Pourquoi votre altitude GPS ou STRAVA est-elle inexacte ?

Une question ou une question récurrente se pose concernant la précision de l'altitude et les différences d'altitude GPS.

Bien que cela puisse sembler trivial, obtenir une hauteur précise est difficile, dans le plan horizontal, vous pouvez facilement placer un ruban à mesurer, une corde, une chaîne géodésique ou accumuler la circonférence d'une roue pour mesurer la distance. en revanche, il est plus difficile de positionner le compteur dans le plan vertical.

Les hauteurs GPS sont basées sur une représentation mathématique de la forme de la terre, tandis que les hauteurs sur une carte topographique sont basées sur un système de coordonnées verticales associé au globe.

Ce sont donc deux systèmes différents qui doivent coïncider à un moment donné.

L'altitude et le dénivelé sont des paramètres que la plupart des cyclistes, vététistes, randonneurs et grimpeurs voudront consulter après une sortie.

Les instructions pour obtenir le profil vertical et le dénivelé correct sont relativement bien documentées dans les manuels GPS d'extérieur (comme les manuels de la gamme Garmin GPSMap), paradoxalement, cette information est presque absente ou cryptique dans les manuels d'utilisation des GPS prévus. pour les cyclistes (par exemple, les guides de la gamme GPS Garmin Edge).

Le service après-vente de Garmin dispense tous les conseils utiles, tout comme le TwoNav. Pour les autres fabricants ou applications de GPS (à part Strava), c'est un gros écart 🕳.

Comment mesurer la hauteur?

Plusieurs techniques :

• En appliquant le célèbre théorème de Thales à la pratique,
• Différentes techniques de triangulation,
• A l'aide d'un altimètre,
• Radar, affaire,
• Mesures satellitaires.

Altimètre barométrique

Il fallait déterminer l'étalon : l'altimètre traduit la pression atmosphérique d'un lieu en altitude. Une altitude de 0 m correspond à une pression de 1013,25 mbar au niveau de la mer à une température de 15° Celsius.

En pratique, ces deux conditions sont rarement réunies au niveau de la mer, par exemple, lors de la rédaction de cet article, la pression sur les côtes normandes était de 1035 mbar, et la température avoisine les 6°, ce qui peut conduire à une erreur en altitude. d'environ 500 m.

L'altimètre barométrique donne une altitude précise après réajustement si les conditions de pression/température se stabilisent.

L'ajustement consiste à maintenir une altitude précise pour un emplacement, puis l'altimètre ajuste cette altitude en réponse aux changements de pression atmosphérique et de température.

Une baisse de température rétrécit les courbes de pression et l'altitude augmente, et inversement si la température augmente.

La valeur d'altitude affichée sera sensible aux changements de température ambiante, l'utilisateur de l'altimètre, qui le tient ou le porte au poignet, doit être conscient de l'effet des changements de température locaux sur la valeur affichée (par exemple : montre fermée / ouvert avec manche, vent relatif dû à des mouvements rapides ou lents, influence de la température corporelle, etc.).

Pour simplifier la masse d'air stable, c'est le temps stable 🌥.

Lorsqu'il est utilisé correctement, l'altimètre barométrique est un instrument de référence fiable pour une variété d'applications telles que l'aéronautique, la randonnée, l'alpinisme...

L'altitude GPS

Le GPS détermine la hauteur d'un lieu par rapport à la sphère idéale qui simule la Terre : "Ellipsoïde". La Terre étant imparfaite, cette hauteur doit être transformée pour obtenir la hauteur « géoïde » .

Un observateur qui lit la hauteur d'une borne topographique à l'aide du GPS peut constater une déviation de plusieurs dizaines de mètres, bien que son GPS fonctionne correctement dans des conditions de réception idéales. Peut-être que le récepteur GPS est faux ?

Cette différence s'explique par la précision de la modélisation de l'ellipsoïde et, en particulier, du modèle du géoïde, qui est complexe du fait que la surface de la Terre n'est pas une sphère idéale, contient des anomalies, subit des modifications humaines et est en constante évolution. (tellurique et humain).

Ces imprécisions se conjuguent aux erreurs de mesure inhérentes au GPS, et sont à l'origine d'imprécisions et de changements constants de l'altitude rapportée par le GPS.

Les géométries des satellites favorisant une bonne précision horizontale, c'est-à-dire la position basse des satellites sur l'horizon, empêchent une acquisition précise de l'altitude. L'ordre de grandeur de la précision verticale est de 1,5 fois la précision horizontale.

La plupart des fabricants de chipsets GPS intègrent le modèle mathématique dans leur logiciel. qui se rapproche du modèle géodésique de la terre et fournit la hauteur spécifiée dans ce modèle.

