GPS, hoe werkt dat nu eigenlijk?

GPS ontvangers zijn op dit moment niet meer weg te denken uit ons leven. We gebruiken ze om ons in de auto naar onze bestemming te laten begeleiden, om ons te vertellen waar we ons op het water bevinden en om een logistiek centrum automatisch te laten weten waar bepaalde wagens zich bevinden. Maar hoe werkt GPS nu eigenlijk?

De geschiedenis van GPS

GPS, wat staat voor Global Positioning System, is ontstaan in de jaren '70. Het Amerikaanse leger bracht vanaf dat moment speciale satellieten in banen rond de aarde, die als enige doel hadden om het mogelijk te maken op aarde je positie nauwkeurig te bepalen. De Amerikanen hadden er toen een militair doel mee, namelijk het bepalen van de positie van legeronderdelen en het automatisch laten vliegen van geleide raketten. Een doel dat nu ook nog steeds met GPS wordt bereikt overigens. Nadat begin jaren '90 alle 24 satellieten in hun baan om de aarde waren gebracht, kon met een GPS-ontvanger de positie op aarde tot op enkele meters nauwkeurig worden bepaald.

Die nauwkeurigheid was leuk voor de Amerikanen, maar ze wilden niet dat anderen daar gebruik van konden maken. En om die reden introduceerden ze een kunstmatig foutsignaal, Selective Availability, dat de nauwkeurigheid voor de rest van de wereld verslechterde tot enkele honderden meters. Zo konden de Amerikanen bijvoorbeeld hun kruisraketten tot op enkele meters nauwkeurig ergens laten inslaan, maar konden anderen GPS daar niet voor gebruiken.

Sinds 1 mei 2000 echter staat, op last van de Amerikaanse president, Selective Availability weer uit. Dit kon omdat nieuwe technieken het mogelijk maken om Selective Availability per regio weer in te schakelen. Dus: een goede nauwkeurigheid in de westerse wereld, maar een grotere afwijking in bijvoorbeeld Afghanistan. Dit maakt het voor ons dus mogelijk onze positie tot op enkele meters nauwkeurig te bepalen.

Hoe bepaalt een GPS ontvanger zijn positie?

Er draaien 24 satellieten rond de aarde, deze staan op een afstand van ongeveer 20.000km. De GPS satellieten draaien in ongeveer 12 uur rond de aarde. Een GPS satelliet heeft een atoomtijdklok aan boord, waarvan hij de exacte tijd met zijn GPS signaal meestuurt. Door het ontvangen van de GPS signalen van meerdere satellieten kan het tijdsverschil tussen de GPS signalen bepaald worden. En door de exacte positie van de satellieten en het exacte tijdsverschil van de GPS signalen te combineren is het mogelijk om de exacte positie te bepalen van de GPS ontvanger. Voor een nauwkeurige positie is het nodig om van minimaal 3 satellieten een goed GPS signaal te ontvangen, als tenminste de exacte tijd bekend is. Hierdoor kan een driedimensionaal snijpunt worden berekend van drie bollen. Aangezien vrijwel geen enkele GPS ontvanger (zeker de consumentenmodellen niet) een atoomklok heeft, is er een vierde satelliet nodig om die atoomtijd te ontvangen. Bij minder satellieten neemt de nauwkeurigheid af of is de positie niet te berekenen.

Hoe nauwkeurig is de bepaalde GPS positie?

Sinds Selective Availability uit staat zijn er maar een beperkt aantal foutbronnen die een kleine foutmarge introduceren: de plaatsing van de te ontvangen satellieten ten opzichte van elkaar, de afwijking van de atoomklok in een GPS satelliet, een afwijking van de plaats van een satelliet in de ruimte, afbuiging van het GPS signaal in de ionosfeer (de bovenste luchtlagen rond de aarde), de afbuiging van het GPS signaal in de troposfeer (de onderste luchtlagen rond de aarde) en het zogenaamde "multipath reflection" (zie verderop).

Van de meeste foutbronnen is de afwijking behoorlijk te corrigeren, omdat de afwijking grotendeels bekend is. De afwijking door de plaats van de satellieten ten opzichte van elkaar kan niet gecorrigeerd worden, maar is wel te berekenen. De atoomklok en de plaats van de satelliet in de ruimte worden door het Amerikaanse leger bijgestuurd. Ook de invloed van de luchtlagen is behoorlijk bekend en kan dus gecorrigeerd worden.

