GPS

Het Global Positioning System (GPS) is een navigatiesysteem dat met satellieten werkt. Het systeem is ontwikkeld door het Amerikaanse Ministerie van Defensie(Department of Defence, DoD). Het heeft echter de belangstelling gewekt van een groot aantal andere gebruikers, omdat het nauwkeurig driedimensionale plaatsbepaling en snelheidsinformatie over de gehele wereld kan leveren. Op aarde is een positiebepaling mogelijk met een onnauwkeurigheid van enkele tientallen meters. De plaatsbepaling is gebaseerd op meting van de tijd die een signaal onderweg is om vanaf een satelliet de ontvanger te bereiken. Het signaal bevat onder andere het tijdstip van uitzenden en informatie over de baan van de satelliet. Met de baangegevens kan bij de ontvanger de positie van de satelliet op het tijdstip van uitzenden worden bepaald. Door de meting te verrichten met vier satellieten, kan een driedimensionale kruispeiling worden verricht. De GPS-ontvanger weet dus ongeveer waar die zich bevindt. Plaatsbepaling op aarde Korte historie & informatie over plaatsbepaling als oplossing Historie In de geschiedenis van de scheepvaart heeft men altijd willen weten waar het schip zich bevond. Deze voorgaande zin, geeft duidelijk weer dat men al eeuwen bezig is met het bepalen van je positie. Door de eeuwen heen heeft men allerlei manieren uitgevonden om de plaats te bepalen. De vooruitgang van de micro-elektronica zorgde ervoor dat in 1967 een systeem in gebruik werd genomen dat zowel op land als op zee de plaats exacter kan weergeven. Dit was een begin van het Global Positioning System. Sinds 1973 wordt er serieus aan gewerkt om dit systeem zo nauwkeurig mogelijk te krijgen. Vanaf het moment dat de mens rechtop ging lopen en met verkenning van de aarde begint, zocht men naar een manier om te bepalen waar men zich bevond. Voor de eerste zeevaarders was de sterrenhemel het enige houvast als er geen herkenbare kust meer in zicht was. De sterren staan zo ver weg dat ze vanuit iedere plek op aarde precies hetzelfde lijken. De enige manier om er gebruik van te maken is bij een heldere nacht. De nauwkeurigheid lag bij benadering op ongeveer 1 mijl. In de 16de eeuw waren er maar een aantal primitieve navigatie instrumenten. Magellan, die in 1519 uitvoer, bezat maar een aantal zeekaarten, blanke perkamenten en een aantal kompassen. Cook's reizen in de 18e eeuw waren uitgerust met iets moderne navigatie apparatuur. Dit was de chronometer. Hiermee kon met precieze meting van de tijd, de longitude, westelijke en oostelijke posities worden bepaald relatief ten opzichte van een bepaald vast punt. Hierna was het een lange tijd stil op navigatie gebied, totdat de computers in beeld kwamen... Vanaf de jaren '40 ging men voor het eerst met elektronische apparatuur toepassen. Decca en Loran zijn hiervan een begin, dit waren systemen met zenderketens die in de kustwateren staan. Het grote nadeel van dit systeem is dan ook dat het bereik onvoldoende is voor de rest van de zee‰n. De komst van de ruimtevaart bracht nieuwe mogelijkheden door middel van satellieten. Vanaf 1967 is het systeem SATNAV(SATellite NAVigation) in gebruik genomen. Het nadeel hiervan is dat de satellieten in een relatief lage baan draaien. Omdat er toen nog niet zoveel satellieten gelanceerd waren, kon men toen niet zo vaak een positie berekenen. In 1973 is er flink gesleuteld aan het systeem en daar kwam het GPS uit.