Cela signifie que si vous marchez sur la mer il n'est pas rare de voir une altitude négative ou positive, car le modèle géodésique de la terre est imparfait, et à cette lacune il faut ajouter l'erreur inhérente au GPS. La combinaison de ces erreurs peut entraîner une déviation d'altitude de plus de 50 mètres à certains endroits 😐.

Les modèles du géoïde ont été affinés, en particulier l'altimétrie obtenue grâce au positionnement GNNS restera imprécise pendant plusieurs années.

Modèle Numérique de Terrain « MNT »

Un MNT est un fichier numérique composé de grilles, chaque grille (surface élémentaire carrée) fournit une valeur de hauteur pour la surface de cette grille. Une idée de la taille actuelle de la grille du modèle d'élévation mondial est de 30 m x 90 m. Connaissant la position d'un point à la surface de la terre (longitude, latitude), il est facile d'obtenir la hauteur du lieu en lisant le fichier MNT (ou DTM, Digital Terrain Model en anglais).

Le principal inconvénient d'un DEM est sa fiabilité (anomalies, trous) et la précision du fichier ; Exemples:

• L'ASTER DEM est disponible avec un pas (grille ou pixel) de 30 m, une précision horizontale de 30 m et un altimètre de 20 m.
• Le MNT SRTM est disponible pour un espacement de 90 m (grille ou pixel), un altimètre d'environ 16 m et une précision planimétrique de 60 m.
• Le modèle Sonny DEM (Europe) est disponible au pas de 1°x1°, c'est-à-dire avec une taille de cellule de l'ordre de 25 x 30 m selon la latitude. Le vendeur a compilé les sources de données les plus précises, ce DEM est relativement précis et peut être utilisé "facilement" pour TwoNav et Garmin GPS via la cartographie gratuite OpenmtbMap.
• L'IGN DEM 5m x 5m est disponible gratuitement (à partir de janvier 2021) au pas de 1m x 1m ou 5m x 5m avec une résolution verticale de 1m. L'accès à ce DEM est expliqué dans ce guide.

Ne confondez pas la résolution (ou l'exactitude des données du fichier) avec l'exactitude réelle de ces données. Les lectures (mesures) peuvent être obtenues à partir d'instruments qui ne permettent pas d'observer la surface du globe au mètre près.

IGN DEM, disponible gratuitement à partir de janvier 2021, est un patchwork de relevés (mesures) obtenus avec divers instruments. Les zones scannées pour des recherches récentes (par exemple, risque d'inondation) ont été scannées à une résolution de 1 m, ailleurs la précision peut être très éloignée de cette valeur. Cependant, dans le fichier, les données ont été interpolées pour remplir les champs par incréments de 5x5m ou 1x1m. L'IGN a lancé une campagne de sondage haute résolution avec l'objectif de couvrir entièrement la France d'ici 2026, et ce jour-là, IGN DEM sera précis et gratuit à intervalles de 1x1x1m. ...

Le DEM indique l'élévation du sol : la hauteur des infrastructures (bâtiments, ponts, haies, etc.) n'est pas prise en compte. En forêt, c'est la hauteur de la terre au pied des arbres, la surface de l'eau est la surface du littoral pour toutes les retenues supérieures à un hectare.

Tous les points d'une cellule ont la même hauteur, donc au bord de la falaise, en raison de l'incertitude de l'emplacement du fichier, additionnée de l'incertitude de l'emplacement, la hauteur extraite peut être la même que celle de la cellule voisine.

La précision du positionnement GPS dans des conditions de réception idéales est de l'ordre de 4,5 m à 90 %. Cette performance est visible avec les récepteurs GPS les plus récents (GPS + Glonass + Galileo). La précision est donc de 90 fois sur 100 entre 0 et 5 m (ciel clair, hors masques, hors canyons, etc.) de la localisation réelle. utiliser un DEM avec une cellule de 1 x 1 m est contre-productif.car les chances d'être sur la bonne grille seront rares. Ce choix accablera le processeur sans réelle valeur ajoutée !

Pour obtenir un DEM utilisable dans :

• GPS TwoNav : CDEM de 5 m (RGEALTI).

• GPS Garmin : base de données Sonny

  Apprenez à créer votre propre DEM pour TwoNav GPS. Les courbes de niveau peuvent être extraites à l'aide du logiciel Qgis.

Déterminer l'altitude à l'aide du GPS

Une solution peut être de charger le fichier DEM dans votre navigateur GPS, mais l'altitude ne sera fiable que si les grilles sont de taille réduite et si le fichier est suffisamment précis (horizontalement et verticalement).

Pour se faire une bonne idée de la qualité du MNT, il suffit de visualiser, par exemple, le relief d'un lac ou de construire un sentier qui traverse le lac et d'observer les dénivelés dans une coupe 2D.

