, tandis que les altitudes des cartes topographiques se basent sur un référentiel vertical lié au globe.

Ce sont donc deux systèmes différents qu’il faut réussir à faire coïncider en un point.

machupichu

Comment mesurer l’altitude?

  • Il y a la mise en pratique du fameux théorème de Thalès,
  • Diverses techniques de triangulation,
  • L’utilisation d’un altimètre,
  • Radar..,
  • Les mesures par satellites.

L'altimètre barométrique

Un altimètre transforme la pression atmosphérique du lieu en altitude. L’altitude 0 m correspond à une pression de 1013,25 millibars au niveau de la mer lorsque la température est de 15°Celsius. Il fallait bien définir une référence.

montre suunto

En pratique ces deux conditions sont rarement réunies au niveau de la mer, par exemple lors de l'écriture de cet article la pression est de 1035 mb sur la côte normande et la température voisine de 6°, ce qui peut se traduire par une erreur d’altitude de l’ordre de 500m.

L'altimètre barométrique donne une altitude précise après un recalage, tant que les conditions pression/température sont stabilisées.

Le recalage consiste à fournir l’altitude précise du lieu, l'altimètre ajuste ensuite cette valeur d’altitude en réaction aux variations de la pression atmosphérique et de la température.

Une baisse de la température resserre les courbes de pression et l'altitude augmente, l’inverse se produit si la température augmente.

La valeur de l’altitude affichée sera sensible à la variation de la température ambiante, le porteur d’un altimètre tenu en main, porté au poignet, doit être sensibilisé à l’effet de la variation de la température locale sur la valeur affichée (ex: montre recouverte/découverte par une manche, vent relatif dû au déplacement rapide ou lent, effet de la température corporelle, etc...).

Pour simplifier une masse d’air stable, ce sont des conditions météorologiques stables.

altimètre

L’altimètre barométrique, correctement utilisé, est l’instrument de référence fiable pour un bon nombre d'utilisations telles que l’aéronautique, la randonnée, l’alpinisme...

L’altitude GPS

Le GPS élabore l'élévation du lieu par rapport à une sphère parfaite modélisant la terre : "l’Ellipsoïde". La Terre n'étant pas parfaite, il faut transformer cette élévation pour fournir une altitude “Géoïde”.

Goide

Un observateur qui relève l’altitude d’une borne géodésique avec un GPS peut constater un écart de plusieurs dizaines de mètres bien que son GPS fonctionne correctement dans des conditions de réception idéales . Le récepteur GPS peut-il être dans l’erreur ?

satellite

Cet écart s’explique par la fidélité de la modélisation de l'ellipsoïde et surtout par celle du géoïde qui est complexe du fait que la surface de la Terre n’est pas une sphère parfaite, comporte des anomalies, subit les modifications humaines, et est en constant changement (Telluriques et Humains).

Ces imprécisions seront combinées aux erreurs de mesures intrinsèques au GPS, elles sont la cause de l'imprécision et de la variation constante de l’altitude délivrée par un GPS .

La géométrie de position des satellites favorable à une bonne précision horizontale, c’est-à-dire une position basse des satellites sur l’horizon, contrarie l’obtention d’une altitude précise. L’ordre de grandeur de la précision verticale c’est 1,5 fois la précision horizontale.

La plupart des fabricants de chipsets GPS intègrent dans leur logiciel un modèle mathématique qui approche approximativement le modèle géodésique de la terre et délivre une altitude référencée à ce modèle.

Cela signifie que si vous marchez au bord de la mer, il n’est pas anormal de constater une altitude négative ou positive, car le modèle géodésique de la terre est imparfait et que l'erreur propre au GPS est à ajouter à cette imperfection. La combinaison de ces erreurs peut induire des écarts d’altitude supérieurs à 50 mètres à certains endroits.

Les modélisations du géoïde s’affinent, celui du Canada vient d’être mis à jour et la mise à jour du modèle Nord Américain est prévue pour 2022. Concrètement, l'altimétrie issue du positionnement GNNS restera encore imprécise durant quelques années.

Modèle numérique de terrain "MNT"

Un MNT est un fichier numérique constitué de mailles, chaque maille fournit une valeur d’altitude pour la surface de cette maille. L’ordre d’idée de la taille actuelle d’une maille c’est 30 m x 90 m. Connaissant la position d’un point sur la surface de la terre Longitude , Latitude, il est aisé d’obtenir l’altitude du lieu en lisant un fichier MNT.