NAVSTAR G.P.S. is een plaatsbepalingssysteem dat onder beheer valt van het Ministerie van Defensie van de Verenigde Staten. Dit systeem wat men sinds 1973 gebruikt, wordt ook wel NAVSTAR genoemd, wat staat voor "NAVigation by Satellite Timing And Ranging". Het systeem bestaat uit 3 delen: 1) Space segment: Dit bestaat uit 21 satellieten en drie reserve satellieten. Deze satellieten worden ook wel aangeduid met SV van "Space Vehicle"(ruimtevaartuig). Ze draaien op een baan om de aarde op 20.200 km, onder een hoek van 55 graden met een draai-periode om de aarde van 12 uur. De ruimte tussen de satellieten is zo opgesteld, dat op elk punt op aarde minimaal 4 satellieten zichtbaar zijn. 2) User segment: Dit zijn de GPS ontvangers op aarde. Dit user segment heeft niets te maken met het DoD. Deze user segment bestaat voornamelijk uit hardware en software die gebruikt wordt, dit zijn meestal stand-alone sets of geintergreerd in een ander geheel. 3) Control Segment: Dit zijn een aantal volgstations op aarde die onder andere allerlei parameters van de satellietbanen berekenen. Met deze parameters is het mogelijk op elk gunstig tijdstip de positie van de satellietbanen te berekenen. De satellieten zenden voortdurend pulstreinen uit. Met de ontvanger kan het tijdstip waarop deze pulstreinen de ontvanger binnenkomen worden gemeten. Naast de pulstreinen krijgt de ontvanger ook een zogenaamde boodschap mee. In die boodschap is onder andere vermeld welke satelliet het is en waar die zich bevindt. Het belangrijkste wat deze boodschappen meevoeren zijn de baanparameters (positie van de satelliet) en het exacte tijdstip van uitzenden. Meten we nu naar drie verschillende satellieten de afstand dan kunnen we drie vergelijkingen opstellen en daar de afstand naar de ontvanger berekenen. Deze berekening worden uitgevoerd met een aan de ontvanger gekoppelde computer. Met dit systeem kan op elke plaats ter wereld binnen een half uur de bijna exacte standplaats worden bepaald. Hieronder staan de vergelijkingen afgebeeld voor 4 satellieten: Het systeem GPS Technische omschrijving van het systeem Het principe van het GPS is het meten van de afstand van een punt op aarde naar een aantal satellieten. Daarvoor zijn 21 satellieten en drie reserve satellieten nodig, beide met zender, een radiosignaal, een ontvanger en vijf volgstations. Deze onderdelen samen leveren een zeer nauwkeurige plaatsbepaling op, waar ook ter wereld. Het belangrijkste onderdeel van het G.P.S. zijn de satellieten. Deze bevinden zich op een hoogte van ruim 20.000 kilometer in vooraf vastgestelde banen, zoals op de onderstaande afbeelding. PRC De omlooptijd is ongeveer 12 uur, zodat ze twee keer per etmaal een van de vijf volgstations op aarde passeren. Deze vijf controle- of volgstations zijn nodig om omloophoogte, positie en omloopsnelheid van de satellieten bij te sturen. De positie van de satellieten verandert dan niet buiten de vastgestelde banen. De volgstations komen aan de benodigde gegevens door de satellieten die, naast een Pseudo-Random-Code, een statusrapport uitzenden met die gegevens. Die Psuedo-Random-Code (P.R.C.) wordt gebruikt om de afstand te bepalen tot een punt x op aarde en is voor elke satelliet anders, zodat de ontvanger weet met welke satelliet hij te maken heeft. De tijdsfactor is in verband met het meten van de afstand zeer belangrijk. Om een nauwkeurige plaatsbepaling continu te garanderen hebben de satellieten vier atoomklokken aan boord. De kans dat een satelliet hierdoor ooit een fout zal maken in de tijd is vrijwel 0. Ontvangers Als in punt x de positie moet worden bepaald, is een ontvanger nodig om de P.R.C. van een aantal satellieten te ontvangen. GPS ontvanger van Motorola Hoe meer satellieten tegelijk kunnen worden ontvangen en de P.R.C.'s ervan worden verwerkt, des te sneller de positie kan worden bepaald. Dit komt tot uitdrukking in het aantal kanalen dat een ontvanger heeft. De mogelijkheden bestaan uit eenvoudiger, 1-kanaals en 2-kanaals, of ingewikkelder, 4-, 6- , 8-, 10- en 12-kanaals ontvangers. Omdat toch minimaal twee satellieten nodig zijn om de plaats (X) te bepalen zijn ontvangers met meer kanalen al een stuk sneller, terwijl ze door de voortgaande ontwikkeling in de techniek bijna net zo duur zijn. Werking van het systeem De GPS-ontvanger in het punt x op aarde wil de afstand meten tot een aantal satellieten. Hij gaat daarvoor na hoelang de PRC erover doet om de ontvanger te bereiken. Dat is alleen mogelijk als de ontvanger weet wanneer de satelliet begint met uitzenden. Door zowel de satelliet als de ontvanger op hetzelfde moment dezelfde code te laten starten, kan men na ontvangst van het satelliet-signaal terugkijken wanneer dezelfde code in de ontvanger werd gestart. De verschuiving (het tijdsverschil) tussen de codes is de tijd die het satelliet-signaal nodig had om de ontvanger te bereiken. Aangezien de snelheid van het radiosignaal bekend is, 300.000 km/sec, kan met het sommetje: afgelegde afstand = tijdsverschil x snelheid de afstand worden berekend. Als nu de afstanden van twee satellieten worden gecombineerd komen we in punt x terecht. Een nauwkeurige tijdsbepaling speelt in verband met de hoge snelheid van de signalen een grote rol. De satellieten hebben daarvoor een atoomklok aan boord. In de GPS-ontvanger zit meestal een goedkopere en minder nauwkeurige kwartsklok. Omdat klokken in de satellieten en ontvangers niet synchroon lopen, kan je bij gebruik making van twee satellieten een positie krijgen die duizenden kilometers van je echte positie verwijderd is. Met drie satellieten krijg je een driehoek waarin je je bevindt. De computer in de ontvanger telt dan bij elke meting evenveel tijd bij of af net zolang tot de uitkomst van de berekening wel op een punt uitkomt.
