Afdrukken

Het global positioning system (gps) is de commerciële naam voor een wereldwijd satellietplaatsbepalingssysteem dat vanaf 1967 werd ontwikkeld voor gebruik door de strijdkrachten van de Verenigde Staten.

Officieel heet het systeem nog steeds NAVigation Satellite Time And Ranging of NAVSTAR. Met gps werd het voor het eerst mogelijk om vrijwel overal continu te kunnen navigeren en was tot de komst van GLONASS het enige volledig operationele satellietplaatsbepalingssysteem. Het incident met de Korean Air-vlucht 007 in 1983, waarbij een Amerikaans senator omkwam, zorgde ervoor dat president Ronald Reagan het GPS-systeem vrijgaf voor civiel gebruik.

Het aantal toepassingen is sinds de ingebruikname enorm toegenomen. Aanvankelijk waren de gebruikers vooral in de militaire hoek, de geodesie en de scheepvaart te vinden. Hoewel het aantal gebruikers ook daar is toegenomen, valt dit tegenwoordig in het niet bij het aantal auto's en mobiele telefoons die met gps zijn uitgerust. Het belang van gps is dusdanig gegroeid dat de Europese Unie besloten heeft zijn eigen systeem — Galileo — te lanceren, om niet afhankelijk te zijn van de Verenigde Staten.

De nauwkeurigheid varieert afhankelijk van het gebruikte systeem en de omstandigheden van enkele tientallen meters tot enkele centimeters.

Hoewel in nieuwsberichten soms wordt gesuggereerd dat GPS-ontvangers een locatiesignaal uitzenden en derhalve volgbaar zijn, is dit onjuist. Er zijn wel gespecialiseerde volgsystemen met zenders die gebruikmaken van GPS, maar bij verreweg de meeste ontvangers is dit niet het geval. In moderne smartphones bevindt zich tegenwoordig zowel een GPS-ontvanger als een internetkoppeling, waardoor deze combinatie een basis is voor het volgen van personen.

 

Bron wikipedia.

 


Positie bepaling:

 

GPS positionering is gebasseerd op een driezijdige berekening (trilateration). In principe het bepalen van een positie d.m.v. een berekening met daarin 3 bekende posities en onze afstand naar deze 3 posities.

Stel je staat ergens in the middle of nowhere in Amerika. Je hebt geen idee waar je bent, maar je weet wel dat stad A 120 Km van je verwijderd is. Knap waardeloze info, want je weet nu nog steeds niet of je boven of onder deze stad staat. Als je een cirkel op de kaart tekent, met stad A als centrum en een straal van 120 Km, dan weet je dat je ergens op de buitenste rand van deze cirkel bent. Ontelbaar aantal posities dus (de rode lijn in onderstaande schets).

GPS - Trilateration stap 1, teken een cirkel rond stad A met een straal van 120 Km

Stel nu dat je ook weet dat je 50 Km van stad B verwijderd bent, en je tekent weer een circle met nu stad B als centrum en een straal van 50 Km. Dan zul je zien dat er twee punten zijn waar beide cirkels elkaar snijden. OK, dus je staat op 1 van deze punten. Nog niet voldoende maar wel een stuk beter. Hier aangegeven met de twee zwarte bolletjes:

GPS - Trilateration stap 1, teken een cirkel rond stad B met een straal van 50 Km

OK, als we nu de afstand naar een derde stad weten dan zijn we er. Dus stel we weten ook nog eens dat stad C 300 Km verderop light. We tekenen nu weer een cirkel op de kaart, nu met stad C als centrum en een straal van 300 Km.

GPS - Trilateration stap 1, teken een cirkel rond stad C met een straal van 300 Km

Nu houden we nog maar 1 snijpunt over waar alle drie de cirkels elkaar snijden ... geweldig, want dat is de plaats waar we nu staan (in een 2D - dus platte - ruimte)! GPS werkt met dezelfde methodiek.

