Wat is GPS
GPS is de afkorting van de Engelse term “Global Positioning System”, wat in het Nederlands vertaald wordt als “Wereldwijd Plaatsbepalingssysteem”.
Het systeem bestaat uit een groot aantal (minimaal 24) satellieten die in een baan om de aarde draaien. Deze satellieten zenden radiosignalen uit. Via een zogenaamde GPS-ontvanger kun je deze signalen op de grond ontvangen. De GPS-ontvanger kan aan de hand van de signalen met verbazingwekkende precisie bepalen waar de ontvanger zich bevindt.
Naast de satellieten en de GPS-ontvangers zijn er ook nog een aantal grondstations. Deze helpen bij het vaststellen van de locatie van de satellieten.
Het GPS systeem is ontworpen en gemaakt door het Amerikaanse Ministerie van Defensie, als ondersteuning voor Amerikaanse legereenheden bij het bepalen van hun positie. De eerste satellieten werden gelanceerd in 1978, en in 1994 was het volledige aantal van 24 satellieten operationeel.
In de jaren 80 van de vorige eeuw is door de Amerikaanse overheid besloten om het systeem ook beschikbaar te stellen voor particulier en zakelijk gebruik. En het gebruik is nog gratis ook! Je moet natuurlijk wel een GPS-ontvanger of (auto)navigatieysteem aanschaffen.
Het Amerikaanse leger gebruikt als officiële naam niet GPS maar NAVSTAR, een afkorting voor “Navigation Satellite Timing and Ranging”.
Hoe werkt GPS
Het meest spectaculaire onderdeel van het GPS systeem is het netwerk aan GPS satellieten dat in een baan om de aarde cirkelt. Het zijn er op enig moment minstens 24. De satellieten bevinden zich op een hoogte van ongeveer 20.200 kilometer. Ze bewegen met een hoge snelheid, waardoor ze elke twaalf uur een volledige baan om de aarde afleggen. Door het grote aantal satellieten en de grote hoogte waarop ze zich bevinden zijn er op elke plaats op aarde altijd minstens vier satellieten ‘in beeld’, maar meestal meer.
Hoe werkt de plaatsbepaling
De functie van GPS is om overal te wereld de exacte locatie te bepalen. De GPS ontvanger voert hiervoor een knap stukje rekenwerk uit, en herhaalt dat vele keren per seconde.
De plaatsbepaling die een GPS ontvanger uitvoert, bestaat uit drie stappen:
Stap 1: de positie van de satellieten
Stap 2: afstand van satelliet tot ontvanger
Stap 3: de afstanden van de satellieten samenvoegen
GPS Plaatsbepaling stap 1
Om te bepalen waar de ontvanger zich bevindt wordt het radiosignaal van de GPS satellieten ontvangen en uitgeplozen. In het radiosignaal zitten om te beginnen de zogenaamde “almanak”-gegevens. Daarin zitten onder andere een grove aanduiding van de plaats waar de satelliet zich bevindt. Deze almanak-gegevens, van alle satellieten die ‘in beeld’ zijn, worden opgeslagen in het geheugen van de GPS ontvanger.
Omdat er door allerlei omstandigheden kleine variaties kunnen optreden in de baan van de satellieten, wordt er door de grondstations voortdurend gemeten hoe nauwkeurig het signaal van de satellieten is. Met behulp van radar wordt de exacte positie van elke satelliet bepaald, en vergeleken met de locatie volgens de almanak-gegevens. Als er afwijkingen worden geconstateerd, wordt er door het grondstation een correctiefactor bepaald en naar de satelliet doorgestuurd. Ook deze correctiefactor wordt opgenomen in het radiosignaal dat de satelliet uitzendt. Hierdoor weet de GPS-ontvanger dus voortdurend de exacte positie van alle satellieten die ontvangen kunnen worden.
GPS Plaatsbepaling stap 2
Eigenlijk is het heel eenvoudig om vast te stellen hoe groot de afstand is tussen een satelliet en de ontvanger. Het is namelijk bekend hoe snel het radiosignaal beweegt dat van de satelliet wordt uitgezonden naar de ontvanger. Radiosignalen bewegen zich namelijk met de snelheid van het licht, 300.000 kilometer per seconde. Door vast te stellen hoe lang het signaal er over heeft gedaan om van de satelliet naar de ontvanger te bewegen kan worden uitgerekend wat de afstand was.
Voorbeeld: als een auto 100 kilometer per uur rijdt, kun je uitrekenen dat de auto in 1 seconde een afstand van 27,778 meter aflegt. 100 kilometer per uur is 100.000 meter per uur. In 1 uur zitten 3.600 secondes. 100.000 meter gedeeld door 3.600 secondes is 27,778 per seconde. Als een auto die 100 kilometer per uur rijdt in een tijdsduur van bijvoorbeeld 18 seconden van punt A naar punt B rijdt, dan is de afstand tussen punt A en punt B dus 18 maal 27,778 meter, dat is 500 meter.
In het uitgezonden radiosignaal zit een zeer exacte tijdsaanduiding, afkomstig van de atoomklik in de satelliet. De ontvanger vergelijkt de tijdsaanduiding in de radiosignalen van alle satellieten die binnen bereik zijn en bepaalt dan, aan de hand van de exact bekende locatie van alle satellieten hoe lang het signaal van elke satelliet er over heeft gedaan om de ontvanger te bereiken.
De GPS-ontvanger heeft een eigen ingebouwde klok, die overigens minder nauwkeurig is dan de atoomklokken in de satellieten. Door het verschil te nemen tussen de tijd waarop het signaal is uitgezonden en waarop het is ontvangen kan de GPS-ontvanger uitrekenen hoe lang het signaal er over heeft gedaan van de satelliet naar de ontvanger. Door deze tijdsduur te vermenigvuldigen met de snelheid van het radiosignaal, 300.000 kilometer per seconde, wordt de afstand van satelliet tot ontvanger uitgerekend.