Image : logiciel LAND, vue du lac de Gérardmer en grossissement 3D x XNUMX avec un DEM correct. La projection des maillages sur le terrain montre la limite DEM actuelle.

Image : Programme LAND, vue du lac de Gérardmer "BOG" en 2D avec le bon MNT.

Tous les appareils GPS modernes de « bonne qualité » ont une boussole et un capteur barométrique numérique, donc un altimètre barométrique ; L'utilisation de ce capteur vous permet d'obtenir une altitude précise à condition de régler l'altitude à un point connu (recommandation Garmin).

L'imprécision d'altitude fournie par le GPS depuis l'avènement du GPS a incité le développement d'algorithmes d'hybridation pour l'aéronautique qui utilisent l'altitude du baromètre et l'altitude du GPS pour fournir une position géographique précise. la taille. C'est une solution d'altitude fiable et le choix préféré des fabricants de GPS, optimisé pour la pratique TwoNav en extérieur. et Garmin.

Chez Garmin, l'offre GPS est présentée en fonction du profil de l'utilisateur (outdoor, vélo, VTT, etc.), il est donc important de se référer aux manuels d'utilisation et au service après-vente.

La solution optimale est de paramétrer votre GPS sur l'option :

• Altitude = Baromètre + GPS, si le GPS le permet,
• Altitude = Baromètre + MNT (MNT) si le GPS le permet.

Dans tous les cas, pour un GPS équipé d'un baromètre, réglez manuellement le baromètre à son altitude minimale au point de départ. En montagne ⛰ sur les longues descentes, le réglage sera à refaire, notamment en cas de fluctuations de température et de météo.

Certains appareils de cyclisme Garmin optimisés pour le GPS réinitialisent automatiquement l'altitude barométrique à des points de cheminement d'altitude connus, ce qui est une solution particulièrement intelligente pour le VTT. Cependant, l'utilisateur doit renseigner, par exemple, avant de quitter la hauteur des cols et le fond de la vallée ; au retour, le dénivelé sera précis 👍.

En mode Baromètre + (GPS ou DTM), le constructeur intègre un algorithme de réglage automatique du baromètre basé sur le principe que la montée vue par le baromètre, GPS ou DEM doit être cohérente : ce principe offre une grande souplesse à l'utilisateur et est bien adapté pour activités extérieures.

Cependant, l'utilisateur doit être conscient des limitations :

• Le GPS est basé sur le géoïde, donc si l'utilisateur se déplace sur un terrain artificiel (par exemple, vers des décharges de scories), les corrections seront faussées,
• Le DEM montre le cheminement au sol, si l'usager emprunte une partie importante des infrastructures humaines (viaduc, pont, passerelles piétonnes, tunnels, etc.), les ajustements seront compensés.

Par conséquent, la procédure optimale pour obtenir une augmentation d'altitude précise est la suivante :

1️⃣ Ajustez le capteur barométrique au début. Sans ce réglage, les altitudes seront converties (décalées), le dénivelé sera correct si la dérive due aux intempéries est faible (trajet court hors montagne). Pour les utilisateurs de GPS de la famille Garmin, les hauteurs "gpx" sont utilisées par Garmin et Strava pour la communauté, il est donc préférable d'entrer le bon profil d'altitude dans la base de données.

2️⃣ Pour réduire la dérive (erreur d'altitude et d'altitude) due aux conditions météorologiques sur les longs trajets (> 1 heure) et en montagne :

• Concentrez-vous sur le choix Baromètre + GPS, en dehors des zones à relief artificiel (zones de décharge, collines artificielles, etc.),
• Concentrez-vous sur le choix Baromètre + DTM (MNT)si vous avez installé un DTM IGN (grille 5 x 5 m) ou Sonny DTM (France ou Europe) en dehors d'un itinéraire qui utilise une partie importante de l'infrastructure (passerelles, viaducs…).

Développer un dénivelé

Le problème d'altitude décrit dans les lignes précédentes se manifeste le plus souvent après avoir constaté que la différence d'altitude entre les deux pratiquants est différente ou varie selon qu'elle est lue sur GPS ou dans une application comme STRAVA (voir aide STRAVA) par exemple.

Tout d'abord, vous devez régler votre GPS pour fournir l'altitude la plus fiable.

Il est assez simple d'obtenir la différence de niveaux en lisant la carte, souvent le praticien se limite à déterminer la différence entre les points de dimensions extrêmes, même si, pour être précis, il faut compter les courbes de niveau positives pour obtenir la somme .

Il n'y a pas de lignes horizontales dans le fichier numérique, le logiciel GPS, l'application de traçage des traces ou le logiciel d'analyse est configuré pour « accumuler les pas ou les incréments d'élévation ».

