Velen van ons gebruiken een GPS-ontvanger in de auto of camper. Maar hoe werkt die nu eigenlijk?
GPS (Global Positioning System) is een satellietplaatsbepalingssysteem. Met GPS werd het voor het eerst mogelijk om vrijwel overal te navigeren. GPS was oorspronkelijk bedoeld voor Amerikaanse militaire doeleinden. Om te voorkomen dat andere landen gebruik zouden kunnen maken van dit systeem, werd met elk signaal een stukje foutieve informatie verzonden (Selective Availability). Hierdoor was het systeem voor publiek gebruik onnauwkeurig. In 2000 werd de Selective Availability definitief uitgeschakeld, waardoor het nu zelfs mogelijk is om een nauwkeurigheid tot op 1 meter te krijgen.

Waaruit bestaat een GPS-systeem?
Het GPS-systeem bestaat uit 3 segmenten: een ruimtesegment (de satellieten), een controlesegment (de grondstations) en een gebruikerssegment (GPS-ontvanger van gebruiker).Het ruimtesegment bestaat uit 24 satellieten . Hiervan zijn er 21 actief en drie zijn reserve. De satellieten draaien in zes circulaire banen rond de aarde, op een hoogte van ongeveer 20.000 kilometer. Hun banen zijn zo bepaald dat een GPS-gebruiker op elk moment signalen van tenminste vier satellieten kan ontvangen. Elke satelliet stuurt twee signalen uit. Een voor militair en een voor publiek gebruik. De publieke signalen bevatten steeds het satellietnummer, de exacte positie van de satelliet en de exacte tijd van verzending. De signalen die worden uitgezonden reizen met de snelheid van het licht naar de aarde, maar ze zijn zeer zwak. Daarom is de ontvangst in steden minder goed dan in open vlaktes.

Het controlesegment bestaat uit controlestations waaronder een ‘master-control station’. Voortdurend sturen satellieten informatie over hun positie door naar deze controlestations. De satellieten kunnen lichtjes afwijken van hun baan. Op basis van de informatie die het ‘master-control station’ via de controlestations ontvangt, worden afwijkende gegevens aangepast en naar de satellieten teruggestuurd. Ook wordt gezorgd dat steeds minstens 21 satellieten in een optimale ruimtelijke opstelling beschikbaar zijn, zodat elke gebruiker altijd signalen van minimaal vier satellieten kan ontvangen. Het gebruikerssegment bestaat uit de gebruiker en zijn GPS-ontvanger. Hieronder verstaan we dus alle hardware en software die nodig is om de GPS-signalen te ontvangen en in een bruikbaar formaat weer te geven. De hardware omvat een antenne, een ontvanger, een signaalprocessor en een scherm. De software, die in de GPS-ontvanger is opgeslagen, zorgt voor de berekeningen op basis van de ontvangen informatie. Onze huidige positie, bewegingssnelheid, bewegingsrichting en tijd worden berekend en vervolgens op het display getoond.

Hoe werkt GPS?
Het principe van onze plaatsbepaling bestaat uit de driehoeksmeting. Als we onze afstand tot drie satellieten heel nauwkeurig kunnen meten, dan kunnen we ook onze positie afleiden. De GPS-ontvanger moet dus twee gegevens kennen: de locatie van deze satellieten en hun afstand tot de ontvanger. We kunnen de afstand van de satellieten bepalen door te meten hoe lang een satellietsignaal er over doet om de ontvanger te bereiken. De positie van de satellieten kunnen wij bepalen uit de signalen die zij continu sturen over hun exacte positie. Deze informatie wordt opgeslagen in het geheugen van de GPS-ontvanger, zodat deze de banen en de positie van de satellieten kent. Nu de ontvanger de exacte locatie van de satellieten kent, kan hij bepalen hoe ver de satellieten van hem verwijderd zijn. Immers de afstand van de ontvanger tot de GPS-satelliet is gelijk aan de (licht)snelheid van het verzonden signaal vermenigvuldigd met de tijd die het signaal nodig heeft om de ontvanger te bereiken (afstand=snelheid x tijd). Omdat de tijden tussen verzenden en ontvangen van de signalen door de lichtsnelheid zo kort zijn, zullen we heel precieze klokken nodig hebben om de metingen te doen. Een fout van een fractie van een seconde kan een verschil in locatie van enkele honderden kilometers betekenen! Omdat het meten van de reistijd van de signalen zo belangrijk is, gebruiken we nauwkeurige klokken. Ook moeten satellieten en GPS-ontvangers constant signalen met elkaar synchroniseren. Door al deze zaken moeten de klokken van zender en ontvanger exact gelijk staan. Echter de satellieten hebben zeer nauwkeurige atoomklokken en de klok van de ontvanger is een gewone kwartsklok (zoals in kwartshorloges). De kwartsklok is lang niet zo nauwkeurig als de klok van de satelliet. Als de GPS-ontvanger ook over een atoomklok zou beschikken zou die veel groter en duurder zijn. Echter hier is iets op gevonden. De perfecte tijdsmeting schuilt in het toevoegen van een vierde satelliet. Als we met drie perfecte metingen een punt kunnen lokaliseren in een driedimensionale ruimte, dan kunnen we met vier imperfecte metingen hetzelfde doen. Dus met behulp van de vierde satelliet en heel wat wiskundige berekeningen kan een GPS-ontvanger elke mogelijke onjuistheid in de klok wegwerken.

Mogelijke fouten
Toch zijn er nog een aantal invloeden die er voor kunnen zorgen dat het systeem niet zo perfect werkt. Daarom moet een GPS-systeem voortdurend correcties uitvoeren. Een eerste fout zit al onmiddellijk in de basis van het hele GPS-systeem. We hebben gezegd dat de afstand tussen een satelliet en een ontvanger gelijk is aan het product van de snelheid en de reistijd van een verzonden signaal. Echter als een signaal door de atmosfeer reist, zal het een vertraging oplopen, waarvan het effect op de berekeningen te vergelijken is met die van slecht afgestelde klokken. Bovendien stoppen de problemen voor het GPS-signaal niet bij de grond. Het signaal wordt immers teruggekaatst op allerlei storende voorwerpen (zoals hoge gebouwen, brugconstructies). De ontvangers gebruiken speciale technieken om deze fouten tot een minimum te beperken. Zelfs bij de satelliet kunnen zich een aantal problemen voordoen. In de atoomklokken kunnen zich kleine afwijkingen voordoen en de satelliet kan soms licht van zijn baan afwijken (ondanks de strenge bewaking vanuit de controlestations). Elke verandering in de baan kan een fout veroorzaken. Wanneer een GPS-ontvanger satellieten gebruikt uit hetzelfde gedeelte van het luchtruim, dan wordt het moeilijker om de positie te bepalen. Als de gebruikte satellieten beter zijn verspreid, dan wordt de afwijking in de berekening van de positie kleiner.

Toepassingen
Hieronder volgen enkele van de vele toepassingen:

  1. vervoermiddelen: wagens, boten, vliegtuigen;
  2. buitensporten: wandelen, fietsen, trektochten;
  3. spelen: geocaching;
  4. industrie: de tunnel van Dover naar Calais werd van beide kanten naar elkaar toe gegraven. Dankzij GPS-toestellen konden de arbeiders elkaar in het midden van de tunnel treffen;
  5. in combinatie met GSM: personen in nood kunnen coördinaten doorsturen om opgespoord te worden.

Piet van den Bosch