Altimètre barométrique ou GPS : les différences

On lit souvent sur les forums ou dans les commentaires de mes articles, en réponse aux demandes de conseil, que " les montres avec un altimètre barométrique sont plus précises que celles avec un altimètre GPS pour mesurer l'altitude et les dénivelés ". C'est pourquoi beaucoup de sportifs s'orientent vers une montre GPS avec alti baro dès lors qu'ils font du trail.

J'ai réalisé ce week-end que je n'avais jamais creusé la question dans un article sur le sujet.

Hé bien le voilà ce fameux article !

Je vais tout vous expliquer, pour que vous compreniez bien la différence qu'il existe entre l'altitude mesurée par GPS et l'altitude mesurée grâce à la pression atmosphérique. Et après l'avoir lu, vous pourrez expliquer à tout le monde pourquoi l'un est mieux que l'autre pour mesurer les dénivelés en trail.

L'altitude GPS

Pour obtenir une position GPS dans un environnement en 3 dimensions, il faut capter le signal d'au moins 4 satellites. En 2016, la constellation était composée de 31 satellites opérationnels, qui tournent à une altitude de 20 200km et une vitesse de 3 900m/s (si vite que la théorie de la relativité d'Einstein explique que l'heure des horloges atomiques des satellites est différente de celle des horloges terrestres).

Ensuite, c'est une simple question de triangulation et beaucoup de calculs basés sur les temps de trajet du signal de chaque satellite (environ 70ms). Sauf qu'il peut y avoir des erreurs dues aux effets de l'ionosphère et la troposphère, aux décalages d'orbite, aux erreurs des horloges, etc.

Pour déterminer l'altitude, ça ne suffit pas. Le récepteur utilise un modèle en 3d de la Terre (le plus utilisé est le World Geodesic System WGS84) qui définit le niveau moyen de la mer (en gros, une ellipsoïde). Ensuite, un calcul simple permet de déduire de la triangulation la différence entre la distance mesurée par GPS et l'altitude du niveau moyen de la mer. L'autre modèle parfois utilisé est celui du niveau moyen des océans, qui définit une géoïde. L'altitude GPS est donc une mesure sur un modèle géométrique.

Sauf que si votre montre fait une erreur de quelques mètres sur votre positionnement horizontal sur le modèle géométrique (rappelez-vous que le GPS n'a une précision que de 3.351m 95% du temps), elle se répercutera sur la mesure de l'altitude, qui ne sera pas prise au bon endroit sur le modèle. Sur la photo ci-dessous, un décalage de 2 mètres de la position GPS engendrera une erreur de plusieurs mètres sur l'altitude. Multipliez ce genre d'erreur et votre dénivelé positif va rapidement être complètement faux.
Autre cas, imaginez que vous courez sur une route presque plate, mais avec plein de bosses de 3m de haut. La hauteur de ces bosses est à peu près égale à l'erreur que peut faire la puce GPS. Le calcul du dénivelé sera vraisemblablement faux.

Lorsqu'on en vient au calcul de dénivelé, une autre source d'erreur vient de la fréquence de prise de mesures GPS. Le dénivelé sera calculé à partir des différences d'altitude entre chaque point GPS. Sauf que si votre montre est réglée pour prendre un point toutes les 60 secondes, elle fera une grosse approximation en tirant un trait droit entre 2 points espacés de 166m (si vous courez à 10km/h), voire même 333m (si vous êtes en vélo à 20km/h). Du coup, elle ratera peut-être une bosse et quelques mètres de dénivelé à chaque fois. C'est un peu comme si vous marchez sur un gros Légo, mais que l'altitude n'était mesurée qu'au départ et à l'arrivée. Le dénivelé mesuré serait de 0 alors que vous avez monté et descendu plusieurs bosses.

L'altitude barométrique

L'altitude barométrique est aussi exprimée en mètres (normal), mais ce n'est pas du tout ce qui est mesuré. En fait, c'est un baromètre qui va mesurer la pression atmosphérique et la convertir en altitude.

La base de départ, c'est une valeur moyenne de la pression atmosphérique au niveau de la mer : 1013HPa. Cette donnée est enregistrée dans votre montre par le constructeur, c'est la calibration d'usine.

A mesure que vous prenez de l'altitude, la pression atmosphérique va diminuer. Si le baromètre mesure 989HPa, alors l'écran indiquera que vous vous trouvez à 1000m ; 794HPa, 2000m.

Sauf que là aussi, il y a des erreurs possibles. Déjà, parce qu'on a pris une pression moyenne au niveau de la mer comme référence. Or, cette valeur n'est correcte qu'à une certaine température (15° en l'occurrence, ensuite la température moyenne diminue de 0,65° par 100m d'altitude). Mais s'il fait plus chaud ou moins chaud, ça changera. L'erreur ainsi créée est de 0.35% par degré de différence. S'il fait 25° le jour de votre sortie, c'est 3.5% d'erreur.

Certains récepteurs, équipés d'un thermomètre, le prennent en compte et effectuent une correction basée sur la mesure de la température. Et tout ça devient très compliqué...

Mais il existe une solution efficace pour régler ce problème : calibrer le baromètre avant de partir. C'est une action manuelle, à faire sur le lieu de départ, juste avant de partir. Ainsi, vous établissez une correspondance entre la pression mesurée sur votre lieu de départ et l'altitude (que vous connaissez) de votre lieu de départ. Toutes les données seront ensuite calculées à partir de cette donnée de départ.

Perso, je ne le fais pas à chaque sortie. Pourquoi ? Parce qu'au pire, même si l'altitude absolue sera fausse, mais que le dénivelé sera juste. Or, quand je fais du sport, je me soucie rarement de l'altitude, mais plutôt du dénivelé cumulé. Il n'y a qu'en rando que je calibre un altimètre barométrique.

