Je leest:

Navigatiesatellieten – the sky is the limit

Navigatiesatellieten – the sky is the limit

Auteur: | 1 december 2000

Het gebruik van satellietnavigatiesystemen heeft de afgelopen jaren een enorme vlucht genomen. Naast het Amerikaanse GPS en het Russische GLONASS zal er binnen enkele jaren ook een Europees systeem, GALILEO, zijn. Toch zullen de bestaande terrestrische navigatiesystemen niet helemaal verdwijnen door de opkomst van satellietsystemen. De twee blijken elkaar zelfs uitstekend aan te vullen.

Het Amerikaanse Global Positioning System (GPS), waarvoor de oorspronkelijke plannen dateren uit 1973, was het eerste satellietsysteem waarmee overal ter wereld zonder tijdverlies (real-time) posities konden worden bepaald met een nauwkeurigheid van enkele meters. Oorspronkelijk opgezet als een puur militair systeem, zijn ontwikkeling en beheer van GPS sinds 1980 een gezamenlijke onderneming van de Ministeries van Defensie en Transport van de Verenigde Staten. De toepassingen van GPS zijn niet beperkt gebleven tot navigatie met grote nauwkeurigheid. Rond 1980 hebben geodeten ontdekt dat het ook mogelijk is een positienauwkeurigheid van enkele centimeters te behalen. Aanvankelijk waren hiervoor meetperioden van minimaal een uur nodig, maar sinds de tweede helft van de jaren ’90 kan ook dit instantaan. Het gevolg hiervan is dat de scheidslijn tussen navigatie en geodesie steeds meer is gaan vervagen en dat beide vakgebieden in de afgelopen jaren naar elkaar zijn toe gegroeid.

GPS

De eerste GPS satelliet werd in februari 1978 in de ruimte gebracht. Tot oktober 1985 zijn tien van deze zogenaamde Block I satellieten in een vrijwel cirkelvormige baan om de aarde gebracht. De satellieten bevonden zich op een hoogte van 20200 km boven het aardoppervlak; de inclinatie van elk baanvlak met het evenaarvlak bedroeg 63 graden. De Block I satellieten waren bedoeld om het GPS concept te testen; de laatste van deze satellieten is in 1994 uitgeschakeld. In het algemeen werd de verwachte levensduur van vijf jaren van de satellieten ruimschoots overschreden. In 1989 werd de eerste Block II satelliet gelanceerd. Vorm en hoogte van de banen van de Block II satellieten zijn vrijwel hetzelfde als die van hun voorgangers, maar de helling met het evenaarvlak bedraagt 55 graden. Momenteel zijn er drie typen Block II satellieten: II, IIA en IIR. De belangrijkste verschillen zitten in de verwachte levensduur, die varieert van 7,5 tot 10 jaren, en hun gewicht; de Block IIR’s zijn met 2032 kg bijna 400 kg zwaard dan de Block II satellieten, die op hun beurt weer 900 kg zwaarder waren dan hun voorgangers. Daarnaast zijn de Block IIR satellieten in staat tot 180 dagen autonoom, dat wil zeggen zonder tussenkomst van aardse volgstations, te navigeren. Overigens is de verwachte levensduur van de verschillende Block II satellieten al een aantal keren naar boven toe bijgesteld.

GPS signalen

Elke GPS satelliet zendt een aantal unieke binaire codes uit waarmee hij kan worden geïdentificeerd. De C/A (Coarse Acquisition) code is voor iedereen beschikbaar en heeft een frequentie van 1,023 MHz. De code zelf herhaalt zich elke milliseconde. De P-code (Precision) heeft een frequentie van 10,23 MHz en is, na versleuteling in 1994 tot de zogeheten Y-code, slechts voor militaire gebruikers beschikbaar. De P-code herhaalt zich elke week. Verder zenden alle GPS satellieten informatie uit over hun positie en klokken in de zogenaamde navigation message. Codes en navigation messages zijn gemoduleerd op twee draaggolven, L1 en L2, met frequenties van 1575,42 en 1227,60 MHz (de C/A code wordt momenteel alleen uitgezonden op de L1 draaggolf).