Klinkt best eenvoudig als je er zo over nadenkt, toch. Bedenk wel dat diegene die deze truuc als eerste bedacht toch best pienter was ... kom er maar op!

Als we dit nog uitbreiden met een vierde punt en we maken van de iedere cirkel een bol, dan hebben we ineens ook de hoogte waarop je staat - we gaan ineens naar 3D - precies daar waar de vier bollen elkaar snijden.

Hoe wordt dit dan met satellieten gedaan?

Een GPS receiver heeft 2 dingen nodig om jouw positie te bepalen:

 

Meten van Afstand

GPS satellieten sturen een radio signaal uit die ontvangen kunnen worden door jouw GPS-ontvanger.
Hoe bepaald de GPS aan de hand van dit signaal de afstand naar de satelliet?

Een GPS ontvanger meet in principe de tijd die nodig was om een signaal van de satelliet naar jouw GPS-ontvanger te sturen. Radio signaal gaat met licht snelheid door een vacuum ruimte. Licht snelheid is ongeveer 299.792 km/s (ongeveer 186,000 m/s). Aan de hand van beide gegevens kunnen we in principe bepalen hoe ver we verwijderd zijn van deze satelliet.

Meten van Tijd

Als we de tijdsduur willen meten, moeten we er eigenlijk een soort stopwatch bij houden. Dat wordt wat lastig. We gebruiken daarom 2 klokken. Probleem hierbij is dat we beide klokken precies gelijk moeten stellen. Dit is bijzonder lastig - heb jij ooit twee horloges gezien die precies gelijk lopen?

Een oplossing zou zijn als we de ontvanger konden voorzien van een extreem nauwkeurige klok. Eigenlijk dus een atoomklok - dat is echter wel een beetje een prijzige oplossing.

Hoe lost GPS het tijdverschil op?

De satelliet verstuurd steeds een lang digitaal patroon (een zogenaamde pseudo-random code) als onderdeel van het signaal op een bepaald tijdstip. De ontvanger genereerd hetzelfde patroon en kijkt wanneer hij deze code van de satelliet ontvangt. De receiver kan zo het tijdsverschil bepalen tussen de eigen gegenereerde code en de code die de satelliet heeft uitgezonden.

Het patroon komt eerder of later aan als dat de ontv anger deze berekend heeft. Als de klokken synchroon hadden gelopen, dan ontvangt de ontvanger deze natuurlijk later.

Deze vertraging wordt dan vermenigvuldigd met licht snelheid en levert zo de afstand op t.a.v. de satelliet, als tenminste het signaal in een rechte lijn en met contante licht snelheid zou "reizen".

Om nu dit verschil in tijd te kunnen meten moeten we dus bijzonder nauwkeurige klokken hebben. Een nanoseconde verschil kan al een aardige loop afstand opleveren!

GPS hanteerd een toffe truuc hiervoor.

Iedere GPS ontvanger heeft een normale kwarts klok ingebouwd.

De ontvanger luistert naar alle satellieten die het kan ontvangen en bepaald aan de hand daarvan locatie en exacte tijd in dezelfde handeling. Bij satellieten voldoet de cirkel truuc natuurlijk niet helemaal, we hebben nu immers ook met hoogte (3D dus) te maken. Wel hebben we natuurlijk 3 bollen die ook weer 1 gemeenschappelijk punt delen.

Echter, door het klok probleem zal dit punt niet precies kloppen (er is dus geen snijpunt die doorkruist wordt door alle 3 de bollen. Deze afwijking is echter goed uit te rekenen zodat dit punt juist gecorrigeerd wordt. Nu hebben we dus wel de exacte locatie.

Niet allen dat: de afwijking wordt ook toegpast op de interne klok van de ontvanger zodat deze perfect overeenkomt met de atoom-klokken in de GPS-satellieten.

Afstandsmetingen worden nu dus bijzonder nauwkeurig, maar ook de klok van de ontvanger staat nu perfect bij!

Aanvullende problemen opgelost.

