Comprendre et régler son altimètre

La pression atmosphèrique est la valeur locale de la pression du mélange gazeux qui constitue l'air.
En un point donné la pression atmosphérique varie au cours du temps selon les phénomènes météorologiques.

On sait par ailleurs que pour des conditions météorologiques données, la pression atmosphérique diminue avec l'altitude.

Le fonctionnement des altimètres est basé sur une approximation de la relation qui existe entre la pression atmosphérique et l'altitude.

Comme en un point donné la pression peut varier, il existe sur tous les altimètres une fonction appelée calage qui permet de paramétrer la relation entre pression et altitude utilisée par l'appareil.

La mesure de la pression atmosphérique est effectuée par un composant éléctronique, le capteur de pression. C'est une capsule qui se déforme sous l'effet de la pression atmosphérique, et dont les caractéristiques éléctroniques s'en trouvent modifiées. Le signal éléctronique à la sortie du capteur est interprété par un microprocesseur qui le traduit en une mesure de pression.

Cette mesure de pression est ensuite traduite en mesure d'altitude par le microprocesseur au moyen d'une formule mathématique.

Les altimètres éléctroniques utilisent une formule liant les valeurs de pression et d'altitude. Cette formule est issue d'un modèle physique de l'atmosphère terrestre, appelé "modèle de l'Organisation de l'Aviation Civile Internationale (OACI)".

Sous certaines hypothèses, la relation entre pression et altitude dans la basse atmosphère s'exprime par la formule mathématique :

Où :

• P(h) est la pression atmosphérique à l'altitude h
• P(0) est la pression atmosphérique à l'altitude 0 (niveau de la mer)
• lambda est le gradient de température dans la masse d'air (supposé constant)
• T0 est la température de la masse d'air ramenée au niveau de la mer
• m est la masse molaire de l'air (supposée constante)
• g est l'accélération de la pesanteur (supposée constante)
• R est la constante des gaz parfaits

En remplaçant les paramètres supposés constant par leurs valeurs utilisés pour "l'atmosphère standard de l'OACI", on a :

On peut retourner la formule pour obtenir h en fonction de P(h)

De plus la valeur standard de T0 est 288 K (soit 15°C).

Finalement les altimètres éléctroniques donnent l'altitude en fonction de la pression mesurée suivant une formule du type :

(avec des variation minimes sur les valeurs numériques des paramètres, selon les modèles d'altimètre).

L'altimètre estime l'altitude à partir d'une mesure de pression atmosphérique. Or à une pression donnée ne correspond pas toujours la même altitude (et réciproquement). Cela est dû principalement aux variations des caractéristiques de la masse d'air dans laquelle on se trouve (dépression/anticyclone, air froid/air chaud, air sec/air humide, etc...).

Le calage est un réglage de l'altimètre effectué couramment par l'utilisateur pour compenser ces effets. Cela revient à décaler la courbe de l'altitude en fonction de la pression atmosphérique utilisée par l'appareil pour les faire coincider en un point connu.

Ainsi l'indication d'altitude sera plus proche de la réalité une fois l'altimètre recalé.
(le calage revient à changer la valeur de P(0), pression ramenée au niveau de la mer, utilisée par l'appareil dans la formule donnée dans " Commnent ça marche, plus précisèment ?").

En pratique, le calage peut prendre deux formes, qui reviennent exactement au même :

• Si on connait précisèment l'altitude où on se trouve, on peut faire varier l'altitude affichée jusqu'à ce qu'elle coincide avec l'altitude réelle.
  


• Si on connait précisèment la pression ramenée au niveau de la mer de l'endroit où on se trouve, on peut faire varier la pression au niveau de la mer affichée par l'appareil jusqu'à ce qu'elle coincide.