Wat rest is dus de multipath reflection, een afwijking die optreed omdat het GPS signaal mogelijk door andere objecten is weerkaatst voordat het de ontvanger bereikt. Voor de meeste mensen die een televisie hadden die aangesloten was op een buitenantenne aan het huis is dit een bekend verschijnsel. Tv-signalen hebben ook last van multipath reflection, waardoor soms schaduwen in het televisiebeeld optreden omdat het tv-signaal in de buurt door een flatgebouw werd weerkaatst en tweemaal werd ontvangen. Bij een GPS-ontvanger gebeurt iets dergelijks, waardoor het tijdsverschil tussen de GPS-signalen gaat verschillen en dus de berekende positie ook.

In de praktijk is de nauwkeurigheid in het open veld rond de drie tot vijf meter, omdat de ontvangstcondities daar optimaal zijn. In een bebouwd gebied kan de nauwkeurigheid teruglopen tot tien of twintig meter, omdat daar vaak minder satellieten te ontvangen zijn en de omliggende bebouwing de genoemde multipath reflection fout introduceert. In zeer smalle straten kan de GPS ontvangst zelf wegvallen en is de positie niet meer te bepalen.

Overigens is het door toepassing van Differential GPS mogelijk om vrijwel alle afwijkingen op te heffen en een nauwkeurigheid van enkele centimeters te bereiken. Dit werkt met een extra GPS ontvanger, waarvan de positie exact bekend is. Deze GPS ontvanger stuurt de afwijking van zijn positie via een zender naar andere GPS ontvangers, die deze afwijking dan ook toepassen op de eigen positie. Dit werkt echter maar binnen een beperkte afstand van de Differential GPS zender en wordt vooral gebruikt door landmeters en agrarische bedrijven.

Waar wordt GPS nu voor gebruikt?

Naast het militaire gebruik wordt GPS op dit moment het meest gebruikt om te navigeren. Navigatiesystemen voor in de auto worden nu gemeengoed en begeleiden ons nauwkeurig en snel naar de gewenste bestemming. Op het water zorgen navigatiesystemen ervoor dat we ons in en niet naast de vaargeul bevinden, ook als het zicht op de boeien minder is. En in sportvliegtuigjes weten we in één oogopslag waar we zijn en wat de richting is waarin we moeten vliegen om ons bestemmingsvliegveld te naderen.

Ook wordt GPS steeds meer ingezet om voertuigen en kostbare lading te volgen. Politieauto's worden real-time gevolgd door de meldkamer, waardoor de dichtstbijzijnde auto sneller naar een ongeval of inbraak kan worden gestuurd. En een transporteur weet op elk gewenst moment waar zijn tientallen vrachtauto's zijn, zodat hij ze zo efficiënt mogelijk kan inzetten. En middels een navigatiesysteem kunnen de bestuurders van deze voertuigen de plaats van bestemming dan snel en zeker bereiken.

De laatste toepassing is gebruik in de recreatieve sfeer: motorrijden, fietsen, wandelen en geocaching. Hierbij is het niet de bedoeling om zo snel mogelijk van A naar B te komen, maar om een mooie route te volgen of om een verstopte schat te vinden.

Kunnen we op GPS vertrouwen?

In principe wel, maar we moeten wel in gedachten houden dat het GPS systeem een Amerikaans systeem is, wat door de Amerikanen gecontroleerd wordt. Zo zou het Amerikaanse leger Selective Availability weer in kunnen schakelen, wat echter niet waarschijnlijk is. En de Europese Gemeenschap is druk bezig met een eigen GPS systeem, genaamd "Galileo", wat puur voor commerciële doeleinden bedoeld is. Galileo gaat een systeem gebruiken waar gratis positiebepaling mogelijk is met ongeveer dezelfde nauwkeurigheid als het GPS systeem en tegen betaling  een grotere nauwkeurigheid en betrouwbaarheid. De invoering van Galileo zou dus de afhankelijkheid van het systeem uit de VS kunnen opheffen.

Waar we als GPS gebruikers wel rekening mee moeten houden is de omgeving waarin we een GPS ontvanger gebruiken. Er is voor navigatie een groot verschil tussen het gebruik in het open veld of op het water enerzijds en gebruik tussen bebouwing of onder een dicht bladerdak aan de andere kant. In het laatste geval kan het best zo zijn dat het navigatiesysteem ons linksaf laat slaan een doodlopende straat in, gewoon omdat de GPS ontvanger "denkt" dat we al 50 meter verder zijn ter hoogte van de volgende doorgaande weg.