Zoals we eerder vertelden: radio signaal verplaatst met de snelheid van het licht door een vacuum ruimte. Gelukkig (in ons geval) is de ruimte op aarde niet vacuum. Dat wil zeggen dat dit van invloed is op de snelheid van het signaal. Dat niet alleen, ook weten we niet de afwijking wat betreft hoek. Het signaal legt in praktijk namelijk geen rechte lijn af!

Een GPS ontvanger gokt daarom de werkelijke snelheid aan de hand van een aantal complexe formules die een aantal atmosferische conditie mee neemt in de berekening. We berekenen dus de snelheid gecorrigeerd voor signaal door een niet-vacuum ruimte.

Het resultaat is een exacte lengte en breedte graad en een juiste hoogte van jouw positie. De werkelijke afwijking is soms tot op 5 meter nauwkeurig voor het startpunt van de meting.

Aangezien zo'n beetje de hele aarde in kaart is gebracht, kunnen we aan de hand van deze 3 getallen bepalen waar we staan. Er bestaan 3 soorten kaarten: voor varen, voor vliegen en voor gebruik bij wandelen en rijden.

 

Bron weethet.nl

 


Beschikbare sataliet systemen:

 

 Gps - AmerikaGLONASS - RuslandGalileo - Europa
Totaal aantal satellieten min. 24 + 3 24 27 + 3
Satellieten per baan 4 8 10
Aantal banen 6 3 3
Afstand tussen de banen 60° 120° 120°
Omlooptijd 11 uur 58 minuten 11 uur 15 minuten

14 uur 22 minuten

Hoogte 20 200 km 19 100 km 23 616 km

Galileo in Europa beter dan GPS:

 

Nog een paar jaar en dan is niet GPS, maar het gloednieuwe – en betere – Galileo de standaard in Europa.

GPS, we kennen het allemaal en gebruiken het voortdurend met onze smartphones en in de auto. Maar wist je dat GPS staat voor Global Positioning System en een Amerikaans satellietbepalingssysteem is? Dit betekent dat de Verenigde Staten in principe alle macht hebben en dat is de reden dat Europa zijn eigen systeem heeft opgezet: Galileo.

https://www.scientias.nl/wp-content/uploads/2018/11/gps_constellation_0-300x256.jpg 300w, https://www.scientias.nl/wp-content/uploads/2018/11/gps_constellation_0-954x813.jpg 954w" sizes="(max-width: 1024px) 100vw, 1024px">

GPS. Afbeelding: NASA.

GPS
Al sinds 1967 werd het GPS-systeem ontwikkeld en heette officieel Navstar GPS. De eerste groep satellieten ging pas in 1978 de ruimte in. GPS was bedoeld voor met name militaire doeleinden, maar ook de scheepvaart en landmeetkunde. Het satellietbepalingssysteem werd openbaar in 1983, nadat de Korean Air-vlucht 007 neergehaald werd. Dit ongeluk kwam door een navigatiefout, waardoor het vliegtuig in een verboden deel van de Sovjet-Unie terechtkwam en vervolgens beschoten werd door de Sovjet-Unie. Hierbij kwam Amerikaans congreslid Larry McDonald om het leven. Als gevolg werd GPS door president Ronald Reagan vrijgegeven voor het publiek. In 1995 waren er 24 satellieten en was het navigatiesysteem volledig operationeel. Er zijn voor GPS namelijk 24 satellieten nodig om (bijna) iedereen (bijna) overal op de wereld constant te voorzien van de mogelijkheid tot plaatsbepaling, tijdsbepaling, navigatie en andere gerelateerde zaken. Van deze 24 satellieten zijn er drie reserve. De satellieten vliegen op 20.200 km hoogte in zes verschillende vaste banen rond de aarde. Aan de hand van signalen uitgezonden door radiogolven, zeer nauwkeurige atoomklokken en slimme meetkunde, kan de positie van de gebruiker (de ontvanger) bepaald worden met deze satellieten (de zender). Dit levert een nauwkeurigheid die voor de gewone gebruiker varieert tussen 20 tot 10 meter. De militaire gebruiker kan gebruikmaken van de Precise Positioning Service (PPS) en daardoor rekenen op een veel nauwkeurigere positiebepaling.

