Hoe zorgt GPS ervoor dat we nooit meer verdwalen?
'Neem de volgende afslag, probeer om te keren, bestemming bereikt'. Iedereen kent dit soort zinnetjes. Moest je vroeger nog hannesen met een kaart, nu vertelt de smartphone of auto-navigatie precies waar je moet zijn. Het houdt zelfs rekening met de laatste omleidingen en files. Dit zou allemaal onmogelijk zijn zonder het wereldwijde plaatsbepalingssysteem GPS. Wie bedacht ooit dat het handig zou zijn om satellieten rond de aarde te laten draaien om precies te weten waar op aarde je je bevindt? En hoe werkt het systeem eigenlijk?
Wat is GPS?
GPS, Global Positioning System, bestaat uit een netwerk van 31 satellieten die rond de aarde vliegen en samen elke locatie op aarde beslaan. Op elk punt op aarde met vrij zicht is contact met minstens 4 satellieten, maar soms heb je contact met wel tien GPS-satellieten.
De satellieten vliegen een rondje om de aarde in elf uur en 58 minuten. De afstand tot aarde is 20200 kilometer.
Hoe gaat het navigeren vroeger?
Er zijn verschillende manieren om je plaats op aarde te beschrijven. Wil je afspreken met iemand die de omgeving goed kent, dan kun je afspreken bij een herkenningspunt: het meetingpoint op het station, de fietsenstalling van het gemeentehuis of het vijvertje in het park. Stuur je een kaart of pakketje dan is een adres handiger: huisnummer, straat, postcode en woonplaats, land. Leuk voor de postbode, maar ergens ook wel een omslachtige manier om een punt te beschrijven. Bovendien heeft niet elke locatie een adres. Hoe beschrijf je bijvoorbeeld een punt midden op zee of in de woestijn? Daarvoor is het handiger een coördinaat te gebruiken.
Om dit goed te kunnen doen, is het handig om eerst te weten hoe groot de aarde is. Eratosthenes berekent dat al tweehonderdveertig jaar voor Christus. Het valt hem op dat de zon slechts op één moment precies loodrecht in een put schijnt. Door op twee plekken tegelijk de hoek van de schaduw te meten, rekende hij uit dat de aarde een omtrek heeft van ongeveer 39.500 kilometer. En dat klopt behoorlijk. Het vak ‘geodesie’ is geboren.
Maar met alleen de grootte van de aarde ben je er nog niet. Heldere afspraken over maateenheden zijn ook belangrijk voor goede plaatsbepaling. Eratosthenes gebruikte de maat ‘stade’, omgerekend zo’n 180 meter. De meter en het metrische stelsel werd in Nederland overigens pas in 1820 ingevoerd.
Eerder, in 1615, maakte astronoom Snellius gebruik van de driehoeksmeting om nauwkeurig afstanden te meten en kaarten te maken. Met deze methode kon hij de omtrek van de aarde berekenen.
School TV legt op een eenvoudige manier uit hoe de driehoeksmeting van Snellius werkt.
Je kunt hoge bomen en torens dus goed gebruiken om een driehoeksmeting te doen en zo afstanden te bepalen. Maar hoe doe je dat midden op zee waar je alleen omringd wordt door golven en verder geen enkel ijkpunt hebt? Gelukkig is er wel íets van een ijkpunt: overdag de zon en ‘s nachts de sterren.
Het lastige van de zon en sterren is dat ze niet stil staan. In de loop van de tijd trekken ze langs de hemel - of eigenlijk draait de aarde een rondje waardoor het lijkt of ze langs de hemel trekken. Toch kun je de hemellichamen gebruiken om je locatie te bepalen. Met behulp van een sextant kun je midden op de dag de zon gebruiken om je breedtegraad te bepalen. En ‘s nachts de hoogte van de poolster gebruiken – inderdaad, poolshoogte nemen. Om met de sextant echt goed op de sterren te navigeren, is het belangrijk om te weten hoe laat het is.
Tijd is een onmisbare factor om je plaats te bepalen op basis van de hemel. Het is in die tijd dan ook nog behoorlijk lastig om op zee goed de tijd te meten. Want de slingerklok werkt daar niet goed. Vaak is er iemand aan boord die als voornaamste taak het omkeren van zandlopers heeft. In dit filmpje zie je hoe je een sextant kunt gebruiken.
Hoe ontstaat het idee van GPS?
Navigeren op de zon en de sterren, met kompas, goede kaarten en later zelfs radar blijft ingewikkeld. Pas met de lancering van de eerste satelliet, de Russische Spoetnik in 1957, ontstaat het idee van een nieuw plaatsbepalingssysteem. De Amerikanen doen hun best om de baan van spoetnik te bepalen. Ze vangen de radiosignalen op die Spoetnik uitzendt. Die signalen worden door de beweging van de satelliet vervormd; ingedrukt zodra de satelliet naar je toe beweegt, en uit elkaar getrokken zodra hij van je af beweegt. Hetzelfde effect als een langsrijdende ambulance met sirenes: het Doppler-effect.
De eerste satelliet, de Russische Spoetnik, heeft een belangrijke rol gespeeld in de ontwikkeling van een nieuw plaatsbepalingssysteem.
