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Pourquoi la technologie GPS ne fonctionne pas à l'intérieur des bâtiments ?

/images/blog/nogps.jpg Novembre 2020

8 min

iPhone avec l'application Mapwize en cours d'utilisation

De nos jours, il est relativement simple de se déplacer d’un point A à un point B : il suffit d’ouvrir une application de cartographie depuis son téléphone, de renseigner une adresse et le GPS se charge de nous indiquer l’itinéraire le plus court. Mais que se passe-t-il lorsque vous entrez dans un bâtiment ? L’application de guidage que vous utilisez habituellement devient alors inutile et affiche des informations inexactes et parfois même des messages d’erreur.

Pourquoi la technologie GPS ne fonctionne-t-elle pas à l’intérieur des bâtiments ? Dans cet article, nous vous expliquerons les raisons et nous explorerons d’autres possibilités de répondre aux besoins des utilisateurs.

Qu’est-ce que le GPS ?


Nous utilisons la technologie GPS au quotidien. Elle est facile à utiliser et “gratuite”. En réalité, une puce de quelques millimètres seulement et pesant moins de cinq grammes se trouve à l’intérieur de votre appareil, et fait office de récepteur GPS. Ce dernier vous donne des précisions sur votre position. Il est capable de se connecter à un réseau de satellites gravitant autour de la terre qui a coûté des milliards de dollars.

La conception du GPS a pris des dizaines d’années, du lancement du premier satellite en 1978 qui est devenu pleinement opérationnel en 1993, jusqu’à aujourd’hui avec l’arrivée des satellites de substitution pour des besoins de maintenance. Le budget nécessaire au fonctionnement d’un satellite mis en orbite permet de comprendre le coût élevé de ce service qui semble gratuit en apparence.

Chaque satellite contient une horloge atomique qui communique en continu son heure et sa position dans le monde entier. Les récepteurs de nos appareils écoutent les signaux à leur portée et utilisent la méthode connue du calcul de la vitesse de la lumière d’Einstein, pour avoir la distance des satellites environnants. De cette manière, nos appareils déterminent le point de convergence des signaux reçus de plusieurs satellites et le traduisent en une position sous la forme latitude, longitude et altitude.

Quand le GPS se prend le mur


Beaucoup d’argent, de temps et d’ingénierie ont été investi dans la création du GPS. Il semble difficile de croire qu’il ne fonctionne pas au travers d’obstacles tels que les murs. Deux raisons en sont la cause principale.

La première raison est la faible puissance des signaux émis. Trente et un satellites gravitent au-dessus de nous et émettent des signaux en continu indiquant leur position. Ils ne disposent pas de grandes sources d’énergies et il fallait donc que les scientifiques les rendent aussi efficaces que possible. La solution adoptée consiste à produire un signal faible dans le ciel, et à concentrer la consommation d’énergie au niveau des récepteurs. Nos appareils mobiles, dans la mesure du possible, sont conçus pour rechercher et capter les signaux satellites.

Les murs, les plafonds, l’isolation, les meubles et même notre propre corps peuvent absorber les signaux du GPS avant qu’ils n’atteignent nos appareils électroniques. Cela empêche nos appareils de déterminer notre position. Il est donc assez facile de comprendre les problèmes rencontrés par votre GPS dans les centres commerciaux ou les aéroports. Le même problème se pose lorsque vous essayez d’allumer le système de navigation de votre véhicule qui se trouve dans un parking fermé. Votre système de navigation attendra d’avoir un signal clair avant de tenter de vous donner des indications.

La deuxième raison pour laquelle le GPS ne fonctionne pas à l’intérieur des bâtiments est la ligne de vision. Les formules de calculs du GPS considèrent que le récepteur et le satellite peuvent se voir sans se gêner l’un et l’autre. Si on ajoute un plafond et un mur, le signal doit contourner ces barrières avant de pouvoir se rendre jusqu’à nos appareils. Cela peut perturber les calculs et aboutir à une mauvaise estimation de la distance.

En intérieur, les appareils GPS ne peuvent pas vous donner une indication précise de l’endroit où vous êtes, à moins que vous ne vous trouviez dans un bâtiment de plain-pied avec un toit en verre. Même en l’utilisant à côté d’une fenêtre, vous aurez une importante marge d’erreur. En effet, il se peut que tous les signaux satellites entrent dans le bâtiment par une fenêtre et que votre appareil pense à tort que vous êtes à l’extérieur. Le GPS ne peut pas deviner à quel étage d’un bâtiment vous vous trouvez, et ce même si la latitude et la longitude sont proches. Ainsi, le GPS peut vous indiquer d’aller tout droit lorsque vous vous trouvez face à la fenêtre du troisième étage d’un bâtiment…

Les rebonds des signaux GPS posent aussi des problèmes.


