GPS

Het Global Positioning System (gps) is de commerciële naam voor een wereldwijd satellietplaatsbepalingssysteem dat in 1967 werd ontwikkeld voor gebruik door de Amerikaanse strijdkrachten.

Officieel heet het systeem nog steeds NAVigation Satellite Time And Ranging of NAVSTAR. Het systeem bestaat uit minimaal 24 werkende satellieten die in 6 vaste banen rond de aarde draaien en elk een eigen signaal uitzenden.

Met de ontvangst van minimaal vier van deze satellieten kan een gps-ontvanger zijn positie op aarde bij benadering (op ca. 10 m nauwkeurig) bepalen.

Het gps-systeem is 24 uur per dag in bedrijf, nagenoeg overal ter wereld bruikbaar en werkt onder alle weersomstandigheden. Het is een militair systeem dat de overheid van de Verenigde Staten (met beperkte nauwkeurigheid) aan iedereen beschikbaar stelt. Het gps-systeem is gemaakt voor zowel navigatiedoeleinden, geodetische puntbepaling, geografische informatiesystemen en nauwkeurige tijdsbepaling.
Inhoud

---

---

Werking

---

Gps gebruikt minimaal 24 (momenteel 35) verschillende satellieten die elk in een van de zes banen op 20.200 km hoogte cirkelen. Deze banen zijn zodanig samengesteld dat vanaf elke plaats op aarde altijd minstens 4 satellieten waarneembaar zijn.

Het meetprincipe van het Global Positioning System is gebaseerd op de afstandsmeting tussen satelliet en ontvanger en het bekend zijn van de positie van de satelliet. De afstanden tussen de satelliet en de ontvanger worden uit de gemeten looptijden van radiogolven afgeleid.

De satellieten zenden de informatie op twee frequenties uit. Op deze frequenties zijn dan met modulatietechnieken digitale codes aangebracht. Die codes bevatten informatie over de satelliet zelf, zijn Keplerse baanparameters, de onderlinge synchronisatie van de satellietklokken, en de benaderde baanparameters van alle satellieten. Deze codes vormen samen de informatie die van belang is voor de plaatsbepaling.

Het principe van het systeem berust erop dat iedere satelliet een zeer nauwkeurig radiosignaal uitzendt met daarin zijn identificatie plus een zeer precieze tijdmelding (iedere satelliet heeft meerdere atoomklokken aan boord). De baan van iedere satelliet is vooraf benaderend bekend, dus ook de plaats waar vandaan het signaal verzonden is (de precieze baan is slechts een tijdje na de meting beschikbaar en kan gebruikt worden om de nauwkeurigheid te verhogen). Door na te gaan hoeveel vertraging er is in de ontvangst van het tijdsignaal, kan de ontvanger berekenen hoever hij van die satelliet verwijderd is. Omdat de lichtsnelheid constant en in alle richtingen even groot is, wordt hiermee de ontvanger op een bol geplaatst met de satelliet in het denkbeeldige middelpunt. Ontvangst van een tweede signaal plaatst de ontvanger op een tweede denkbeeldige bol, en dus op de snijlijn van de twee 'bollen' van beide satellieten: een cirkel. Het signaal van de derde satelliet, gevoegd bij de aardbol waar de ontvanger zich ook op moet bevinden maakt maar twee punten mogelijk als oplossing van de drie satellietpeilingen. Slechts een van deze 2 punten bevindt zich op een plek in de buurt van het aardoppervlak. Doordat de klok in de ontvanger (een onnauwkeurige kwartsklok) en de satelliet onmogelijk gesynchroniseerd kunnen worden, is voor een nauwkeurige meting het signaal van een vierde satelliet nodig; dit probleem wordt ook wel de klokfout genoemd. Het probleem komt dan neer op het bepalen van een Δ t en dus Δ R van alle bollen, zodat deze precies in één punt snijden. Voor een exacte hoogteberekening op aarde zijn meer satellietpeilingen nodig. Voor het hele systeem geldt: hoe meer satellieten hoe nauwkeuriger de positie berekend kan worden.