Souvent "pas de cumul" peut être configuré :

• dans TwoNav les options de paramétrage sont communes à tous les GPS
• chez Gamin vous devriez consulter le manuel d'utilisation et le service après-vente (chaque modèle a ses propres caractéristiques selon le profil d'utilisateur typique)
• l'application OpenTraveller a une option qui suggère d'ajuster le seuil de sensibilité pour déterminer la différence de hauteur.

A chacun sa solution 💡.

Sites Web ou logiciels d'analyse en ligne s'efforcer de remplacer la hauteur à partir de fichiers "gpx" avec leurs propres données de hauteur.

Exemple : STRAVA a créé un fichier altimétrique « natif » créé à partir d'altitudes dérivées de traces dérivées de GPS connu de STRAVA et est équipé d'un capteur barométrique.La solution retenue suppose que le GPS soit connu de STRAVA, donc pour le moment il est majoritairement obtenu à partir de la gamme GARMIN, et la fiabilité du fichier suppose que chaque utilisateur ait pris en charge la remise à zéro manuelle de l'altitude .

Quant aux implications pratiques, le problème se pose surtout lors de balades en groupe, car chaque participant 🚵 peut remarquer que son dénivelé est différent du niveau des autres participants, selon son type de GPS, ou c'est un utilisateur curieux qui ne comprend pas pourquoi la différence est l'altitude GPS, le logiciel d'analyse ou STRAVA est différent.

Dans le monde STRAVA parfaitement aseptisé, tous les membres du groupe d'utilisateurs GPS GARMIN devraient en principe voir la même altitude sur leur GPS et sur leur STRAVA. Il est logique que la différence ne s'explique que par le réglage en hauteur, cependant rien ne confirme que la différence de hauteur signalée est correcte.

Il est logique qu'un membre de ce groupe d'utilisateurs qui possède un GPS non connu de STRAVA voit le même dénivelé sur STRAVA que ses assistants, bien que le dénivelé affiché par son GPS soit différent. Il peut blâmer son équipement, qui fonctionne pourtant correctement.

La valeur la plus proche de la vraie valeur du dénivelé est encore obtenue en FRANCE ou en BELGIQUE lors de la lecture de la carte IGN., la mise en service d'un géoïde plus avancé déplacera progressivement le repère vers le GNSS

GNSS : Géolocalisation et navigation à l'aide d'un système satellitaire : Détermination de la position et de la vitesse d'un point à la surface ou à proximité immédiate de la Terre en traitant les signaux radio de plusieurs satellites artificiels reçus en ce point.

Si vous devez vous appuyer sur un logiciel ou une application pour obtenir le dénivelé, vous devez ajuster ce logiciel pour ajuster la valeur du pas d'accumulation en fonction des courbes de niveau de la carte IGN du site, soit 5 ou 10 m. Un petit pas transformera en chute tous les petits sauts ou transitions en bosses, et inversement, un pas trop haut effacera la montée des petites côtes.

Après application de ces recommandations, l'expérience de l'auteur montre que les valeurs d'altitude obtenues à l'aide d'un GPS ou d'un logiciel d'analyse équipé d'un DEM fiable restent dans la plage "correcte", en supposant que la carte IGN a aussi ses propres incertitudespar rapport à l'estimation obtenue avec la carte IGN 1/25 000.

En revanche, la valeur publiée par STRAVA est généralement surestimée. La méthode utilisée par STRAVA, basée sur le "retour" des utilisateurs, permet théoriquement de prédire une convergence rapide vers des valeurs très proches de la vérité, qui, selon le nombre de visiteurs, devraient déjà avoir lieu dans BikePark ou pistes très fréquentées !

Pour illustrer concrètement ce point, voici une analyse d'un tracé, pris au hasard, sur une route vallonnée longue de 20 km. L'altitude GPS "barométrique" a été fixée avant le départ, elle fournit l'altitude "Barométrique + GPS", le DTM est un DTM fiable qui a été repensé pour être précis. Nous sommes en dehors de la zone où STRAVA pourrait avoir un profil d'élévation fiable.

Ceci est une illustration d'une piste où la différence entre IGN et GPS est la plus grande et la différence entre IGN et STRAVA est la plus petite. la distance entre GPS et STRAVA est de 80m, et le vrai "IGN" est entre eux.

hauteurs
Départ	Arrivé	Max	min	hauteur	Ecart / IGN
GPS (Barrière + GPS)	122	124	150	98	198	- 30
Réglage en hauteur sur DTM	122	122	150	98	198	- 30
ALIMENTS	280	+51
cartes IGN	122	122	148	99	228,5	0