De VS heeft miljarden dollars in de ontwikkeling van GPS gestoken. Al tijdens de ontwikkeling van het systeem bleek dat de positienauwkeurigheid veel beter was dan verwacht. Om te voorkomen dat vijandige gebruikers van het systeem hun positie (en die van de door hen afgevuurde projectielen) te goed zouden kunnen bepalen, is besloten nogmaals een forse investering in GPS te doen om de mogelijkheid te hebben het systeem opzettelijk te verslechteren. Deze opzettelijke verslechtering staat bekend als Selective Availability (SA) en kwam in 1989 beschikbaar. Hierdoor werd de positienauwkeurigheid voor civiele gebruikers met ruwweg een factor tien verslechterd. Merkwaardig genoeg werd SA tijdens de Golfoorlog van 1991 uitgezet, omdat het Amerikaanse leger niet de beschikking had over voldoende militaire GPS ontvangers en gebruik moest worden gemaakt van civiele apparatuur. GPS is begin 1994 volledig operationeel verklaard. Sinds die tijd zijn er altijd minimaal 24 satellieten beschikbaar – de laatste jaren zelfs 27 28. Vanaf 1994 is ook Anti-Spoofing aangezet, hetgeen betekent dat het voor civiele gebruikers niet langer mogelijk is gebruik te maken van de precisie P-codes (zie kader) en hebben zij officieel slechts de beschikking over één van de twee GPS frequenties. Door gebruik te maken van slimme signaalverwerkingstechnieken blijkt het echter met civiele ontvangers toch mogelijk te zijn waarnemingen op de tweede frequentie te verrichten. In de periode 1996-1999 is door de VS een aantal maatregelen aangekondigd die kunnen worden beschouwd als een modernisering van GPS en erkenning van het grote belang van het systeem voor civiele gebruikers. Deze modernisering bestaat uit drie onderdelen: • uitzetten van SA vóór 2006; • toevoegen van een derde frequentie, L2 en L5, van 1176,45 MHz, naast de bestaande L1 en L2 frequenties van 1575,42 en 1227,60 MHz; • uitbreiden van L2 en L5 met een civiel signaal.

Daarnaast zullen een aantal nieuwe militaire signalen worden geïmplementeerd, wat voor civiele gebruikers verder niet van belang is. Vooral voor toepassingen die een hoge nauwkeurigheid vereisen met een korte waarnemingsperiode geldt, hoe meer signalen (waarnemingen) hoe beter. Men zou kunnen zeggen dat door drie frequenties te gebruiken i.p.v. één, het aantal satellieten verdrievoudigt. SA is uitgezet op 2 mei 2000. De verbetering in nauwkeurigheid was onmiddellijk te merken: was deze aanvankelijk 100 meter voor de horizontale positie en 155 meter voor de hoogte (95% van de tijd), na het uitzetten van SA werden deze waarden een factor tien kleiner. Dit betekent dus dat met de eenvoudige GPS ontvangers die tegenwoordig al voor een paar honderd gulden te koop zijn, men nu over de hele wereld in staat is zijn positie tot op 10-15 meter te bepalen.

