Hoe werkt GPS?

Geschiedenis GPS

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?

Veel auto’s zijn tegenwoordig uitgerust met een navigatiesysteem. Maar ook mobiele telefoons en handcomputers beschikken steeds vaker over zo’n systeem. Een navigatiesysteem helpt bij het bepalen van de route naar de bestemming. Om dat te kunnen doen is het om te beginnen van groot belang dat je weet waar je precies bent. Daarvoor is een GPS-ontvanger nodig.

GPS is de afkorting van de Engelse term “Global Positioning System”, in het Nederlands vertaald als “Wereldwijd Plaatsbepalingsysteem”.

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.

Waar bestaat GPS uit?

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.

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

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 almanakgegevens, 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 almanakgegevens. 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.

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.

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.

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.