Système de Positionnement Local (LPS)
Primo rédacteur : Delphine LOCURATOLO
Date de création : Novembre 2023
I. Définition
Les systèmes de positionnement, qu'ils soient locaux (LPS), optiques ou globaux (GPS), sont préconisés pour une utilisation dans le sport en raison de leur précision améliorée1-3, de la facilité relative de collecte et de traitement des données1-2, ainsi que de leur capacité à fournir des variables locomotrices plus complètes1 comparativement à d'autres options de quantification de la charge externe6. De ce fait, les technologies LPS sont apparues comme des alternatives viables aux GPS pour les sports d’intérieur, offrant des informations précises en temps réel sur la position des athlètes sur le terrain1.
Le LPS fonctionne en disposant des antennes autour de l'aire de jeu, qui triangulent ensuite leur position avec un capteur porté par les athlètes, permettant ainsi de déduire les positions avec exactitude1. Cependant, la précision des LPS peut être affectée par les changements rapides de vitesse et de direction4, phénomènes courants dans de nombreux sports collectifs d'intérieur. En conséquence, il est suggéré que les estimations d'erreur soient régulièrement vérifiées pour les athlètes produisant des mouvements dynamiques rapides4.
II. Histoire des LPS
1. 1945 : Invention du radar
Inventé durant la Seconde Guerre mondiale, le radar était initialement utilisé par les forces armées pour détecter la position de l'ennemi dans des environnements extérieurs. Cet instrument, fonctionnant par l'émission d'ondes qui se réfléchissent sur des objets pour renvoyer un signal, a joué un rôle crucial dans les stratégies militaires. Avec le temps, et grâce aux avancées technologiques, le radar a trouvé de nouvelles applications, notamment dans le domaine sportif. Aujourd'hui, il est employé pour mesurer avec précision la vitesse maximale des athlètes, une utilisation qui a été scientifiquement validée.
2. 1950 : L’avènement de l’horloge atomique
Développée suite au Prix Nobel de physique attribué à Isidor Rabi, l'horloge atomique représente une révolution dans la mesure du temps. Cette innovation a été le premier outil permettant de calculer avec précision le temps que met un signal radio à parcourir la distance entre un satellite et un récepteur GPS sur Terre. L'exactitude fournie par l'horloge atomique a non seulement amélioré la fiabilité des systèmes de navigation, mais elle a aussi posé les bases pour les avancées technologiques futures dans de nombreux domaines scientifiques et pratiques.
3. Années 1960-1980 : L’ère de la caméra et de la vidéo dans le sport
Durant les années 1960 à 1980, la caméra est devenue un outil essentiel pour l'analyse des performances des joueurs pendant les matchs. La simplicité d'utilisation de la vidéo la rendait particulièrement attrayante pour les entraîneurs, qui s'en servaient pour affiner leurs stratégies de jeu. Toutefois, cette méthode comportait certains défis : l'analyse était souvent fastidieuse, nécessitant un étiquetage manuel des joueurs. De plus, divers problèmes techniques pouvaient altérer la qualité des enregistrements, tels que la superposition des athlètes à l'image, un contraste insuffisant des couleurs, ou des variations de l'éclairage, rendant parfois l'analyse vidéo plus complexe.
4. 1964 : Le GPS et son impact dans le sport
Introduit en 1964, le système de positionnement global (GPS) a révolutionné la façon dont les informations de localisation sont communiquées et utilisées sur différents plans à la surface de la Terre. Validé scientifiquement pour son application dans les sports de terrain, le GPS est devenu un outil incontournable dans des disciplines telles que le football, le hockey et le rugby. Fonctionnant grâce à un réseau de satellites en orbite autour de la Terre, le GPS fournit des données de localisation précises mais est limité à un usage extérieur en raison de sa dépendance aux signaux satellites.
5. Année 2000 : L’avènement du Système de Positionnement Local (LPS)
Avec le début du nouveau millénaire, le LPS a émergé comme un outil révolutionnaire pour mesurer le positionnement des joueurs sur le terrain. Contrairement au GPS, le LPS a la particularité de fonctionner efficacement en milieux clos, ce qui le rend idéal pour les sports d'intérieur. Cela permet une localisation précise des joueurs même sous un toit, là où les signaux GPS ne peuvent pas atteindre. Ainsi, le LPS a ouvert de nouvelles perspectives pour l'analyse et l'amélioration des performances sportives en environnement intérieur.
III. Système de positionnement local : quésako ?
A. Ce qu’il mesure
Depuis son développement en 1997, le GPS a permis à un grand nombre d'entraîneurs de suivre quotidiennement les entraînements et les performances de leurs joueurs7. L'un des principaux avantages de cet outil est sa capacité à fournir des données en temps réel, rapidement. Cependant, au fil du temps, deux limitations majeures sont apparues :
1. Faible fréquence d'échantillonnage : Le GPS offre une fréquence d'échantillonnage limitée, entre 5 et 10 Hz, ce qui rend ses données moins fiables pour les changements de direction, les accélérations et les décélérations.
2. Limitation aux espaces extérieurs : En raison de sa dépendance aux signaux satellites, le GPS est principalement utilisable pour les sports pratiqués en extérieur.
Pour surmonter ces problèmes, le LPS a été développé. Utilisant un réseau local d'antennes et de transpondeurs, le LPS fonctionne à la fois en intérieur et en extérieur et offre des fréquences d'échantillonnage plus élevées (15 Hz et 20 Hz), garantissant ainsi une mesure plus précise et adaptée aux dynamiques rapides des sports modernes.