La principale fonction qu'on demande à un altimètre, c'est d'indiquer une altitude juste.
Pour pouvoir affirmer que l'altitude indiquée par l'altimètre est fausse, il faut d'abord être en un point dont l'altitude est connue de manière précise et certaine.
Les cartes topographiques "européennes" donnent des points cotés très fiables. Dans les pays "exotiques", la cartographie n'est pas toujours d'aussi bonne qualité.
Par contre, même "chez nous", les altitudes indiquées sur les panneaux des sentiers ou les bornes des routes sont parfois douteuses.

Si l'erreur d'altitude indiquée est avérée plusieurs explications sont possibles :

• La météo a changé depuis le dernier calage.
  Les variations de pression dues aux phénomènes météorologiques ont des amplitudes de plusieurs dizaines d'hectopascals. En un point donné, l'altimètre interprète toute variation de pression comme un déplacement en altitude.
  Exemple : Vous arrivez le soir au refuge (altitude connue), et calez votre altimètre. Le lendemain, vous vous réveillez avec une indication d'altitude plus élevée. Explication : la pression atmosphérique a baissé pendant la nuit.
  L'amplitude totale des variations de pression dues aux phénomènes météorologiques peut atteindre plusieurs dizaines d'hectopascals, soit une différence d'altitude affichée de plusieurs centaines de mètres. A moins d'un changement de temps brutal, en une journée les variations de pression atmosphérique en un même endroit sont au maximum de quelques hectopascals. Soit une variation de l'altitude affichée de quelques dizaines de mètres au plus.
  


• L'effet de la température de la masse d'air
  Même quand l'altimètre est parfaitement calé, du fait de la formule utilisée pour calculer l'altitude à partir de la pression, tous les altimètres estiment les dénivelés suivant un rapport T0 standard / T0 réel.
  T0 standard vaut 288K (15°C) et T0 réel est la température réelle de la masse d'air ramenée au niveau de la mer.
  Exemple : En été avec T0 réel = 30°C = 303 K, les dénivelés sont estimés à 288/303 = 95% de leur valeur réelle.
  En calant l'altimètre à 1000m, puis en montant à 2000m, l'altimètre n'indiquera finalement que 1950m. Si on recale alors l'affichage à 2000m, et qu'on redescend à 1000m, l'affichage sera 1050m. Inversement en hiver, l'altimètre sur-estimera les dénivelés. Ces erreurs sont systématiques et inévitables.
  


• Les conditions ne sont pas standard
  La formule utilisée par l'altimètre est une approximation fondée sur certaines hypothèses. Elle n'est donc jamais parfaitement exacte. Les conditions de l'atmosphère sont parfois éloignées des conditions standard : temps instable, inversion de température, etc...
  C'est la principale limite à la précision des altimètres éléctroniques :
  il n'existe pas d'équation pouvant décrire précisèment dans tous les cas la relation entre la pression et l'altitude.
  Cette explication n'est cependant à envisager qu'après les deux précédentes, qui suffisent à expliquer la majorité des erreurs constatées.
  


• L'effet de la température de l'appareil
  Les variation de le température interne de l'appareil peuvent influencer l'affichage d'altitude.
  

Voir la question "Qu'est ce que la compensation en température ?"

Pour pouvoir affirmer que la pression indiquée est fausse, il faut connaître de manière certaine la pression atmosphérique régnant à l'endroit où se trouve l'appareil.
Il faut donc pouvoir confronter la pression affichée à celle donnée par un autre baromètre réputé fiable.

Un altimètre qui affiche des pressions fausses peut quand même donner des altitudes justes (aussi justes que possible) :
en effet l'altitude affichée ne dépend que de la différence de pression mesurée depuis le dernier calage. Si l'affichage de pression est décalé d'une valeur constante, alors les différences de pression restent exactes, et l'altimètre fonctionne correctement.

Si l'erreur sur la pression affichée est avérée, plusieurs explications sont possibles :

• L'effet de la température de l'appareil
  Les variation de le température interne de l'appareil peuvent influencer l'affichage de pression.
  Voir la question "Qu'est ce que la compensation en température ?"
  