Anti-Spoofing
Met opzet kan het signaal verslechterd worden voor ‘gewone’ civiele gebruikers. Dit heet Anti-Spoofing, waarbij in 1994 de beste code, de P-code, voor positiebepaling versleuteld wordt. Daarnaast werd met Selective Availability (SA) het signaal een tijdje nog verder gedegradeerd, maar SA is uiteindelijk met de GPS III-satellieten sinds september 2007 opgeheven. Naast deze opzettelijke verslechtering zijn er natuurlijk nog de storingen door de atmosfeer en kunnen er ook systeemfouten zijn. Door twee verschillende signalen – L1 en L2 – met elkaar te vergelijken kan vastgesteld worden hoe groot het effect van de atmosfeer is, waarna men dat effect kan corrigeren. Desalniettemin moge het duidelijk zijn dat door het belang van GPS en de macht die de Verenigde Staten daarmee hebben, andere landen op de wereld graag een eigen systeem hebben.

https://www.scientias.nl/wp-content/uploads/2018/11/beidou_og_big-70x70.png 70w, https://www.scientias.nl/wp-content/uploads/2018/11/beidou_og_big-298x300.png 298w, https://www.scientias.nl/wp-content/uploads/2018/11/beidou_og_big-200x200.png 200w" sizes="(max-width: 500px) 100vw, 500px">

BeiDou-2. De rode baan is de geostationaire, de blauwe de 21.528 km baan, grijs de geosynchrone. Afbeelding: Glonass-iac.ru.

Andere satellietplaatsbepalingssystemen
Voordat we naar Galileo gaan, zullen we eerst kijken welke andere satellietbepalingssystemen er zijn. Het Russische GLONASS werkt ongeveer hetzelfde als GPS, maar bevindt zich op 19.100 km hoogte en bestaat uit 27 satellieten (23 werkende + 4 reserve), die in drie verschillende banen vliegen. Daarnaast gebruikt GLONASS momenteel de frequentie-multiplexmethode (FDMA), in plaats van de code-multiplexmethode (CDMA) die andere systemen gebruiken. Het verschil zit hem er in dat bij CDMA de satellieten dezelfde frequentie gebruiken en de ontvanger de signalen onderscheidt door een code en zo de boodschap begrijpt, terwijl bij FDMA de frequenties van de signalen verschillen en zo de boodschap juist overgebracht kan worden. Het plan is echter om GLONASS in de toekomst ook te laten werken op CDMA.
Dan heb je het Chinese BeiDou (zie afbeelding hierboven). BeiDou-1 was de eerste editie met slechts drie satellieten in een geostationaire baan. Een nieuwe constellatie genaamd BeiDou-2 zal met 35 satellieten vanaf 2020 wereldwijd operationeel moeten zijn. Opvallend hier is de complexe constellatie: vijf satellieten in geostationaire baan (35.786 km), 27 satellieten op 21.528 km en dan nog drie satellieten in geosynchrone baan (35786 km, maar met een 55 graden inclinatie ten opzichte van de evenaar).
Verder moeten we niet vergeten dat ook ook het Japanse QZSS (drie satellieten) en Indiase INRSS (zeven satellieten) bestaan, die voor hun eigen land voor navigatie zorgen.