GPS satellietconstellatie, oktober 2000. Langs de horizontale as staat het satellietnummer, langs de verticale as de leeftijd van de satelliet. bron: C.D. de Jong

De tweede en derde moderniseringsstap zijn een stuk minder eenvoudig uit te voeren omdat zij nieuwe satellieten vereisen. Zoals uit het bovenstaande al bleek, gaan de GPS satellieten veel langer mee dan verwacht. Doordat satellieten pas worden vervangen wanneer ze niet meer werken, zullen de voordelen voor de civiele gebruikers nog behoorlijk lang op zich laten wachten. Momenteel is de verwachting dat in de periode 2003-2008, 18 Block IIR satellieten met twee civiele signalen (op L1 en L2) zullen worden gelanceerd. De opvolgers van de Block IIR satellieten zullen met het L5 signaal worden uitgerust. De eerste serie hiervan, de Block IIFs zullen in de periode 2005-2010 in een baan om de aarde worden gebracht, terwijl de volgende generatie, de Block III satellieten, vanaf 2010 zullen worden gelanceerd. Dit heeft tot gevolg dat pas in 2012, 18 GPS satellieten zullen zijn voorzien van de drie civiele signalen. Dit aantal wordt beschouwd als minimum voor een operationele constellatie.

GLONASS

In de jaren dat GPS werd ontwikkeld, was de Koude Oorlog in volle gang. Het hoeft dus niet te verbazen dat de Sovjet-Unie ook een satellietnavigatiesysteem heeft ontwikkeld. Dit systeem, het Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikova Sistema, of kortweg GLONASS, is vergelijkbaar met GPS, maar op een aantal punten toch verschillend. Gebruiken de GPS satellieten alle dezelfde frequentie, maar verschillende codes waarmee ze kunnen worden geïdentificeerd, de GLONASS satellieten zenden alle dezelfde codes uit, maar doen dit op frequenties die iets van elkaar verschillen. In tegenstelling tot GPS zijn de precisiecodes van GLONASS vrij beschikbaar voor civiele gebruikers – Anti-Spoofing bestaat dus niet. Verder zijn de banen van de GLONASS satellieten iets lager dan die van GPS (19 000 vs 20 200 km). Een belangrijk verschil met de GPS satellieten is dat de GLONASS satellieten een veel kortere levensduur hebben: slechts zo’n drie jaar. Hierdoor is het aantal lanceringen voor GLONASS sinds oktober 1982, toen de eerste sate iet in de ruimte werd gebracht, veel groter geweest dan voor GPS. In totaal zijn er in de periode 1982-2000 73 GLONASS satellieten gelanceerd, terwijl dat aantal voor GPS in de periode 1978-2000 slechts 43 bedroeg. Na het uiteenvallen van de Sovjet-Unie in 1991 is het beheer van GLONASS overgenomen door de Russische Federatie. Door de slechte economische situatie aldaar zijn er de laatste jaren weinig lanceringen geweest – de afgelopen vijf jaren slechts twee (van drie satellieten elk), waarvan de laatste in oktober 2000. Momenteel zijn er slechts tien werkende GLONASS satellieten, terwijl dat er begin 1996 nog 24 waren. Dit heeft mede tot gevolg dat er slechts weinig GLONASS ontvangers op de markt zijn. Het gaat hierbij om gecombineerde GPS/GLONASS ontvangers voor geodetische toepassingen (van Amerikaanse makelij).

Horizontale GPS posities, zoals berekend in Kootwijk op 2 mei 2000, vlak vóór en vlak nadat Selective Availability was uitgezet. De verbetering in nauwkeurigheid van het ene op het andere moment is duidelijk zichtbaar en nog eens vergroot weergegeven in de rechterfiguur. bron: C.D. de Jong

GALILEO

Ook Europa is bezig met het opzetten van een eigen satellietnavigatiesysteem, genaamd GALILEO. Het belangrijkste argument om een eigen, civiel systeem te ontwikkelen is dat Europa geen enkele zeggenschap heeft over GPS en men daardoor afhankelijk dreigt te worden van de VS. GALILEO is momenteel in de definitiefase, die in het eerste kwartaal van 2001 zal worden afgerond. Dan zal bekend zijn hoeveel satellieten er zullen komen en in welke banen, en op welke frequenties zij zullen gaan uitzenden. Wel is al bekend dat GALILEO verschillende diensten zal gaan leveren: • Open Access Service (OAS): gratis, bestemd voor consumententoepassingen zoals autonavigatie; • Controlled Access Service 1 (CAS1): niet gratis, voor professionele gebruikers, zoals geodeten en meteorologen; • Controlled Access Service 2 (CAS2): gratis,maar voor een beperkt aantal toepassingen en gebruikers, zoals safety of life services en vliegtuignavigatie.