Differentiële GPS Zeer nauwkeurige navigatie en foutcorrectie GPS bepaalt door middel van satellieten de geografische positie. Door de fouten van de satellieten en het systeem te elimineren kan het nog nauwkeuriger gemaakt worden. Met behulp van een kleine technische truc kan de nauwkeurigheid van het satellietnavigatiesysteem voor civiele toepassingen flink verhoogd worden. De voor de correctie noodzakelijke informatie kan via verschillende radioverbindingen (bijvoorbeeld FM-zenders met RDS) doorgeven worden. Beperkte onnauwkeurigheid Om ervoor te zorgen dat de hoge nauwkeurigheid alleen voor militaire en andere speciale toepassingen beperkt blijft, worden de signalen voor civiele toepassingen gemodificeerd. Op deze manier ontstaat de zogenaamde "Standard Positioning Service(SPS) with selective availability". Een particuliere gebruiker kan op deze manier bij de plaatsbepaling een nauwkeurigheid van 30 tot 100 meter bereiken. De vermindering van de nauwkeurigheid wordt op navolgende wijze doorgevoerd: de bewuste satellieten geven aan civiele ontvangers niet hun echte positie door, maar een locatie die daar iets van afwijkt. Als gevolg hiervan ontstaat ook in de ontvanger een meetfout. De opgewekte fout verandert langzaam en willekeurig. Slimme koppen hebben inmiddels een systeem ontwikkeld waarmee deze bewust doorgevoerde fout weer weggewerkt kan worden. Nauwkeuriger dankzij DGPS De fout die GPS maakt kan voor een deel verholpen worden door te stellen dat de fout die het walstation berekent ook voor de omgeving geldt. De door de militairen aangebrachte onnauwkeurigheid kan op navolgende wijze uitgeschakeld worden: Zet een GPS-ontvanger op een locatie waarvan de plaats exact bekend is. De ontvanger werkt dan als referentie en kan heel nauwkeurig vaststellen welke fout een satelliet in zijn signaal codeert. Wordt deze fout aan een andere ontvanger doorgegeven, dan kan hij op basis van deze informatie zijn locatie weer nauwkeuriger berekenen. Deze truc om de fout te elimineren noemt men Differential GPS. De informatie die het referentiestation opwekt, noemt men DGPS-correctiesignalen. De positie van het walstation is op de millimeter nauwkeurig bekend. Als de satelliet nu de puls (R1, R2, R3) afgeeft, gaat deze zowel naar de DGPS-ontvanger als naar het walstation. De ontvanger heeft nu haar positie met een fout. Het walstation heeft tevens haar positie, vergelijkt deze met de werkelijke positie en kan de fout hieruit berekenen. Deze zendt de correctiefout door naar de ontvanger. De ontvanger kan haar positie berekenen en weergeven. De nauwkeurigheid die nu verkregen wordt is kleiner dan 15 meter. Er zijn enkele wetenschappelijke systemen die een nauwkeurigheid hebben van een paar centimeter, maar deze zijn alleen voor onderzoek. Toepassingen van GPS Ter land, ter zee en in de lucht... Door de veelzijdigheid en grote behoefte aan nauwkeurige plaatsbepaling wordt GPS voor vele doeleinden gebruikt. Plaatsbepalingen van boten op zee en landmeetkunde nemen het overgrote deel voor hun rekening. De beroepsvaart kan al niet meer zonder en voor de pleziervaart is het sterk in opkomst. Voor de particulier is dit interessant geworden, doordat de producenten de markt voorzien hebben van vele apparaten en door de redelijke prijs. Dit zijn met name de kleine, draagbare types. Door de hoge nauwkeurigheidsbepaling van DGPS is het systeem uitermate geschikt voor de beroepsvaart bij het navigeren in kustwateren en het aanlopen van geulen en havens. Voor de landmeetkunde worden nagenoeg alleen draagbare ontvangers gebruikt. Een vaste ontvanger zou iedere keer weer opgesteld moeten worden, wat veel tijd kost. Ze worden onder andere gebruikt bij het inmeten van bouwkavels en voor het verkrijgen van bepaalde posities op het land. Het systeem bleek tijdens operatie "Desert Storm"( de Golf-oorlog) zeer belangrijk omdat bij de militaire operaties snelle positiebepaling vereist was. Het wordt ook door kaartmakers en pijpleiding-aanleggers gebruikt. Er zijn op dit moment ook een tiental walstations geplaatst in Engeland en Schotland. In Scandinavië wordt heel serieus gedacht aan de invoering van DGPS voor civiel gebruik. De radio-bakens zullen dan een groot deel van de Noordzee en de Oostzee dekken. Samen met nog andere toekomstplannen zal het er op neer komen dat DGPS actief zal zijn vanaf de Middellandse Zee tot en met de Noord Kaap. In de praktijk zal men op de oceaan navigeren met GPS, terwijl men bij het aanlopen van kustwateren en havens overschakelt op DGPS. Ook worden de in Europa aanwezige navigatiesystemen voor het transportvervoer aan elkaar gekoppeld en aangepast waardoor vrachtwagenchauffeurs en binnenschippers elkaar moeiteloos kunnen vinden.