Door de verandering van de frequentie van het signaal te meten, kunnen ze de afstand tot de satelliet bepalen.
Maar dat kan natuurlijk ook andersom! Ze kunnen met diezelfde satelliet de afstand tot de ontvanger op aarde meten. Zo ontwerpen de Amerikanen het wereldwijde positiebepalingssysteem GPS (Global positioning system). Een netwerk van satellieten die rond de aarde draaien, waardoor een GPS-ontvanger op aarde altijd wel contact heeft met een aantal satellieten. Met het GPS netwerk en verbinding met 4 satellieten kun je overal op aarde je snelheid en je locatie meten, niet alleen in het platte vlak maar ook in de hoogte.
Diederik Jekel legt in het programma Willem Wever uit hoe satellieten weten waar je bent.
Wanneer werkt GPS niet?
Tot voor kort zijn speciale GPS-ontvangers nodig om contact te maken met de satellieten. Inmiddels is bijna elke smartphone uitgerust met een GPS-ontvanger. Je kunt zonder verbinding met het internet toch de signalen van het GPS-satellietnetwerk ontvangen. Je locatie wordt wel nauwkeuriger bepaald als je verbonden bent met internet via wifi of zendmasten. De gegevens van de satellieten worden gecombineerd met de data van de zendmasten of wifi-netwerkpunt.
Toch heb je niet overal bereik. In sommige gebouwen, in tunnels en onder water heb je geen vrij zicht op de hemel, en kun je dus ook geen verbinding maken. Misschien heb je het ook wel eens gemerkt in de bergen. Daar is de horizon niet vrij, je navigatie kan geen verbinding maken met genoeg satellieten en het lukt dan vaak niet om je locatie goed te bepalen. Je hebt verbinding met minstens vier satellieten nodig om zowel je locatie als je hoogte te bepalen.
In 1994 was het traceren van een auto met behulp van satellietnavigatie nog bijzonder.
Zijn er alternatieve GPS-systemen?
Niet alleen de Amerikanen hebben een plaatsbepalingssysteem. Rusland heeft GLONASS, China heeft BeiDou en verschillende andere landen zijn bezig met hun eigen navigatiesystemen. Ook Europa wil niet achterblijven en ontwikkelt Galileo. Het moet het meest accurate systeem ter wereld worden, dat locaties op de meter nauwkeurig kan bepalen, en gecombineerd met GPS zelfs tot dertig centimeter precies.
Alternatieve GPS-systemen
De eerste vier satellieten van Galileo worden gelanceerd in 2014. Inmiddels draaien er 22 in een baan om de aarde, dat moeten er de komende jaren 30 worden. Helaas heeft Galileo te kampen met vele tegenslagen. Zo is het lastig de financiering van het miljardenproject rond te krijgen. Niet goed werkende atoomklokken, satellieten die in de verkeerde baan worden geplaatst - vier van de satellieten zijn op het moment buiten gebruik - en andere technische problemen zorgen voor grote vertragingen.
Ook Europa ontwikkelt zijn eigen satellietnavigatiesysteem: Galileo.
Wordt het niet te druk in de ruimte met al die satellieten?
Er zijn op het moment ongeveer 1500 actieve satellieten in een baan om de aarde. Die worden niet alleen voor navigatie maar ook voor communicatie, spionage en wetenschap gebruikt. Naast deze actieve satellieten zweeft er enorm veel ruimtepuin rond: duizenden oude kapotte satellieten, resten van raketten en kleine afgebroken stukjes satelliet. Objecten groter dan 5 centimeter in een lage baan kunnen vanaf aarde gevolgd worden met radar. Vanuit het controlecentrum in Darmstadt volgt de ESA er zo’n 23 duizend.
De kleinere stukjes ruimteafval kunnen niet vanaf aarde gevolgd worden. Modellen laten zien dat dit er minstens 166 miljoen zijn. Nu is er op zich ook heel veel ruimte in de ruimte, dus de kans op een botsing lijkt misschien niet zo groot. Maar omdat veel satellieten zich in vergelijkbare banen bevinden, neemt die kans toch behoorlijk toe. En is er sprake van een botsing, dan blijft het vaak niet bij een beetje blikschade. Met snelheden van dertigduizend kilometer verandert een flintertje afgebrokkelde verf in een dodelijk projectiel, dat een satelliet zo kan beschadigen dat hij onbruikbaar wordt.
In het kort
Vroeger navigeert men op de sterren, met kompas en kaart of met radar. Tegenwoordig maakt GPS navigeren een stuk eenvoudiger.
Het idee van een satellietnavigatiesysteem ontstaat als het Amerikaanse leger de baan van de Russische Spoetnik satelliet probeert te bepalen.
Om gebruik te maken van GPS is een relatief vrije horizon nodig.
De Amerikanen zijn niet de enigen met een eigen satellietnavigatiesysteem. China heeft Beidou. Europa's satellietnavigatiesysteem Galileo kampt met tegenslag.
Het wordt steeds drukker in de ruimte. Er wordt hard gewerkt aan oplossingen om oude satellieten en ander ruimteafval op te ruimen. Bovendien zijn er strenge regels voor nieuwe satellieten.