Vooral het feit dat professionele gebruikers zullen moeten betalen voor het systeem, terwijl GPS gratis is, heeft ertoe geleid dat velen zich afvragen of GALILEO wel kans van slagen heeft. Van de andere kant, doordat voor CAS1 moet worden betaald, is de beheerder van het systeem verplicht de beschikbaarheid van het systeem te garanderen en zou hij aansprakelijk kunnen worden gesteld bij nalatigheid. Hoe dit juridisch allemaal moet worden geregeld is echter nog niet helemaal duidelijk. De financiering van GALILEO zal moeten gebeuren via Public Private Partnerships (PPPs). Dit betekent dat het systeem zal worden betaald door zowel overheid als bedrijfsleven. De verhouding is ongeveer 50/50. Vooralsnog lijkt er bij bedrijven weinig animo te bestaan voor dergelijke investeringen in GALILEO. Een belangrijk voordeel van GALILEO ten opzichte van GPS is dat de GPS signalen om redenen van compatibiliteit nog steeds zijn gebaseerd op technieken uit de jaren ’70 (hoewel het nieuwe L5 signaal weer wel upto- date is). GAL EO zal gebruik kunnen maken van de laatste inzichten op het gebied van de signaalverwerking, zodat kan worden aangenomen dat het systeem minstens zo goed zal zijn als GPS. Zoals gezegd zal de definitiefase voor GALILEO begin 2001 worden afgerond. Iets daarvoor, in december 2000, zal worden besloten of met de ontwikkeling van het systeem zal worden doorgegaan. Is dit het geval, dan zal de ontwikkel- en validatiefase van GALILEO worden uitgevoerd in de periode 2001-2003,waarna in de twee jaren daarna één of meer testsatellieten zullen worden gelanceerd. De levering van de verschillende diensten kan in 2006 beginnen, terwijl het systeem in 2008 volledig operationeel zal zijn. Tijdens een informatiebijeenkomst in Brussel in september 2000 werd ook al gesproken over de wenselijkheid deze datum met twee jaren te vervroegen tot 2006. Het worden dus spannende tijden voor Europa.

Codemetingen

Afstandmeting naar GPS satellieten is gebaseerd op het principe van looptijdmeting. In een ontvanger wordt een replica van de door de satellieten uitgezonden code gegenereerd. Wordt de code van een satelliet ontvangen, dan wordt de gegenereerde code net zo lang verschoven tot hij precies past op de ontvangen code. De grootte van de verschuiving is de looptijd van het signaal. Vermenigvuldigd met de lichtsnelheid krijgt men de afstand tussen ontvanger en satelliet. Dit zou zo zijn indien satelliet- en ontvangerklok gelijk liepen. Dit is echter niet het geval want om de prijs laag te houden maken ontvangers gebruik van goedkope kwartsklokken, zoals die ook in horloges zitten. De satellieten gebruiken veel stabielere atoomklokken, die regelmatig worden geijkt met een referentieklok. Doordat de klokken van satelliet en ontvanger niet gelijk lopen, worden geen afstanden, maar pseudo-afstanden gemeten, die bestaan uit de som van de werkelijke afstand en het klokverschil. Meet men gelijktijdig naar verschillende sattelieten, dan zal elke pseudo-afstand behept zijn met dezelfde klokfout.