Aanvulling en of correctie. Een GPS ontvanger weet initieel de tijd niet nauwkeurig genoeg (atoomklok-nauwkeurigheid) om de tijd te gebruiken. Twee satellieten samen leveren slechts een enkele verschiltijd tussen die twee satellieten. De GPS ontvanger moet zich dan op een Hyperboloide bevinden. Nog een satelliet (de derde) levert dan de doorsnede op van twee hyperboloiden. Samen met het gegeven dat men zich op het aardoppervlak bevindt levert dit dan een redelijke positie bepaling op in 2D. Maar in de ruimte is het nog steeds een kromme waarop de GPS ontvanger zich bevindt. Een vierde ontvanger is nodig om een punt te kunnen bepalen. Pas nadat de satelliet zijn positie heeft bepaald kan de GPS ontvanger zijn klok goed zetten. Daarna zouden de denkbeeldige bollen rondom satellieten voor positie bepaling gebruikt kunnen worden, maar dan is de positie dus al bepaald. (Bij een GPS ontvanger die de tijd helemaal niet weet, levert het signaal van twee satellieten 1 verschiltijd op, drie satellieten leveren 2 onafhankelijke verschiltijden op, vier satellieten leveren 3 onafhankelijke verschiltijden op. Om een positie in een drie dimensionale ruimte te bepalen heeft men minimaal 3 parameters nodig, dus drie verschiltijden is het minimum, dus vier satellieten is het minimum. Voor 2 D bepaling wordt de 'bol' van de aarde gebruikt als extra parameter. De laatst bekende hoogte of eigenlijk de afstand tot het midden van de aarde wordt gebruikt.

Als de klok eenmaal is ingesteld op de GPS ontvanger, dan kan de GPS ontvanger zijn positie met minder satellieten bepalen. In het extreme geval zou bij een stilstaande GPS ontvanger, een zeer goede klok en een zeer lange tijd zelfs een enkele satelliet voldoende zijn om de positie te bepalen.

De nauwkeurigheid bedraagt enkele meters; met statistische technieken (herhaald meten met verschillende satellieten of meten over langere tijd) is de nauwkeurigheid nog verder op te voeren. Met behulp van het dopplereffect is het mogelijk om snelheden te meten. Een belangrijk nadeel is dat meteorologische verschijnselen het tijdsignaal kunnen vertragen, waardoor een fout ontstaat.

Bij gps geldt dus: de satelliet is altijd de zender, de gps-ontvanger is altijd de ontvanger (op aarde). Het gps-systeem kan dus niet iemand volgen, net zomin als een radiozender iemand kan volgen die een transistorradio bij zich heeft. Volgen wordt eerst mogelijk wanneer aan het GPS-systeem een vorm van zender gekoppeld wordt. Verschillende technologieën zijn daartoe in gebruik, waarbij de zogenaamde push-technologie, in de vorm van een SMS-zender, het meest verbreid is. Echter werkt de Europese commissie aan een bidirectioneel gps-systeem, Galileo genaamd, waarbij zowel zenden als ontvangen mogelijk wordt.

Onderdelen gps-systeem

---

De afstandsmeting bij dit systeem komt tot stand doordat het tijdstip van vertrek met het gps-signaal wordt meegezonden en de gps-ontvanger de aankomsttijd meet. Het verschil tussen de vertrektijd en de aankomsttijd van het signaal noemt men de looptijd. Het systeem kan onderverdeeld worden in drie componenten, namelijk: het ruimtesegment, het gebruikerssegment en het controlesegment.

• Tot het ruimtesegment behoren de satellieten en de Delta-raketten die de satellieten van Cape Canaveral in Florida, USA lanceren. Gps-satellieten draaien in circulaire banen rond de aarde op 20200 km hoogte, elke ronde duurt 11 uur en 58 minuten. De banen zijn gekanteld ten opzichte van de evenaar met 55º, om de dekking in het poolgebied te garanderen. Aangedreven door zonnecellen, corrigeren de satellieten zich voortdurend om de zonnecellen richting de zon, en de antennes richting de aarde te keren. Elke satelliet heeft vier atoomklokken.

• Het controlesegment bevat het 'master-controlstation' op Schriever Air Force Base (vroeger "Falcon Air Force Base") in Colorado Springs, USA. Verder zijn er gewone controlestations op Schriever Air Force Base, Hawaï, Ascension in de Atlantische Oceaan, Diego Garcia in de Indische Oceaan en Kwajalein Island in de Grote Oceaan. Hiermee is elke satelliet continu binnen het bereik van minstens één controlestation. De metingen die verzameld zijn door de controlestations worden gebruikt om het gedrag te bepalen van elke satelliet(-baan) en de klokinstelling. Voorspelde tijd- en baangegevens worden vergeleken met de daadwerkelijk uitgezonden data. Zo nodig krijgt een satelliet correctieopdrachten vanaf een station. Het controlesegment heeft ook tot taak er voor te zorgen dat de gps-satellietbanen en klokafwijkingen binnen de vastgestelde limieten blijven.

• Met het gebruikerssegment werden oorspronkelijk de militaire ontvangers bedoeld. Militaire gps-systemen zijn opgenomen in: straaljagers, bommenwerpers, tankvliegtuigen, helikopters, schepen, onderzeeërs, tanks, jeeps en individuele soldaat uitrustingen. Tot het militaire gebruik behoren ook doelbepalingen, 'smart'-wapens en rendez-vous-plekken. Later zijn daar gps-ontvangers voor civiele gebruikers bijgekomen.

Bron: www.wikipedia.nl

---