GPS staat voor Global Positioning System. Het 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 20.200 kilometer.

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: een ontmoetingsplek 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, 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 om coördinaten 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.

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.

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 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.

Lange tijd zijn speciale GPS-ontvangers nodig om contact te maken met de satellieten. Maar 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 het 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.

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.

Er zijn duizenden actieve satellieten in een baan om de aarde. Die worden niet alleen voor navigatie gebruikt, maar ook voor communicatie, spionage en wetenschap. 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. 

De kleinere stukjes ruimteafval kunnen niet vanaf aarde gevolgd worden. Modellen laten zien dat het gaat om miljoenen stukjes. 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.