Loran-C

Loran-C (LOng RAnge Navigation) is een terrestrisch, tweedimensionaal navigatiesysteem, dat is ontwikkeld door het Amerikaanse Ministerie van Defensie. In 1974 is het overgedragen aan de civiele autoriteiten. Het principe van plaatsbepaling berust op het meten van afstanden of afstandsverschillen gebruikmakend van minimaal twee resp. drie zenders. Loran-C gebruikt een frequentie van 100 KHz, wat overeenkomt met een golflengte van 3 km. De zenders zijn gegroepeerd in ketens, die gewoonlijk bestaan uit 3-6 stations. Door hun lage frequentie hebben de Loran-C signalen geen last van afscherming ten gevolge van bijvoorbeeld bebouwing of bomen. Ten gevolge van de geleidende eigenschappen van de ondergrond waarover het Loran-C signaal zich voortplant, treden vertragingen op waardoor de uiteindelijke positienauwkeurigheid die met het systeem kan worden behaald slechts in de orde van grootte van 100 meter ligt. Door Loran-C in combinatie met GPS te gebruiken, kunnen de vertragingen worden gekalibreerd waardoor de nauw urigheid kan worden verbeterd tot 10 à 20 meter.

Terrestrische systemen

De opkomst van satellietnavigatiesystemen, veelal aangeduid met de afkorting GNSS (Global Navigation Satellite Systems), heeft ertoe geleid dat veel terrestrische systemen zijn verdwenen. Loran-C is een van de weinige nog operationele systemen. Doordat dit van origine een militair systeem is, heeft het een Russische tegenhanger met de naam Chayka. Zowel Loran-C als Chayka zijn tegenwoordig vrij beschikbaar voor civiele gebruikers. Beide systemen zijn uitstekend te gebruiken in combinatie met een GNSS, zoals hieronder zal worden beschreven.

Toepassingen

Met codemetingen (zie kader) kan, met een enkele GNSS ontvanger, een positienauwkeurigheid van tien tot vijftien meter worden behaald. Deze methode, die bekend staat als absolute plaatsbepaling, wordt toegepast in bijvoorbeeld autonavigatiesystemen, die de laatste tijd door de dalende prijzen zeer populair zijn geworden. Een belangrijke voorwaarde voor plaatsbepaling met een GNSS is dat er, afgezien van wolken, vrij zicht moet zijn tussen ontvanger en satelliet. Dit betekent dat navigatie met alleen GPS in tunnels, parkeergarages en tussen hoge bebouwing niet mogelijk is. Autonavigatiesystemen zijn dan ook voorzien van andere sensoren, zoals gyroscoop en tachometer, en daarmee een voorbeeld van een geïntegreerd plaatsbepalingsysteem. Met een gyroscoop kunnen richtingsveranderingen worden gemeten (zoals bochten in een tunnel), met een tachometer het aantal omwentelingen van de wielen, dus de door een auto afgelegde weg. GPS levert posities, gyro en tacho positieveranderingen. De goedkope gyroscopen zoals die in autonavigatiesystemen worden gebruikt, blijken zeer gevoelig te zijn voor temperatuurveranderingen. Vooral in auto’s zijn deze veranderingen extreem. Temperaturen van –10° C in de winter en +40° C in de zomer zijn geen uitzondering. Daarom wordt GPS niet alleen voor positiebepaling gebruikt, maar ook om de gyro te kalibreren: een hoekverandering van de gyro wordt vergeleken met die bepaald uit GPS. Eventuele verschillen zijn het gevolg van fouten in de gyro en hiervoor kan dan worden gecorrigeerd. Is GPS een tijdje niet beschikbaar, dan kan de gyro zelfstandig verder werken gedurende een periode van maximaal een paar minuten, zonder dat al te grote fouten optreden in de berekende rijrichting van de auto. Een andere methode om de gyro te kalibreren is bij stilstand van de auto: de richting van de auto verandert niet, dus de uitvoer van de gyro moet constant zijn. Deze methode is bijvoorbeeld zeer nuttig bij opstarten in parkeergarages. De tachometer levert het aantal omwentelingen van de wielen in een bepaalde tijdseenheid. Deling van de met GPS bepaalde positieverandering in dit tijdsinterval door de afstandverandering gemeten met de tachometer geeft dan de afstand per omwenteling. Door verandering in de bandenspanning en het gebruik van zomer- en winterbanden is deze niet helemaal constant en moet daarom voortdurend worden gekalibreerd met GPS. De fout in de met GPS bepaalde absolute posities wordt veroorzaakt door een aantal factoren. De belangrijkste hiervan zijn fouten in de bekend veronderstelde posities en klokken van de satellieten, atmosferische vertragingen en, tot 2 mei 2000, SA. Doordat de GPS satellieten zo ver weg staan en de fouten slechts langzaam veranderen als functie van tijd en plaats op aarde, zullen de afstanden gemeten door ontvangers die zich bij elkaar in de buurt bevinden, vrijwel dezelfde fouten bevatten. Staat één ontvanger opgesteld op een in coördinaten bekend referentiestation, dan kan de afstand naar de satelliet niet alleen worden gemeten, maar ook worden berekend (de satelliet zendt immers zijn eigen positie uit). Het verschil tussen gemeten en berekende afstand is dan de fout ten gevolge van de hierboven genoemde effecten. Dit verschil kan worden toegepast als correctie op de waarnemingen van ontvangers in de buurt van het referentiestation, waarna positienauwkeurigheden in de orde van één tot vijf meter mogelijk zijn. Deze techniek staat bekend als Differentiële GPS (DGPS). In plaats van absolute posities worden relatieve posities (ten opzichte van het referentiestation) bepaald.