• L'altimètre est déréglé
  Il est possible que le réglage du capteur de pression soit faussé. Les altimètres électroniques proposent une fonction qui permet de corriger ce réglage.
  Cette opération n'est cependant à effectuer que si on est certain que l'appareil est déréglé, et que la nouvelle pression à laquelle on le règle est la vraie valeur de la pression atmosphérique locale.
  


• Le capteur de pression est mal étalonné
  Explication à envisager en dernier recours.
  L'étalonnage du capteur est un protocole à la fois physique et éléctronique qui doit être effectué par un spécialiste.
  Le service après-vente du fabriquant peut prendre en charge ce problème.
  

Pour pouvoir affirmer que la pression ramenée au niveau de la mer indiquée par l'appareil est fausse, il faut connaître de manière certaine la pression ramenée au niveau de la mer à l'endroit où se trouve l'appareil.

Si vous vous trouvez au niveau de la mer, un autre baromètre réputé fiable vous fournira une valeur à laquelle comparer l'affichage de l'appareil.
Sinon, la pression ramenée au niveau de la mer est donnée dans certains bulletins météo.

Il faut savoir que la pression ramenée au niveau de la mer indiquée par l'appareil est une valeur qui est directement ou indirectement donnée par l'utilisateur lui même. En effet le réglage de cette valeur correspond à l'opération de calage de l'altimètre (voir "Qu'est ce que le calage ?").

Dans l'hypothèse où vous avez calé votre altimètre en réglant directement la pression au niveau de la mer, vous ne pouvez vous en prendre qu'à vous même si cette indication est fausse !

Le plus souvent, cependant, vous aurez calé votre altimètre en réglant l'affichage de l'altitude. En admettant que ce réglage soit juste (c'est à dire que vous avez vérifié précisèment l'altitude où vous vous trouvez, et réglé l'affichage de l'altimètre sur cette valeur), plusieurs causes peuvent encore expliquer une différence entre la valeur affichée et la valeur réelle de la pression ramenée au niveau de la mer :

• Effet de la température de la masse d'air
  La formule utilisée par l'appareil pour déterminer la pression au niveau de la mer à partir du point de calage (altitude locale et pression atmosphérique locale), suppose que la température de la masse d'air est standard (c'est à dire 15°C au niveau de la mer). Or ce n'est le plus souvent pas vrai.
  Ainsi, lorsque la masse d'air est plus chaude, la pression au niveau de la mer est sur-estimée par l'appareil, et ce d'autant plus que le calage est fait à une altitude élévée. Au contraire lorsque la masse d'air est plus froide, la pression au niveau de la mer est sous-estimée par l'appareil, et ce d'autant plus que le calage est fait à une altitude élevée.
  Un exemple : Vous calez votre altimètre à 3000m d'altitude, la pression atmosphérique locale est de 700 hPa. Votre altimètre vous indique 1011 hPa au niveau de la mer.
  Cependant, si la température de la masse d'air est plus élevée que le standard (par exemple 30°C au niveau de la mer), la pression réelle au niveau de la mer est plus probablement de 992 hPa seulement (valeur calculée en introduisant la bonne valeur du paramètre de température dans la formule).
  On voit qu'il est très problématique d'utiliser son altimètre pour faire des prévisions météo artisanales. La pression au niveau de la mer indiquée par l'appareil peut être très éloignée de la valeur réelle.
  


• Les conditions ne sont pas standard
  Même en tenant compte de l'effet éventuel de la température de la masse d'air, la formule utilisée par l'altimètre pour calculer la pression au niveau de la mer à partir d'un point de calage est une approximation fondée sur certaines hypothèses. Elle n'est donc jamais parfaitement exacte.
  Les conditions de l'atmosphère sont parfois éloignées des conditions standard : temps instable, inversion de température, etc...
  C'est la principale limite à la précision des altimètres éléctroniques :
  il n'existe pas d'équation pouvant décrire précisèment dans tous les cas la relation entre la pression et l'altitude.
  