EGNOS
Nu komen we aan bij Europa. De ESA (European Space Agency) startte in 2005 met de European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS). Dit systeem is operationeel sinds 2009 en werd vanaf toen beheerd door de Europese Commissie en wordt nu beheerd door de in Frankrijk zittende European Satellite Service Provider. Het was bedoeld om de GPS- en GLONASS-satellieten te verbeteren door GPS- en Glonass-data te verzamelen met behulp van een complex netwerk van een heleboel grondstations en drie geostationaire EGNOS-satellieten. Hierdoor is het mogelijk om de nauwkeurigheid tot op enkele meters te krijgen. EGNOS wordt vooral gebruikt voor vliegtuigen, maritieme doeleinden, weg-en spoorweggebruikers, en zelfs voor de landbouw.

https://www.scientias.nl/wp-content/uploads/2018/11/Galileo_constellation-70x70.jpg 70w, https://www.scientias.nl/wp-content/uploads/2018/11/Galileo_constellation-300x300.jpg 300w, https://www.scientias.nl/wp-content/uploads/2018/11/Galileo_constellation-954x954.jpg 954w, https://www.scientias.nl/wp-content/uploads/2018/11/Galileo_constellation-200x200.jpg 200w, https://www.scientias.nl/wp-content/uploads/2018/11/Galileo_constellation-400x400.jpg 400w" sizes="(max-width: 1024px) 100vw, 1024px">

Galileo. Afbeelding: ESA / P. Carril.


Galileo
EGNOS is nog afhankelijk van andere satellietsystemen, daarom moest er met Galileo een onafhankelijk systeem in de ruimte komen dat ons voorziet van navigatie. In 2020 zal het af zijn en bestaat het uit:
– In de ruimte: 30 satellieten (24 operationeel, zes reserves) die zich op 23.222 km hoogte vanaf het oppervlak van de aarde bevinden. Deze zijn verdeeld over drie verschillende cirkelvormige banen (zie afbeelding hierboven). De satellieten werden/worden gelanceerd met de Soyuz en Ariane 5 lanceerraketten vanaf Kourou (Frans-Guyana). Vier satellieten in zicht van de gebruiker zijn nodig voor precieze metingen.
– Op aarde: twee controlecentra, vijf traceer- en controlestations, vijf opgaande signaalstations, zestien sensorstations. Deze hebben tot doel om de satellieten te controleren op functionaliteit, om ze te volgen en om uiteraard de navigatiedata naar de gebruiker te zenden.

Eén systeem, 27 landen
Een groot verschil met GPS, GLONASS en BeiDou is toch wel dat Galileo, in plaats van door één natie, ontwikkeld is door 27 Europese landen. Dit maakte het programma ingewikkelder, doordat het nemen van besluiten meer tijd kost. In het begin werd Galileo gefinancierd door tevens de ontwikkelaar: de ESA. Maar de financiering en het beleid is nu overgenomen door de Europese Commissie. De lidstaten zijn als het ware de aandeelhouders en medeverantwoordelijk voor de beslissingen omtrent Galileo. De communicatie gaat via het forum ‘GNSS Programmes Committee’. Daarnaast heb je nog de landelijke ruimtevaartorganisaties, zoals bijvoorbeeld het Franse CNES, het Duitse DLR of het Italiaanse ASI, die onderdeel zijn van het Galileo-programma. Verder heb je landen zoals Zwitserland en Noorwegen die lid zijn van de ESA maar niet van de EU. Deze landen betalen wel gewoon mee en nemen deel aan het Galileo-project. Aan de andere kant heb je het Verenigd Koninkrijk dat met een Brexit in een ingewikkelde situatie komt. Er wordt zelfs gezegd dat zij hun bijdrage van 1.4 miljard euro terug willen, als ze uit de EU en dus uit Galileo stappen. Dan moeten ze wel zorgen voor hun eigen systeem…

https://www.scientias.nl/wp-content/uploads/2018/11/Galileos_atop_Ariane_5-300x225.jpg 300w, https://www.scientias.nl/wp-content/uploads/2018/11/Galileos_atop_Ariane_5-954x716.jpg 954w" sizes="(max-width: 1024px) 100vw, 1024px">

Een artistieke impressie van vier Galileo-satellieten op een Ariane 5-raket. Afbeelding: ESA / Pierre Carril.