De DGPS correcties van een enkel referentiestation zijn toepasbaar in een gebied met een straal van enkele tientallen tot honderden kilometers rondom het referentiestation, afhankelijk van de gewenste nauwkeurigheid. Om ook over grotere afstanden een nauwkeurigheid van één meter te behalen, moet men gebruik maken van een netwerk van permanente referentiestations. Hiermee is het bijvoorbeeld mogelijk continu de atmosfeer te modelleren en betere correcties te berekenen voor het gebied dat wordt bestreken door het referentienetwerk. De correcties kunnen op verschillende manieren naar GNSS gebruikers worden gezonden. Nederland wordt momenteel in zijn geheel bedekt met correcties via het RDS (Radio Data System) signaal dat op de FM band wordt uitgezonden. Dit is hetzelfde signaal dat wordt gebruikt voor verkeersinformatie. Hierdoor is het betrekkelijk eenvoudig de DGPS techniek toe te passen in autonavigatiesystemen. Een andere veelbelovende methode om DGPS en DGLONASS correcties uit te zenden is door ze te moduleren op het Loran-C of Chayka signaal. Deze techniek is vanaf 1989 ontwikkeld door de afdeling Elektrotechniek van de TU Delft en staat bekend als Eurofix. Het systeem mag zich in grote belangstelling verheugen, niet alleen in Europa, maar ook in Rusland, de Verenigde Staten en Canada. Momenteel zijn er vier Eurofix referentiestations in Europa (Duitsland, Frankrijk en twee in Noorwegen) en is er een experiment aan de gang in Noord-Duitsland, waarbij het systeem wordt gebruikt door de scheepvaart. De Europese Commissie zal een project ondersteunen voor de ontwikkeling van kleine Eurofix ontvangers. Eurofix is veel meer dan alleen maar een systeem voor het oversturen van correcties. Met GPS kan de precisie van Loran-C worden verbeterd (zie kader), terwijl bij het wegvallen van GPS ook positiebepaling met alleen Loran-C mogelijk is. De betrouwbaarheid en beschikbaarheid van een dergelijk geïntegreerd systeem is veel groter dan van de afzonderlijke componenten. In de luchtvaart worden extreem hoge eisen gesteld aan beschikbaarheid en integriteit van een navigatiesysteem, vooral tijdens de landingsfase van een vlucht. Onder de integriteit van zo’n systeem wordt verstaan dat een systeem gebruikers tijdig waarschuwt wanneer er iets mis is. De VS, Europa en Japan zijn bezig met het opzetten van een op DGPS baseerd netwerk, speciaal bestemd voor luchtvaartnavigatie. De VS zijn het verst met hun Wide Area Augmentation System (WAAS). De Europese en Japanse tegenhangers staan bekend als EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) en MSAS (Multi-functional Transport Satellite [MTSAT]-based Satellite Augmentation