• La mesure de pression atmosphérique est fausse
  L'appareil extrapole la pression au niveau de la mer à partir de la valeur de la pression qu'il mesure à l'altitude où il se trouve. Si la pression locale mesurée est fausse, la valeur donnée pour la pression au niveau de la mer sera forcément faussée.
  Voir la question "pourquoi la pression indiquée est elle fausse ?"

La température indiquée par l'appareil n'est jamais que celle du capteur de température situé à l'intérieur du boîtier. Elle est influencée par le fait que l'appareil est à votre poignet, ou dans votre poche, exposé au soleil etc...
Un thermomètre en général n'indique que sa propre température.
Il est donc normal que la température affichée ne soit ni la température de l'air ambiant, ni celle mesurée par un autre thermomètre.

Si vous arrivez cependant à établir que la température indiquée par l'appareil n'est pas la vraie valeur de la température réelle du capteur, il y a plusieurs explications possibles :

• L'altimètre est déréglé
  Il est possible que le réglage du capteur de température soit faussé. Les altimètres électroniques proposent une fonction qui permet de corriger ce réglage.
  Cette opération n'est cependant à effectuer que si on est certain que l'appareil est déréglé, et que la nouvelle température à laquelle on le règle est la vraie valeur de la température du capteur.
  


• Le capteur de température est mal étalonné
  Explication à envisager en dernier recours.
  L'étalonnage du capteur est un protocole à la fois physique et éléctronique qui doit être effectué par un spécialiste.
  Le service après-vente du fabriquant peut prendre en charge ce problème.

Les caractéristiques électro-mécaniques du capteur de pression dépendent de sa température.
On dit que le capteur est compensé en température si le microprocesseur tient compte de la température de l'appareil dans la détermination de la mesure de pression à partir du signal électrique du capteur.

La compensation en température n'est pas liée à l'effet de la température de la masse d'air sur la mesure d'altitude, dont il est largement question par ailleurs dans cette FAQ.

La programmation de la compensation en température du capteur est effectuée individuellement pour chaque appareil. Tous les appareils d'un même fabriquant n'ont pas la même compensation.
La compensation en température du capteur n'est jamais parfaite. Alors que la pression reste constante, l'affichage de pression (et donc celui d'altitude) d'un appareil compensé en température peuvent varier avec la température de l'appareil. Mais ces variations seront toujours plus faibles que si l'appareil n'était pas compensé en température du tout.

Pour se prémunir des erreurs de mesure engendrés par une compensation imparfaite, il faut que les réglages et les lectures soient effectués avec l'appareil à la même température. C'est pourquoi il faut porter l'appareil directement au poignet, ou dans une poche intérieure, plutôt qu'à un endroit exposé à des grandes amplitudes de température.

Deux approches sont possibles :

• Oui, il faut recaler aussi souvent que possible.
  C'est l'approche la plus communément admise.
  Elle consiste à recaler systématiquement l'appareil dès qu'on se trouve en un point d'altitude connue.
  Ainsi on élimine totalement le risque d'erreur due à une variation météorologique de la pression atmosphérique : entre deux calages la pression n'a pas le temps d'évoluer assez pour influencer significativement la mesure d'altitude.
  De plus un altimètre recalé systématiquement donne un affichage d'altitude très proche de l'altitude réelle, quelles que soient les conditions, si il est utilisé dans une fourchette d'altitude voisine de celle où il a été calé.
  


• Non, il faut éviter de recaler systématiquement.
  L'étude systématique des erreurs constatées entre l'affichage de l'appareil et l'altitude réelle démontre que la majorité des erreurs sont totalement imputables à l'effet de la température de la masse d'air.

Partant de cette constatation on peut se contenter de caler épisodiquement l'appareil (une fois par jour par exemple), pour tenir compte des éventuelles variations de la pression dues aux phénomènes météorologiques, et ensuite utiliser l'appareil en se souvenant qu'il estime les dénivelés par une fraction constante de leur valeur réelle.