Précédemment, nous avons parlé des problèmes relatifs à la réception des signaux avant que ceux-ci n’atteignent votre appareil. Les rebond des signaux GPS sur des surfaces proches posent aussi des problèmes…

Dans un environnement extérieur ouvert, les signaux des satellites atteignent immédiatement votre téléphone et sont reçus une seule fois. Si vous ajoutez des murs, des toits, des portes et des fenêtres, le signal va rebondir sur les obstacles et cette ligne droite va se diviser en plusieurs trajectoires, pour finir par être reçue par votre appareil. Plutôt que de recevoir un message clair, votre appareil reçoit les informations du satellite à plusieurs reprises, il lui est donc très difficile de déterminer laquelle a été envoyée en premier. Le signal reçu semble flou.

Pour bien appréhender le problème du signal flou il faut se rappeler que la vitesse de la lumière est tellement rapide qu’une erreur d’une microseconde seulement sur l’heure d’arrivée faussera votre position calculée de trois cents mètres environ. À l’intérieur d’un bâtiment, une erreur de distance de 300 mètres pourrait vous positionner dans un restaurant alors que vous vous trouvez dans un grand magasin, ou vous localiser au guichet de vente de billets à un aéroport alors que vous êtes au niveau des portes de sécurité.Les ingénieurs cherchent encore des moyens d’exploiter les signaux à trajets multiples, mais pour le moment, une solution n’a été trouvée.

Les évolutions du GPS ne vont pas résoudre le problème


Cela fait cinquante ans que les États-Unis ont introduit la technologie GPS. Depuis lors, de nombreux pays ont investi dans le développement de leurs propres systèmes et lancent des alternatives régionales. Cependant, ces systèmes reposent toujours sur les mêmes principes de base que le GPS et souffrent des mêmes limitations lorsqu’il s’agit de cartographier l’intérieur d’un bâtiment. Même le système Galileo de l’UE, qui est devenu pleinement opérationnel en 2019, n’a pas résolu ce problème.

Une majorité de personnes ignorent que le GPS ne fonctionne pas dans les bâtiments


Nous utilisons presque quotidiennement le GPS, ce qui explique pourquoi tant de gens s’attendent à ce qu’il fonctionne aussi bien à l’intérieur qu’à l’extérieur. Cependant, nous oublions à quel point il est important que nos appareils GPS aient une ligne de vue directe sur les satellites. Nous avons tendance à blâmer nos appareils lorsque nos applications de cartes interactives échouent à déterminer notre position avec précision. En réalité, le problème vient de la technologie elle-même.

La technologie GPS actuelle que nous utilisons pour nous orienter a été financée par les budgets de défense. Au départ, elle servait à surveiller les mouvements de troupes, et non à nous indiquer le chemin le plus rapide pour se rendre à notre restaurant préféré. Elle n’a pas non plus été développée dans l’idée de servir un jour à aider les étudiants à trouver leur chemin sur un campus universitaire. C’est la raison pour laquelle la technologie GPS n’est pas une solution viable à l’intérieur des bâtiments ainsi que pour les sites mixtes avec des parties intérieures et extérieures.

Les plateformes de guidage sont plus adaptées à une utilisation en intérieur et intérieur/extérieur


Le GPS est devenu la norme pour le guidage en extérieur, mais la situation n’est pas la même pour le guidage en intérieur. Il existe désormais un certain nombre de technologies propriétaires alternatives (beacons BLE,Wi-Fi,Li-Fi, etc.). Le choix de la technologie la plus adaptée à votre bâtiment ou votre campus dépendra de votre cas d’usage et de votre budget.

La mise en place de système de positionnement/ géolocalisation pour les bâtiments se révèle parfois complexe et coûteuse. En effet, la plupart des solutions exigent l’installation d’un réseau de capteurs qui doivent être configurés pour fonctionner ensemble afin de fournir à l’utilisateur des informations sur leur position et leurs déplacements. L' architecture de votre bâtiment, les matériaux de construction utilisés, le nombre de visiteurs et les flux de circulation doivent tous être pris en compte afin de créer une solution personnalisée spécifiquement pour votre site. Dans les petits espaces où les repères visuels sont plus clairs, il devient plus compliqué de justifier l’intérêt et la nécessité d’avoir le “point bleu” sur une carte. Il faut donc se poser la question suivante : Avons-nous vraiment besoin d’un GPS quand nous sommes à l’intérieur ?

Vous voulez en savoir plus sur GPS et le positionnement en intérieur? Vous pouvez lire ‘‘Pourquoi le Blue Dot est un accessoire pour le positionnement en intérieur’’ et ‘‘Comment fonctionne le positionnement en intérieur’’.

Photo de Mathieu GERARD

AUTEUR

Mathieu GERARD, CTO & Co-fondateur

Mathieu est chargé de la roadmap produit et de la vision stratégique de l’entreprise. Il a une véritable passion pour l’innovation et la technologie, mais il aime aussi résoudre les problèmes avec des solutions simples et pragmatiques. Il est convaincu qu’en rendant les bâtiments plus intelligents, il sera possible d’améliorer considérablement le confort, la sécurité, la productivité et la consommation d’énergie.