System). Doordat WAAS, EGNOS en MSAS regionale systemen zijn, is het belangrijk dat de overgang van het ene naar het andere systeem naadloos plaatsvindt. Het WAAS zal onder andere bestaan uit 25 referentiestations in de VS (inclusief Alaska en Hawaï) en een aantal telecommunicatiesatellieten. Deze satellieten worden niet alleen gebruikt voor het versturen van DGPS correcties, maar ook voor integriteitdata over de status van de GPS satellieten. De vorm van de signalen is hetzelfde als het GPS L1 signaal. Met het WAAS concept wordt dus niet alleen de nauwkeurigheid, maar ook de beschikbaarheid en integriteit verhoogd. Bij de landing van een vliegtuig worden nog hogere eisen gesteld dan voor en route navigatie. De vliegtuigposities moeten met een nauwkeurigheid van een meter worden bepaald en dat is niet te bereiken met een wijdmazig WAAS netwerk. Daarom zal gebruik moeten worden gemaakt van een Local Area Augmentation System (LAAS), dat bestaat uit een enkel DGPS referentiestation en één of meer zg. pseudolieten in de buurt van een vliegveld. Pseudolieten kunnen worden beschouwd als satellieten op aarde, die dezelfde signalen uitzenden als de GPS satellieten en daardoor zorgen voor een grotere beschikbaarheid dan GPS alleen. Door de betere geometrie van de gecombineerde GPS/pseudolieten constellatie in vergelijking met de enkele GPS constellatie, zal de positienauwkeurigheid ook toenemen. Wil men positienauwkeurigheden halen van tien centimeter of beter, dan zal men niet alleen differentiële technieken moeten gebruiken, maar daarbij ook fase- in plaats van codewaarnemingen (zie kader). Aanvankelijk werden fasewaarnemingen slechts gebruikt voor statische, geodetische toepassingen, doordat real-time plaatsbepaling niet mogelijk was. De reden hiervan was dat de zogenaamde fasemeerduidigheden niet zonder tijdverlies konden worden bepaald. Sinds een paar jaar is dat echter wel mogelijk, onder andere door onderzoek door de afdeling Geodesie van de TU Delft. Het gebruik van fasemetingen is hierdoor niet meer beperkt tot statische toepassingen, waarbij data offline wordt verwerkt, maar ook voor real-time kinematische toepassingen. Een van de nieuwe kinematische toepassingen is precisielandbouw. Met een GNSS kan zonder tijdverlies de positie van een landbouwvoertuig worden bepaald. Hierdoor weet een boer precies waar hij meer of minder meststoffen moet toedienen en wat de verwachte opbrengst zal zijn. Door de GPS posities ook nog te koppelen aan het besturingssysteem van het voertuig, is het mogelijk dit onbemand te laten navigeren. Vooral in Australië en Amerika, met hun grote akkers, wordt hard aan dergelijke systemen gewerkt.