Par exemple : on cale d'abord l'altimètre à 1000m, on commence à monter jusqu'à 1500m. L'appareil n'affiche alors que 1480m. On sait alors que dans les conditions locales, les dénivelés sont estimées à 480/500 = 96%. Plutôt que de de recaler à 1500m, on continue alors la course en se souvenant de la valeur de la correction à apporter : lorsque l'appareil affichera 2000m, on sera en fait à 2040m etc...
Cette méthode permet en général d'avoir une mesure de l'altitude beaucoup plus précise qu'en recalant systématiquement, surtout lorsque les conditions de température sont extrèmes (plein été, plein hiver, ou encore si on utilise l'appareil dans des régions tropicales ou polaires), et que les dénivelés parcourus sont importants.
Mais elle nécessite de faire l'effort de calculer la correction.

La règle des parachutistes
Les parachutistes savent que lors d'un saut, il faut caler son altimètre au sol, et ne plus y toucher ensuite.
Les conséquences peuvent être fatales.
Si les conditions sont telles que l'appareil estime les dénivelés à 95%, en calant au niveau de la mer, puis en montant rapidement à 5000m, on obtient un affichage de 4750m. Si on recale à ce moment là, on finira par s'écraser au sol, alors que l'altimètre affichait encore 250m.

Pour résumer, on peut :

• Caler systématiquement lorsque les conditions de température sont proches du standard, et que les dénivelés parcourus sont faibles.
  


• Ne pas caler systématiquement et calculer la correction à apporter aux dénivelés affichés, lorsque les conditions de température sont éloignés du standard, et qu'on effectue des dénivelés importants.

Les capteurs de pression utilisés dans les altimètres sont sensibles au dizième d'hectopascal.
C'est à dire à une différence de pression correspondant à une différence d'altitude de moins d'un mètre.

Mais réciproquement ces capteurs et le dispositif électronique qui leur est associé ne sont pas absolument fidèle. Ainsi on peut observer des variations de la pression affichée alors que la pression réelle est constante. Il s'agit souvent d'oscillations de faible amplitude autour de la valeur réelle. Cela peut être du à des phénomènes d'inertie et d'hystérésis du dispositif mécanique et éléctronique. Pour une mesure très précise de pression il est souhaitable de faire -toutes choses égales par ailleurs- plusieurs lectures de l'affichage à quelques minutes d'intervalle.

Ceci étant dit, la question de la précision réside principalement dans la manière de déterminer l'altitude à partir de la mesure de la pression.
Suivant les conditions météorologiques locales, et la manière d'utiliser l'appareil, la formule programmée peut donner un affichage d'altitude exact au mètre près ou des écarts entre l'affichage et la réalité en dizaines ou en centaines de mètres.
La précision maximale est obtenue quand les conditions atmosphériques sont proches des conditions standards à partir desquelles est établie la formule de relation entre pression et altitude programmée dans l'appareil.

L'utilisateur peut optimiser la précision de l'information donnée par son appareil, en suivant ces quelques principes d'utilisation :

• Recaler à bon escient (voir "Qu'est-ce que le calage ?" et "Faut-il recaler souvent ?")
  


• Connaître et savoir apprécier les facteurs qui influencent l'altitude affichée ( voir "Pourquoi l'altitude indiquée est elle fausse ?")
  


• Utiliser l'appareil à température constante (voir "Qu'est ce que la compensation en température ?")

La qualité des capteurs de pression et les principes de calcul de l'altitude utilisés par les différents modèles sont équivalents. Il n'existe pas d'appareil absolument meilleur que les autres.

A chacun de cibler ses besoins et d'évaluer en conséquences les caractéristiques des différents modèles :
- ergonomie d'utilisation
- fonctions annexes d'altimètre (variomètre, cumul de dénivelé etc...)
- autres fonctions annexes (chronomètre, boussole, cardio-fréquencemètre, grille-pain etc...)
- autonomie des batteries
- garantie et service après-vente
- prix
- etc...

A des degrés différents, ce document doit beaucoup à :
Jérôme Biju-Duval
Alain Figer
Société Pretel