La faiblesse principale du MNT c’est sa fiabilité (anomalies, trous) et la précision du fichier, à titre d’exemple :

  • Le MNT ASTER est disponible pour un pas (maille ou pixel) de 30m, et une précision horizontale de 30m et altimétrique de 20m.
  • Le MNT SRTM est disponible pour un pas (maille ou pixel) de 90m, une précision altimétrique d'environ 16m et planimétrique 60m.

Tous les points d’une maille ont la même altitude, par conséquent en bordure de falaise du fait de l’incertitude de position du fichier cumulée à celle de la localisation, l’altitude extraite peut être celle de la maille adjacente. L’altitude publiée sera probablement interpolée, donc une altitude de valeur intermédiaire entre les altitudes de deux mailles adjacentes, valeur qui sera proche mais différente de la vérité.

MNT

Pour obtenir un MNT : Free Global DEM Data Sources

Obtenir une altitude fiable avec votre GPS

Une solution serait de charger un fichier MNT dans votre GPS, mais l’altitude ne sera fiable que si la taille des mailles est réduite et si le fichier est suffisamment précis (Horizontal et Vertical). Pour avoir une bonne idée de la qualité d’un MNT il suffit de visualiser le relief d’un lac par exemple, ou de construire une trace traversant un lac et d’observer les altitudes en coupe 2D.

Lac Gerardmer - vue 3D

Image : Logiciel LAND, vue du lac de Gérardmer en 3D amplifiée x 2 avec un MNT correct. La projection des mailles sur le relief montre la limite actuelle des MNT.

Lac Geradmer - vue de dieu

Image : Logiciel LAND, vue "de DIEU" du lac de Gérardmer en 2D avec un MNT correct.

Tous les GPS "de bonne facture" actuels disposent d’une boussole et d’un capteur barométrique numérique donc d’un altimètre barométrique, l’utilisation de ce capteur permet d’avoir une altitude précise à condition de caler l’altitude sur un point connu régulièrement (Recommandation Garmin).

L'imprécision de l’altitude fournie par le GPS a incité, dès l’arrivée du GPS, le développement, pour les besoins de l’aéronautique, d’algorithme d’hybridation qui exploitent l’altitude du baromètre et celle du GPS afin de fournir une altitude géographique précise. C’est la solution qui procure une altitude fiable, et le choix privilégié de TwoNav.

La solution optimale consiste soit à configurer votre GPS sur l’option Altitude = Baromètre + GPS si le GPS le permet, et dans tous les cas pour les GPS munis d’un baromètre à caler manuellement le baromètre sur l’altitude du lieu au minimum au départ. En montagne sur de longs circuits il faudra refaire le calage, surtout en cas de variation de température et de MTO.

Élaboration du dénivelé

La problématique de l’altitude, exposée dans les lignes précédentes, se manifeste le plus souvent suite au constat que le dénivelé franchi est différent entre deux rideurs, ou varie selon qu’il est lu sur le GPS ou sur une application comme STRAVA par exemple.

Le GPS doit avant tout être configuré pour fournir l’altitude la plus fiable.

Obtenir le dénivelé par la lecture d’une carte est assez simple, souvent le randonneur se borne à faire la différence entre les points de cotes extrêmes, bien que pour être précis il faille compter les courbes de niveau positives afin d’en faire la somme.

Dans un fichier numérique, les courbes de niveau n’existent pas, le logiciel du GPS ou l’application de construction de trace ou le logiciel d’analyse sont configurés pour "accumuler des pas ou incréments d’altitude".

Souvent, le "pas d’accumulation" est paramétrable, chez TwoNav les possibilités de paramétrages sont étendues alors que chez Gamin c’est une altitude barométrique pure qui doit être recalée, l’appli OpenTraveller propose d’ajuster un seuil de sensibilité pour élaborer le dénivelé, chacun a sa solution.

Les sites ou logiciels d’analyses en ligne ont tendance à remplacer l'altitude issue des fichiers "gpx" par des données d’altitude qui leur sont propres.. À titre d’exemple STRAVA s’est constitué un fichier altimétrique “propriétaire” élaboré avec les altitudes issues des traces obtenues des GPS connus de STRAVA et munis d’un capteur barométrique.