GPS op een graafmachine. Hiermee is het mogelijk met een nauwkeurigheid van enkele centimeters de hoeveelheid nog af te graven of op te brengen grond te bepalen. Door twee antennes te gebruiken kan de dwarshelling van het graafblad worden bepaald en daarmee de helling van de ondergrond. bron: Geometius BV, Leiderdorp

Ook bij het aanleggen van wegen en spoorbanen speelt GPS tegenwoordig een belangrijke rol. Door een GPS antenne op een bulldozer te plaatsen, weet een aannemer voor een tracé precies hoeveel grond nog moet worden toegevoegd of verwijderd.

Door gebruik te maken van twee of meer antennes verkrijgt men ook informatie over de stand van de graafmachine en daarmee over de helling van de weg of spoorbaan. Langs het toekomstige traject van de Betuwelijn staat momenteel om de 15 kilometer een GPS referentiestation. In de provincie Zuid-Holland staan zo’n 15 referentiestations. Zowel langs de Betuwelijn als in Zuid-Holland wordt door elk referentiestation real-time data voor nauwkeurige plaatsbepaling uitgezonden via het GSM netwerk. Een GPS ontvanger, met daaraan gekoppeld een GSM modem, kan de data, samen met zijn eigen waarnemingen, direct verwerken, resulterend in posities met een nauwkeurigheid van 1-5 cm. Een spectaculaire toepassing van GPS als instrument voor driedimensionale standbepaling is het International Space Station (ISS), dat momenteel wordt geassembleerd. Een driebeen, gevormd door vier GPS antennes (één in de oorsprong, de andere drie langs elke as) zal ervoor zorgen dat de oriëntatie van het ISS altijd precies bekend zal zijn. Als alles volgens plan verloopt zal de standbepaling met GPS eind 2001 operationeel zijn.

Het International Space Station (ISS) zoals dat er op 18 september 2000 uitzag. Het ISS zal worden uitgerust met een GPS ontvanger en vier antennes ten behoeve van driedimensionale standbepaling. bron: NASA

Fasemetingen

De nauwkeurigheid van codemetingen bedraagt ruwweg 1% van de golflengte van de codes. Voor de C/A code dus zo’n drie meter, voor de P-code 30 cm. Veel hogere nauwkeurigheden kunnen worden behaald door voor de afstandsbepaling niet de codes te meten, maar de fase van de draaggolven waarop zij zijn gemoduleerd, dat wil zeggen, het aantal gehele sinussen plus de fractie daarvan, tussen ontvanger en satelliet. De L1 en L2 draaggolven hebben een golflengte van 19 en 24 cm. Eén procent hiervan is slechts 2 mm. Probleem is dat de afstand niet ondubbelzinnig kan worden gemeten. Men weet immers heel precies de fractie, maar niet het gehele aantal sinussen. De snelle en betrouwbare bepaling hiervan, liefst in real-time, is jarenlang een belangrijk punt van onderzoek in de geodesie geweest.

In de tijd dat GPS werd ontwikkeld had niemand kunnen vermoeden dat dit systeem de plaatsbepaling en navigatie zo ingrijpend zou veranderen. De meeste terrestrische systemen zijn vervangen door satellietsystemen en de nauwkeurigheden zijn veel beter dan ooit met deze systemen mogelijk was. Het aantal toepassingen van GPS en, in de toekomst, GALILEO, neemt nog steeds toe. Naast plaatsbepaling en navigatie zijn andere toepassingen het bijhouden van de tijd en meteorologie. GPS wordt gebruikt voor de bepaling van de referentietijd van Nederland in het Nederlands Meetinstituut te Delft en voor synchronisatie van mobiele telefoonsystemen. De invloed van de atmosfeer op de GPS signalen wordt in de plaatsbepaling als een vervelende bijkomstigheid gezien, maar door de meteorologen, onder andere die van het KNMI, als een waardevolle bron van informatie om te komen tot betere weersvoorspellingen. Men kan daarom met recht stellen dat voor dit soort systemen zowel letterlijk als figuurlijk geldt: The sky is the limit.

Dit artikel is een publicatie van Nederlandse Vereniging voor Ruimtevaart.
© Nederlandse Vereniging voor Ruimtevaart, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 december 2000

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.