Les changements météorologiques affectent aussi la mesure de l'altitude barométrique, mais d'une manière différente. A l'approche d'une perturbation (un front froid), la température de l'air va baisser progressivement et la pression atmosphérique aussi. Une fois passé, la température de l'air va remonter naturellement. Sauf que votre altimètre barométrique n'a aucun moyen de faire la différence entre une variation de pression due à un changement d'altitude et une variation de pression due à un orage. Et la mesure de votre altitude sera donc faussée. C'est pourquoi, sur une longue durée (une randonnée ou un ultra), les données d'altitude peuvent être altérées par le passage d'un orage.

Précision : altimètre GPS vs altimètre barométrique

On l'a vu, il y a des erreurs dans les 2 cas. Alors pourquoi est-ce qu'on entend souvent qu'un altimètre barométrique est plus précis ?

Il y a déjà une différence d'approche : le GPS mesure l'altitude absolue à chaque pointage, tandis que le baromètre mesure une différence de pression pour en déduire une altitude relative par rapport au point de départ.

Je n'ai trouvé qu' une étude, publiée en 2015, qui mesure vraiment l'erreur de mesure d'altitude avec le GPS (parce que c'est bien beau de lire partout que le GPS est moins précis pour mesurer l'altitude que pour mesurer la position horizontale, mais moi, je voulais des chiffres). Et cerise sur le gâteau, ils ont aussi fait des tests en GPS + GLONASS.

Selon les jours de mesure (les conditions environnementales influençant la réception du signal GPS), l'erreur dans la mesure de l'altitude a varié de 3,6 à 12,8m en utilisant le GPS seul, et de 2,1 à 11,9m en GPS+GLONASS.

Donc, si l'on compare ça aux tests de la précision de positionnement du système GPS (3,351m 95% du temps), l'erreur dans la mesure de l'altitude (axe vertical) peut en effet être largement moins bonne que le positionnement dans le plan horizontal.

Si à chaque point GPS l'erreur d'altitude va de 2 à 13m, imaginer l'erreur possible sur le dénivelé total...

Donc si on résume :

• l'alti baro est meilleur pour mesurer le dénivelé, mais pas pour mesurer l'altitude. Mais il faut pour ça éviter les changements de température et de pession (changement de météo).
• l'alti GPS est meilleur pour mesurer l'altitude (si on reste plusieurs minutes au même endroit) mais pas pour mesurer le dénivelé.

Petite illustration avec un cas réel : 2 montres GPS avec alti baro (Forerunner 935 et Spartan Ultra) et 2 montres avec un alti GPS (Spartan Wrist HR et OnMove 500 HR) utilisées sur la même sortie.

On constate plusieurs choses :

• Les altitudes de départ sont toutes différentes. C'est pace que je n'ai calibré aucun des altimètres au départ. La Spartan Ultra utilise le FusedAlti qui fait une autocalibration et donc on peut se dire qu'elle est proche de la vérité. On voit déjà qu'il y a plus de 30m d'écart.
• Les dénivelés calculés par les 2 montres avec alti baro sont quasiment identiques (123m et 127m) et les courbes pourraient parfaitement se superposer. Les valeurs absolues d'altitude sont différentes du fait de la calibration différente, mais les dénivelés sont identiques.
• Le dénivelé mesuré par la Spartan Sport est le même que pour les 2 alti baro, mais c'est dû au hasard. On voit bien que la courbe d'altitude est complètement différente (très visible entre 2.5km et 5km). Vers 4,7km, elle fait une erreur de 20m.
• Quand au dénivelé mesuré par l'altimètre GPS de la OnMove 500 HR, ben c'est du grand n'importe quoi : +50% d'erreur et un profil d'altitude qui ne ressemble même plus au profil réel (cf le décrochage vers 1,7km).

Etalonnage automatique : alti GPS + alti baro

Certains constructeurs combinent les données de l'altimètre baro et de l'altimètre GPS. On parle alors d'étalonnage automatique, ou d'auto-calibration.

Concrètement, l'alti baro est utilisé pour mesurer le dénivelé, mais les données d'altitude sont corrigées par l'alti GPS. Ca permet de corriger les déviations dues aux changements de météo par exemple.

Ce réglage peut être utilisé sur les montres GPS Suunto en activant le FusedAlti ou sur les Garmin en activant l'étalonnage automatique. Après 5 à 8 minutes d'enregistrement, la montre calibrera les données d'altitude baro avec les données du GPS.

Pourquoi est-ce que le d+ est différent en fonction du site que j'utilise ?

Parfois, il arrive que le dénivelé total d'une séance soit différent d'une plateforme à l'autre (par exemple entre Garmin Connect et Strava), alors qu'il s'agit du même ficher GPX de la même sortie.

Ca vient du fait que chaque plateforme utilise un algorithme différent pour calculer le dénivelé à partir des données brutes d'altitude. Ou bien un modèle géométrique de la Terre différent. Et chaque plateforme fait ses petites corrections. Ou pas. Tout ça est bien détaillé dans l' aide de Strava :

• Si l'activité a été enregistrée avec une montre GPS avec alti baro, alors les données brutes d'altitude et de dénivelé sont reprises telles quel.
• Si l'activité a été enregistrée avec une montre GPS sans alti baro (avec alti GPS ou sans alti du tout), alors Strava va utiliser les données de position GPS et son propre modèle géométrique de la Terre (une méga base de donnée des altitudes pour différents points GPS), en appliquant en plus un peu de lissage et en repositionnant autant que possible votre trace sur les route ou chemins.

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