Le fonctionnement du LPS repose sur l'utilisation de capteurs portés par les athlètes, qui émettent des signaux à travers des ondes radio. Ces signaux sont captés par des antennes disposées autour du terrain. Les informations captées sont ensuite relayées à une station de base via un réseau étendu. À la station de base, les données reçues sont transformées en coordonnées de position, précisément suivant les axes x (antéro-postérieur), y (transversal), et z (longitudinal), permettant ainsi une analyse tridimensionnelle du mouvement des athlètes8.
Figure 1. Illustration de la disposition des antennes autour du terrain et des capteurs placés sur les athlètes
Le LPS a prouvé sa validité pour mesurer la vitesse moyenne, mais il présente encore des limites pour les mesures d’accélération, de décélération, de vitesse instantanée, et de changements de direction. Une étude menée par Sathyan et al., en 2012, a relevé une erreur systématique dans les mesures de distance : environ 2% en intérieur, contre 1,3% en extérieur, mettant en évidence les défis techniques inhérents aux environnements clos. Malgré ces défis, l'utilisation du LPS, ainsi que celle du GPS, est devenue courante parmi les équipes techniques dans les sports, et leur utilisation est susceptible de s'accroître avec le temps .
B. Comment mesurer la position
Pour déterminer la position précise des athlètes, les LPS mettent en œuvre quatre catégories d'algorithmes basés sur l'estimation des mesures :
1. Temps d’arrivée (TOA) : Il s'agit de mesurer le temps que met un signal à se propager de l'émetteur au récepteur. Cela permet de déterminer la distance parcourue par le signal, offrant ainsi une indication de la distance entre l'émetteur et le récepteur.
2. Angle d’arrivée (AOA) : Cette méthode mesure l'angle sous lequel les signaux atteignent le capteur de réception. Elle est utilisée pour déterminer la direction d'où provient le signal, ce qui aide à localiser partiellement la position de l'athlète sur le terrain.
3. Intensité du signal reçu (RSSI) : Basée sur la force du signal radio provenant de différents points d'accès, cette mesure indique que plus un athlète est proche d'une antenne, plus le signal reçu sera fort, et vice-versa.
4. Différence de temps d’arrivée (TDOA) : Cette technique mesure les différences de temps d'arrivée des signaux à différents capteurs. Elle calcule les écarts entre les temps d'arrivée pour établir la position relative de l'émetteur par rapport aux capteurs.
De même, le LPS intègre diverses technologies pour réaliser ses mesures, chacune ayant ses particularités :
1. Système à bande ultra-large (Ultra-wideband, UWB) : Couramment utilisé dans les LPS, l'UWB est une technologie sans fil qui émet des impulsions ultra-courtes. Cette méthode permet de localiser les positions des joueurs avec une grande précision sur des surfaces allant de 15 à 25 mètres, offrant ainsi les mesures les plus exactes parmi les technologies disponibles.
2. Infrarouge : Ce système utilise un émetteur et plusieurs récepteurs infrarouges. Les capteurs infrarouges peuvent détecter les signaux dans un rayon de 57 cm à 2,3 mètres. Les récepteurs sont disposés autour de la pièce pour former un réseau qui recueille les informations transmises.
3. Radio Fréquence : Cette technologie utilise des ondes radio pour communiquer entre les émetteurs et les récepteurs, permettant une couverture étendue et moins susceptible aux obstacles physiques comparée à l'infrarouge.
4. Bluetooth : Le Bluetooth permet la communication sans fil sur de courtes distances. Bien qu'il soit moins utilisé pour des mesures précises de position, il est efficace pour des applications où la portée et la précision extrême ne sont pas critiques.
5. Wi-Fi : Similaire à la radiofréquence, le Wi-Fi utilise des ondes pour émettre des signaux à travers des routeurs et des antennes. Il est souvent utilisé dans les environnements où l'infrastructure Wi-Fi est déjà en place, permettant un déploiement facile et rapide.
C. Domaine d’application
Le LPS trouve son utilité principalement dans les sports collectifs, surtout pour les activités indoor où le GPS est moins efficace. Cet outil facilite la collecte quotidienne de données pendant les matchs et les entraînements, permettant aux entraîneurs de suivre de manière hebdomadaire, voire quotidienne, la charge d'entraînement de chaque joueur. L'utilisation du LPS est particulièrement précieuse pour monitorer la progression d’un joueur lors de son retour à la compétition après une blessure, offrant ainsi un outil pour la gestion de la réhabilitation.
D. Mesurer l’utilisation des LPS
Bien que le LPS ait été scientifiquement validé pour son efficacité, une utilisation judicieuse et une interprétation correcte des données qu'il fournit sont cruciales. Les entraîneurs doivent comprendre non seulement les chiffres mais aussi ce que chaque mesure implique. En particulier, les valeurs relatives aux accélérations et décélérations peuvent ne pas refléter entièrement la réalité des mouvements des athlètes. Par conséquent, il est essentiel de prendre en compte les limitations de ces mesures et d'adopter une approche critique lors de l'analyse des résultats, afin d'éviter des conclusions erronées basées uniquement sur les données brutes. La compréhension approfondie des métriques que le fabricant du LPS calcule et mesure est donc indispensable pour garantir une interprétation précise et utile. En effet, le processus de filtrage n'est généralement pas divulgué par les fabricants en raison de la nature propriétaire et des préoccupations de propriété intellectuelle5, compliquant davantage la compréhension de la validité des mesures. Ceci est particulièrement pertinent à aborder dans la recherche et la pratique liées aux sports de petit terrain, car la précision des LPS est affectée par les changements rapides de vitesse et de direction4, qui sont courants dans ces sports.
Références :
1 Portes et al., (2020)
2 Puente et al., (2017)
3 Pino-Ortega et al., (2019)
4 Ogris et al., (2012)
5 McLean et al., (2019)
6 Mainetti Patrono et Sergi, (2014)
7 Hoppe et al., (2018)
8 Sathyan et al., (2012)
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