Ook voor het opsporen van kostbare lading moet rekening gehouden worden met de beperkingen van het GPS systeem. Een gestolen zeecontainer met een GPS lokatiebepalingsysteem zal van slag raken als de GPS ontvanger geen GPS satellieten kan ontvangen. En als dat pas de laatste tientallen meters is, omdat de container een loods binnengereden is, dan is dat te overzien. Maar als de dief de antenne van de ontvanger moedwillig blokkeert, dan is de laatst bekende positie de plek waar de antenne gesaboteerd is. En dan heeft het weinig zin de politie daar naartoe te sturen.

Conclusie

Het GPS systeem maakt het ons mogelijk om meestal vrij nauwkeurig onze positie te bepalen. Dit heeft onze samenleving verrijkt met nuttige diensten en veelzijdige recreatieve toepassingen. GPS valt dus niet meer weg te denken!

WAAS/EGNOS

U heeft gehoord van de term WAAS/EGNOS, heeft het gezien op een verpakking en in advertenties van Garmin producten, en weet zelfs misschien dat het staat voor Wide Area Augmentation System. Ok, Maar wat is het? Simpel, het is een web van satellieten en grondstations die een GPS corectie signaal genereren, die er voor zorgen dat u een nog preciezere locatie geven. Hoeveel beter? Gemiddeld tot vijf keer beter. Een WAAS/EGNOS ondersteunende ontvanger geeft u in meer dan 95% van de gevallen een positie die preciezer is dan 3 meter. En daar hoeft u geen extra ontvanger systemen voor aan te schaffen of een abonnement af te sluiten.

WAAS staat voor Wide Area Augmentation System. Een systeem voor het opheffen van de fouten die ontstaan in de GPS positieberekening als gevolg van ionosferische afwijkingen in het GPS signaal. Het signaal wordt uitgezonden door de geo-stationaire inmarsat satellieten. Het europese signaal ( van EGNOS ) wordt uitgezonden door de AOR-E satelliet die dan PRN nummer 33 heeft. Dezelfde satelliet verzorgt ook het WAAS signaal voor de amerikaanse oostkust maar heeft daarvoor PRN nummer 35.

Het ontstaan van WAAS

De Federal Aviation Administration (FAA) en de Department of Transportation (DOT) zijn WAAS aan het ontwerpen voor gebruik bij precisie vluchten. Dit namelijk omdat GPS alleen niet voldoet aan FAA's navigatie eisen voor precisie, integriteit en beschikbaarheid. WAAS corrigeert GPS signalen die verlopen door atmosferische omstandigheden, timing en satelliet fout errors, en verzorgt vitale informatie over de algehele gesteldheid van de satelliet. Ondanks dat WAAS nog niet geschikt is voor de overheid, het systeem is wel bruikbaar voor particulier gebruik zoals vaarliefhebbers en voor recreatieve GPS gebruikers.

Hoe werkt het

WAAS bestaat in Amerika uit circa 25 grondstations gepositioneerd over het gehele land, in Nederland is ons niet bekent hoeveel er geplaatst zijn. Verder bestaat het uit twee hoofdstations, gepositioneerd aan beide kanten van Amerika aan de kust deze stations verzamelen de informatie van alle andere grondstations en genereren een correctie signaal. Dit kan omdat de grondstations hun eigen locatie precies weten en dit dan verrekenen met het signaal dat ze van de satellieten doorkrijgen. Dit signaal kan namelijk zijn verlopen door atmosferische omstandigheden. Het correctie signaal word dan verzonden naar een of twee geostationaire satellieten, of satellieten met een positie over de evenaar. De informatie komt overeen met het standaard GPS signaal, wat betekend dat elke WAAS ondersteunende GPS ontvanger dit signaal kan lezen.

Wie kan er gebruik van maken.

In principe iedereen die een GPS ontvanger heeft die ook WAAS ondersteund. Sinds April 2003 is WAAS ook in Nederland in test werking gesteld. Waarschijnlijk vanaf eind 2006 is het definitief operationeel

Het WAAS satelliet nummers die uw moet zien verschijnen (nadat u Waas ingesteld heb in het menu van uw gps) is 33 voor Europa en 35 voor de USA! U ziet een D in de satellietbalk verschijnen wanneer er data ontvangen wordt.

• 100 meters: Precisie van het originele GPS systeem, Wat een opdracht was van de government-imposed Selective Availability (SA) program.
• 15 meters: GPS precisie voor een ontvanger zonder SA.
• 3-5 meters: Met Differentiaal GPS (DGPS) ondersteuning.
• < 3 meters: Met WAAS ondersteuning.

Laatste wijziging: 16 Mar, 2023
Alle vermelde prijzen zijn inclusief 21% BTW