Pourquoi le GPS ne fonctionne-t-il pas en intérieur ?
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Du GPS au GNSS, une technologie omniprésente
Le terme « GPS » est couramment utilisé pour désigner la géolocalisation par satellite. Cependant, il fait spécifiquement référence au système américain. D’autres constellations existent : Glonass (Russie), Galileo (Europe) et Beidou (Chine). Ensemble, ces systèmes forment le GNSS (Global Navigation Satellite System).
Le GNSS a révolutionné notre quotidien. Autrefois, nous dépendions de cartes papier pour nous orienter. Aujourd’hui, une simple application mobile suffit. Cependant, cette technologie a ses limites, notamment en intérieur.
« Le GNSS a révolutionné notre quotidien. Autrefois, nous dépendions de cartes papier pour nous orienter. Aujourd’hui, une simple application mobile suffit. »
Les ondes radio et leur interaction avec les obstacles
Les ondes radio font partie des ondes électromagnétiques, tout comme la lumière visible, les rayons X ou les micro-ondes. Elles sont utilisées dans de nombreux domaines du quotidien : la radio FM, la télévision, le Wi-Fi, la téléphonie mobile, et bien sûr, la géolocalisation par satellite. Leur comportement lorsqu’elles rencontrent des obstacles dépend en grande partie de leur fréquence, c’est-à-dire du nombre de vibrations de l’onde par seconde, mesuré en hertz (Hz).
Fréquence et pénétration des obstacles : une loi physique simple
Plus une onde a une fréquence élevée, plus sa longueur d’onde est courte. Or, les ondes à courte longueur d’onde sont plus facilement absorbées, réfléchies ou diffractées lorsqu’elles rencontrent des matériaux denses comme le béton, le métal ou même les parois épaisses d’un bâtiment. C’est le cas des ondes utilisées par les satellites de géolocalisation, qui ont du mal à traverser les structures intérieures.
À l’inverse, les ondes de basse fréquence, qui ont une longueur d’onde plus longue, ont une meilleure capacité à contourner les obstacles ou à les traverser. C’est notamment pour cela qu’elles sont utilisées dans certaines communications militaires ou maritimes.
Le spectre des fréquences radio : un espace vaste et très réglementé
Le spectre radioélectrique s’étend d’environ 3 kHz à 300 GHz, et il est divisé en bandes de fréquences, chacune ayant des propriétés physiques et des usages bien définis :
Ondes longues (3 – 30 kHz) : utilisées pour la navigation maritime et les communications à très longue distance.
Ondes moyennes et courtes (30 kHz – 3 MHz) : encore utilisées en radiodiffusion.
VHF (30 – 300 MHz) et UHF (300 MHz – 3 GHz) : utilisées par les radios FM, la télévision, les téléphones mobiles, le Wi-Fi, et le GNSS.
Micro-ondes (au-dessus de 3 GHz) : utilisées pour les radars, les communications satellites, ou les technologies 5G.
Les bandes de fréquences sont attribuées par des autorités nationales et internationales (comme l’ANFR en France), afin d’éviter les interférences et de garantir une cohabitation efficace entre tous les usages. Pour en savoir plus, vous pouvez consulter le guide de l’ANFR sur le spectre des fréquences.
Les fréquences utilisées par les satellites GNSS
Les satellites GNSS émettent des signaux radio dans la bande L, située entre 1 et 2 GHz. Par exemple, les satellites Galileo émettent sur les fréquences suivantes :
L1 : 1 575,42 MHz
E5a : 1 176,45 MHz
E5b : 1 207,14 MHz
Ces fréquences élevées permettent une transmission rapide et précise des données, mais elles sont peu efficaces pour traverser les obstacles solides, ce qui limite leur utilisation en intérieur.
Pourquoi utiliser des hautes fréquences malgré leurs limites ?
Il peut sembler paradoxal de recourir à des ondes à haute fréquence, qui traversent mal les obstacles, pour une technologie aussi cruciale que la géolocalisation par satellite. Pourtant, ce choix est fondé sur des contraintes physiques, techniques et réglementaires.
Une nécessité technique : transmettre des données complexes
Les satellites GNSS (comme ceux du GPS, de Galileo ou de Glonass) n’envoient pas simplement un « bip » que le récepteur entendrait. Ils transmettent des signaux modulés, c’est-à-dire des ondes radio qui transportent de l’information sous forme numérique — des suites de 1 et de 0. Ces informations contiennent :
l’identité du satellite,
des données précises sur sa position dans l’espace,
et surtout un horodatage très précis du moment où le signal a été envoyé.
La modulation est indispensable pour coder et transmettre ces données. Or, plus on veut transmettre d’information, plus il faut une large bande passante (c’est-à-dire une plus grande portion du spectre des fréquences radio). Et cette bande passante est beaucoup plus disponible et exploitable dans les hautes fréquences, en particulier dans la bande L (entre 1 et 2 GHz) utilisée par les systèmes GNSS.
Une précision basée sur le temps : l’importance de l’horloge atomique
La géolocalisation par satellite repose sur une idée simple, mais efficace : mesurer le temps que met le signal à voyager entre le satellite et le récepteur. Ce délai permet ensuite de calculer la distance, en appliquant la formule :
distance = vitesse × temps
(sachant que la vitesse de propagation est celle de la lumière dans l’air, soit environ 300 000 km/s).
Pour que ce calcul soit précis, il faut connaître le temps de départ du signal à la nanoseconde près. C’est pourquoi chaque satellite GNSS est équipé d’une horloge atomique, qui donne une mesure du temps extrêmement fiable. Le récepteur, en comparant les signaux d’au moins quatre satellites, peut alors déterminer sa position exacte en trois dimensions grâce à une méthode appelée trilatération (→ définition ici).
« Le recours aux hautes fréquences dans les systèmes GNSS résulte d’un compromis entre besoin de bande passante pour les signaux modulés et disponibilité spectrale. Ce choix technique est idéal à ciel ouvert, mais il montre ses limites en intérieur, où les ondes sont bloquées ou perturbées par les obstacles. »
Géolocalisation en basse fréquence : la solution brevetée Wheere
Pour pallier les limitations du GNSS en intérieur, Wheere a développé une technologie innovante :
Utilisation de basses fréquences : Wheere émet des ondes non modulées dans les plages de 148 -174 MHz, capables de pénétrer les murs et autres obstacles.
Algorithme de mesure de phase : Plutôt que de moduler les signaux, Wheere mesure la phase des ondes reçues pour calculer la distance entre l’émetteur et le récepteur, permettant une localisation précise même en présence de réflexions multiples.
Cette approche permet une géolocalisation précise en intérieur, avec une précision métrique, ouvrant la voie à de nombreuses applications dans des environnements complexes.
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