GPS Plaatsbepaling stap 3
De GPS-ontvanger bepaalt volgens de hiervoor beschreven methode de afstand tussen zo veel mogelijk zichtbare satellieten en de ontvanger zelf. In de laatste stap wordt hiermee de positie van de ontvanger bepaald.
De afstand tussen 1 satelliet en de ontvanger zegt nog maar weinig over de positie van de ontvanger. Stel dat die afstand bijvoorbeeld is vastgesteld op 22.000 kilometer. Je weet dan dat de ontvanger zich ergens op de oppervlakte van de aardbol bevindt, op 22.000 kilometer van de bekende positie van de satelliet. Er blijft dan dus een bol aan mogelijkheden over. De ontvanger bevindt zich ergens op die bol.
Door ook de bekende afstand van de derde satelliet toe te voegen (stel dat die 24 kilometer is) en de exacte locatie van die satelliet, wordt het aantal mogelijkheden teruggebracht van een grote cirkel tot precies twee punten. Deze twee punten hebben exact dezelfde positie, maar een groot verschil in hoogte.
Er zijn twee manieren om de juiste positie vast te stellen. In het ene geval wordt gebruik gemaakt van een bekende hoogte. In het andere geval wordt ook de afstand tussen de ontvanger en de vierde satelliet toegevoegd, waardoor nog maar één punt overblijft.
Hoe nauwkeurig is GPS
GPS is heel nauwkeurig, maar je moet er toch rekening mee houden dat de positie die door de ontvanger wordt aangegeven tussen de 1 en 25 meter afwijkt van de werkelijke positie.
Hoe meer satellieten de ontvanger kan ontvangen, hoe nauwkeuriger de positiebepaling. De klok in de GPS ontvanger is namelijk minder nauwkeurig dan de atoomklokken in de satellieten, maar door middel van wiskundige formules en het signaal van minimaal 4 satellieten kan de ontvanger de onnauwkeurigheid opheffen en de exact juiste tijd vaststellen.
Werkt GPS overal
Het GPS systeem werkt met satellieten die een radiosignaal uitzenden met een zeer klein vermogen (tussen de 25 en 50 Watt). Ter vergelijking, een gloeilamp is al snel 100 Watt, en een FM radiostation heeft een vermogen dat wordt uitgedrukt in duizenden Watts of miljoenen Watts. Het radiosignaal heeft een frequentie van 1575,42 MHz (Megahertz). Weer even ter vergelijking, een radiostation dat je op een radio kunt ontvangen zendt uit met een frequentie tussen 88 en 108 MHz.
Door het lage vermogen en de hoge frequentie kan het signaal van de GPS satellieten niet worden ontvangen in een gebouw of onder de grond. Er moet als het ware een zichtlijn mogelijk zijn tussen de ontvanger en de satelliet. Vergelijk het met licht, dat kan niet door muren of rotsen. Het GPS signaal is zo zwak dat het zelfs problemen kan opleveren als je met je ontvanger in een dicht bos bent.
Waarvoor kan GPS gebruikt worden
Een GPS ontvanger kan voor diverse toepassingen gebruikt worden. De meest eenvoudige toepassing is ook letterlijk de naamgever van het systeem: wereldwijd in staat zijn om precies te bepalen waar je bent. Als je weet waar je bent kun je die positie ook op een kaart afbeelden (veel GPS ontvangers doen dat automatisch aan de hand van een ingebouwde elektronische kaart).
Als vervolgens ook de bestemming bekend is (aan de hand van de kaart of de coördinaten) dan kan de GPS ontvanger een richting aangeven. Dat is een veel gebruikte manier waarop wandelaars of fietsers in de natuur hun route vinden, door een serie van tussenpunten van te voren uit te rekenen of op te zoeken, en die stuk voor stuk in het veld op te zoeken. De manier om aan die tussenpunten te komen is door gebruik te maken van een andere wandelaar of fietser die de route al eerder heeft afgelegd en onderweg op belangrijke punten (kruisingen of bochten) de locatie heeft vastgelegd. Een serie van die tussenpunten wordt een waypoint bestand genoemd. Voor veel wandeltochten of fietstochten kun je tegenwoordig waypoint bestanden kopen of zelfs gratis downloaden.
GPS wordt ook gebruikt in een navigatiesysteem in een auto. Dergelijke systemen hebben een gedetailleerde wegenkaart, die gebruikt wordt om een routebeschrijving te bepalen van vertrekpunt naar bestemming. Onderweg stelt het GPS deel van het navigatiesysteem voortdurend de actuele locatie vast, en past de routebeschrijving als dat nodig is aan.
Tenslotte kan GPS ook gebruikt worden als een soort universele klok. Zoals eerder beschreven stellen GPS ontvangers met behulp van vier of meer satellietsignalen de tijd vast. Die tijd kan gebruikt worden voor locatiebepaling, maar ook gewoon als klok.
Wat is satellietnavigatie
Satellietnavigatie bestaat niet! Dat klinkt in eerste instantie raar, maar het is toch echt waar. De GPS-satellieten zenden alleen maar radiosignalen uit waarmee een GPS-ontvanger kan bepalen waar deze zich bevindt. Vervolgens kan met behulp van ingebouwde kaarten een route worden bepaald naar de bestemming, waarna het navigeren kan beginnen.
De satellieten hebben dus in feite vrijwel niets met het navigeren te maken, dat gebeurt met de computer in de ontvanger. De satellieten zenden alleen maar hun signaal uit, en hebben er ‘geen weet van’ of deze signalen worden ontvangen of waarvoor ze gebruikt worden.