Problemen
Echt vlekkeloos is het allemaal niet gegaan voor het Galileo-project. In 2014 werden twee satellieten verkeerd gepositioneerd. Deze banen werden gelukkig gecorrigeerd. Daarna deden in 2017 enkele van de atoomklokken aan boord van de satellieten het niet goed. Elke satelliet heeft vier atoomklokken: twee rubidium- en twee waterstof-maserklokken. Deze laatste hebben als doel het Galileo-systeem veel preciezer te maken dan de concurrenten (GPS, GLONASS, etc..). Om precies te zijn, moet dit een nauwkeurigheid opleveren van tot op één meter of minder. Het bleek dat negen van de klokken – drie rubidium- en zes waterstof-maserklokken – het begeven hadden. Dit probleem is gelukkig opgelost, nadat ontdekt was dat een onderdeel van de rubidiumklokken voor kortsluiting zorgde. Daarnaast had het programma financieel ook veel moeilijkheden. De vooraf gemaakte schatting was dat het programma 3.4 miljard euro zou kosten voor de EU, maar dit is toegenomen tot 11 miljard en naar schatting gaat het systeem uiteindelijk 20 miljard kosten. Dit komt onder andere doordat de privésector aanvankelijk een groter deel van het bedrag zou betalen, maar daar uiteindelijk op terug is gekomen. De redding kwam van overheidsbijdragen. Galileo kost dus een hoop geld. Maar gedacht wordt dat rond 2020, doordat bedrijven afhankelijk worden van satellietnavigatie, de waarde van Galileo tot 244 miljard kan oplopen. Aan de andere kant, wordt daarbij de competitie tussen de verschillende navigatiesystemen over het hoofd gezien…

Toekomst
Net als bij andere navigatiesystemen zijn er bij Galileo verschillende soorten precisie-niveaus beschikbaar. Zo is voor iedereen het standaardniveau beschikbaar, maar voor betalende klanten is er nog een preciezere meting mogelijk. Behalve competitie is er ook mogelijkheid tot samenwerking tussen verschillende navigatiesystemen. Als GPS en Galileo samenwerken, kan de nauwkeurigheid in theorie komen tot op enkele centimeters. Galileo is al klaar voor gebruik en er zijn al smartphones die Galileo-signalen ontvangen, maar dit blijft bij enkele. Dit zal de komende jaren nog wel veranderen en dan zal Galileo de standaard in Europa moeten worden in plaats van GPS. Het idee is om elke nieuwe auto te voorzien van het Galileo-navigatiesysteem. Daarnaast rijden zelfrijdende auto’s in de toekomst op basis van de Galileo-navigatie. Ook worden de erg precieze klokken van het navigatiesysteem ingezet om banken en financiële transacties te optimaliseren en te versnellen. Zo zijn er nog veel meer mogelijkheden, zoals het begeleiden van blinde mensen, ondersteunen van lucht-en treinverkeer of het navigeren van mensen door gebouwen. We zullen het meemaken.

Jurjen de Jong (1993) heeft een bachelor wiskunde en bachelor natuurkunde behaald in Utrecht en een master wiskundige natuur-en sterrenkunde in Gent afgerond. En nu rondt hij de master-na-master in Space Studies in Leuven af met een stage bij de ESA. Jurjen leest graag over de verschillende ontdekkingen en ontwikkelingen op wetenschapsgebied en door er over te schrijven hoopt hij zijn kennis te delen met een groter publiek. Zijn artikelen verschijnen niet alleen op Scientias.nl, maar ook op een blog die hij recent lanceerde: Asbronomers.com. Eerder verscheen van Jurjens hand al dit interessante artikel waarin hij uitzoekt of het nodig is dat ook de ruimtevaart groener wordt. Ook zocht hij voor Scientias.nl uit of de ruimtelift werkelijk toekomst heeft. Recent publiceerde hij ook een artikel over de Parker Solar Probe: een ruimtesonde die binnenkort de zon gaat ‘aantikken’ en de veelbesproken Riemann-hypothese.

Bron: https://www.scientias.nl