Global Posistioning System

Het Global Positioning System (GPS) is de commerciële naam voor een wereldwijd satellietplaatsbepalingssysteem dat vanaf 1967 werd ontwikkeld voor gebruik door de Amerikaanse strijdkrachten. Officieel heet het systeem nog steeds NAVigation Satellite Time And Ranging of NAVSTAR. Met GPS werd het voor het eerst mogelijk om vrijwel overal continu te kunnen navigeren en ook nu nog is het het enige volledig operationele satellietplaatsbepalingssysteem. Het incident met de Korean Air-vlucht 007 in 1983, waarbij een Amerikaans senator omkwam, zorgde er voor dat president Ronald Reagan het GPS-systeem vrijgaf voor civiel gebruik. Het aantal toepassingen is sinds de ingebruikname enorm toegenomen. Aanvankelijk waren de gebruikers vooral in de militaire hoek, de geodesie en de scheepvaart te vinden. Hoewel het aantal gebruikers daar ook is toegenomen, valt dit tegenwoordig in het niet bij het aantal auto's en mobiele telefoons die met GPS zijn uitgerust. Het belang van GPS is dusdanig gegroeid dat de Europese Unie besloten heeft zijn eigen systeem — Galileo — te lanceren, om niet afhankelijk te zijn van de Verenigde Staten. De nauwkeurigheid varieert afhankelijk van het gebruikte systeem en de omstandigheden van enkele tientallen meters tot enkele centimeters.

Geschiedenis

De eerste experimentele satelliet werd in 1978 gelanceerd en in 1995 werd het systeem officieel operationeel verklaard, hoewel het daarvoor al werd gebruikt voor navigatie.

Kenmerken

et zendgedeelte van het systeem bestaat uit minimaal 24 werkende satellieten die in zes 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 ten opzichte van het geodetisch datum WGS 84. 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 geschikt voor zowel navigatiedoeleinden, geodetische puntbepaling, geografische informatiesystemen en nauwkeurige tijdsbepaling.

Plaatsbepaling

GPS gebruikt 32 (bij opstart 24) 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 vier 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 looptijd wordt bepaald door de pseudo-random code van de satelliet te vergelijken met een door de ontvanger opgewekte code. De looptijd veroorzaakt een faseverschil tussen deze twee codes die door de ontvanger omgerekend wordt tot looptijd en met de voortplantingssnelheid van het signaal tot de afstand tot de satelliet, de pseudo-afstand (pseudo slant range, PSR). Deze berekende afstand bevat nog fouten, zoals de klokfout in de ontvanger en atmosferische storingen.

Aangezien de satelliet zeer nauwkeurige atoomklokken heeft, is de satellietpositie te berekenen uit de baanvoorspelling in de navigatieboodschap en de satelliettijd. De ontvanger kan daarna een bol met de straal PSR berekenen waarop men zich bevindt. Snijding met de bol van een tweede satelliet levert een cirkel op en snijding met een derde levert twee punten op, waarvan één zich ver weg van de aarde bevindt en daarom verworpen kan worden. Als er geen fouten zouden zijn, dan zou een vierde bol ook in dit punt snijden. Als er wel fouten zijn, dan moet de PSR gecorrigeerd worden. Deze correctie is een maat voor de klokfout. Hiermee vervalt de noodzaak om de ontvanger met een dure atoomklok uit te rusten. Voor het hele systeem geldt: hoe meer satellieten hoe nauwkeuriger de positie berekend kan worden.

Signalen

Elke satelliet zendt op meerdere draagfrequenties uit, waarvan L1 (1,57542 GHz) en L2 (1,2276 GHz) de belangrijkste zijn. Hoewel alle satellieten gebruik maken van dezelfde frequenties, kan door CDMA bepaald worden van welke satelliet een signaal afkomstig is. Op elke draagfrequentie wordt een signaal gecodeerd met een pseudorandom noise (PRN) die voor elke satelliet uniek is. Op L1 wordt zowel een Coarse Acquisition (C/A)-code gezet als de Precise (P)-code. Op L2 wordt alleen de P-code gezet. De informatie van beide codes bestaat uit bits, hier chips genoemd. De chiprate is 1,023 MHz voor de C/A-code, 10,23 MHz voor de P-code en 50 Hz voor de navigatieboodschap.

Op beide codes wordt de navigatieboodschap gezet die informatie bevatten over de baanvoorspelling, de atmosferische propagatiecorrecties en de onderlinge synchronisatie van de satellietklokken. De navigatieboodschap bestaat uit 25 data frames, elk bestaand uit 1500 bits en onderverdeeld in 5 subframes van 300 bits, waardoor het met 50 Hz 12,5 minuut duurt om de hele boodschap binnen te krijgen.

De navigatieboodschap bevat ook een handover word (HOW) waarin de fase van de P-code bij benadering wordt gegeven, zodat de ontvanger sneller de P-code kan volgen. Aangezien deze een periode heeft van zeven dagen, zou dit zonder HOW lang kunnen duren. Andere frequenties zijn L3 voor NDS om kernexplosies waar te nemen en L4 om ionosfeercorrecties te kunnen bepalen.

De codes worden met behulp van fasemodulatie — specifiek BPSK — op de draagfrequentie gezet met een faseverschil van 90º tussen de C/A-code en de P-code. De C/A-code herhaalt zich elke milliseconde en de P-code elke zeven dagen.

Looptijdmeting

Nadat de ontvanger heeft vastgesteld welke satellieten zich boven de horizon bevinden — uit de eigen almanak of die in de navigatieboodschap — zal deze de dopplerverschuiving vaststellen. De ontvanger genereert een carrier-tracking loop en verschuift de frequentie daarvan net zolang tot deze overeenkomt met die van de satelliet. De hierbij gevonden dopplerverschuiving is een maat voor de relatieve snelheid tussen satelliet en ontvanger, waarmee de snelheid van de ontvanger kan worden vastgesteld.

Deze snelheid wordt gebruikt door de code-tracking loop, waarbij de ontvanger zelf een C/A-code genereert. Met behulp van autocorrelatie wordt deze vergeleken met die van de satelliet. Als de codes niet gelijk zijn, verschuift de ontvanger zijn code met een bit. Dit wordt herhaald tot de codes over elkaar vallen of tot deze met alle 1023 bits van de PRN-code verschoven is. De gevonden faseverschuiving is een maat voor de looptijd. Zodra de frequentie- en faseverschuiving heeft plaatsgevonden, kan de navigatieboodschap gelezen worden en kunnen de pseudoranges worden vastgesteld.

Nauwkeurigheid

Er zijn twee verschillende nauwkeurigheidsniveaus bij GPS; voor militair gebruik is er de Precise Positioning Service (PPS) en voor gewoon gebruik is er de Standard Positioning Service (SPS). Waar SPS alleen gebruik maakt van de C/A-code op het L1-signaal, maakt PPS ook gebruik van de P-code om een hogere nauwkeurigheid te verkrijgen.

De nauwkeurigheid of R95 van SPS bedraagt zo’n 20 meter; met statistische technieken — herhaald meten met verschillende satellieten of meten over langere tijd — of met referentiestations is de nauwkeurigheid verder op te voeren. Met behulp van het dopplereffect is het mogelijk snelheden te meten. Een belangrijk nadeel is dat meteorologische verschijnselen het tijdsignaal kunnen vertragen, waardoor een fout ontstaat. Indien er een hogere precisie nodig is dan welke GPS kan bieden kan DGPS en/of WAAS (Noord Amerika)/EGNOS (Europa) worden gebruikt.