STRAVA ayant a priori abandonné la solution du MNT estimée peu fiable.

La solution retenue suppose que le GPS soit connu de STRAVA donc principalement issu, pour le moment, de la gamme GARMIN et la fiabilité du fichier suppose que chaque utilisateur ait pris soin de recaler manuellement l’altitude.

Pour les conséquences pratiques, la problématique émerge surtout lors de sorties de groupe, car chaque participant peut constater que son dénivelé est différent de celui des autres membres, selon son type de GPS, ou c’est un utilisateur curieux qui ne comprend pas pourquoi les dénivelés du GPS, du logiciel d’analyse ou de STRAVA sont différents.

Strava fait foi

Dans le monde parfaitement aseptisé de STRAVA, tous les membres d’un groupe d’utilisateurs de GPS de la gamme GARMIN doivent en principe constater à la foi sur leur GPS et sur STRAVA des valeurs de dénivelé identiques. Logiquement tel que c’est fait une différence ne s'explique que par le recalage de l’altitude, cependant rien ne permet d’affirmer que le dénivelé publié est juste.

Logiquement un membre de ce groupe utilisateur, qui possède un GPS non connu de STRAVA, devrait constater sur STRAVA le même dénivelé que celui de ses "potes" bien que le dénivelé affiché par son GPS soit différent, il risque d’en vouloir à son équipement qui pourtant fonctionne correctement.

La valeur du dénivelé la plus proche de la vérité s’obtient encore en FRANCE à partir de la lecture d’une carte IGN, la mise en service de Géoïde plus affiné va progressivement déplacer la référence vers les GNSS .

Pour permettre à votre GPS d’élaborer un dénivelé le plus proche de celui issu d’une carte IGN, il faut privilégier les recommandations suivantes:

  • Quand c’est possible : Altitude = Baromètre + GPS,
  • À défaut : Altitude = Baromètre,
  • Caler manuellement l’altitude barométrique avant de partir,
  • Configurer le logiciel d’analyse pour qu’il n’écrase pas les données issues du GPS,
  • Si vous optez pour un MNT dans le GPS ou le logiciel d’analyse, assurez-vous qu’il est fiable par le test du lac, et privilégiez une taille de maille la plus réduite possible.
  • Si vous devez vous fier à un logiciel ou une application pour obtenir le dénivelé, il faut configurer ce logiciel, pour ajuster la valeur du pas d'accumulation en cohérence avec les courbes de niveau de la carte IGN du lieu soit 5 ou 10m. Un petit pas transformera en dénivelé tous les "Jumps" ou passages de bosses, inversement un pas trop élevé gommera l’ascension des collines.

Suite à l’application de ces recommandations, l’expérimentation faite par l’auteur montre que les valeurs de dénivelé obtenues sur le GPS ou par un logiciel d’analyse pourvu d’un MNT fiable restent dans une fourchette "correcte", si l’on admet que la carte IGN a aussi ses incertitudes, par rapport à l’estimation obtenue avec une carte IGN au 1/25 000.

Par contre la valeur publiée par STRAVA est le plus souvent excessive. La méthode appliquée par STRAVA basée sur "un retour" des utilisateurs permet théoriquement d’envisager une convergence rapide vers des valeurs assez proches de la vérité, ce qui selon la fréquentation doit déjà être le cas en BikePark ou sur les sentiers très fréquentés !

Pour illustrer ce propos concrètement voici ci-dessous l’analyse d’une trace, prise au hasard, sur un parcours vallonné de 20km. L’altitude "baro" du GPS a été calée avant de partir, il fournit une altitude “Barométrique + GPS”, le MNT est un MNT fiable qui a été retravaillé pour être précis. On est hors d’une zone ou STRAVA pourrait détenir un profil altimétrique fiable.

C’est l’illustration d’une trace ou l'écart entre l’IGN et le GPS est le plus important et l'écart entre l’IGN et STRAVA le plus faible, l’écart entre le GPS et STRAVA est de 80m et la vérité "IGN" se situe entre les deux.

Altitudes
Départ Arrivée max min dénivelé Ecart/IGN
GPS (Baro + GPS) 122 124 150 98 198 -30
Recalage altitude sur MNT 122 122 150 98 198 -30
STRAVA 280 +51
Carte IGN 122 122 148 99 228,5 0

Zestycastor
Zestycastor est un contributeur très actif sur UtagawaVTT

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