Mobiele detectie: GPS-locatie

Het Global Positioning System (GPS)

The Global Positioning System (GPS) is a location system developed by the United States Department of Defense for military purposes. It provides accurate estimates of position, velocity, and time by using a computer network and a constellation of 24 satellites to determine the altitude, longitude, and latitude of any object on the Earth’s surface through triangulation. The system has been operational since 1995.

Civiel gebruik van GPS

In de civiele sfeer is om veiligheidsredenen alleen een gedegradeerde subset van GPS-signalen toegestaan. De civiele gemeenschap heeft echter alternatieven gevonden om via differentiële technieken een uitstekende locatieprecisie te verkrijgen. Deze technieken hebben geleid tot een enorme groei in civiele toepassingen en er zijn momenteel meer dan 70 fabrikanten van GPS-ontvangers.

Werkingsprincipes

Het doel van de GPS-systeem is het berekenen van de positie van een willekeurig punt in een ruimte met coördinaten (x,y,z), te beginnen met de berekening van de afstanden van het punt tot minimaal drie satellieten waarvan de locatie bekend is. De afstand tussen de gebruiker (GPS-ontvanger) en een satelliet wordt gemeten door de vliegtijd van het signaal dat door de satelliet wordt uitgezonden te vermenigvuldigen met de voortplantingssnelheid.

Om erachter te komen hoe lang het radiosignaal erover deed om te reizen, moeten de klokken van de satellieten en de ontvangers op dezelfde tijd worden ingesteld. Dit komt omdat ze allebei op hetzelfde moment dezelfde code moeten uitzenden. Maar terwijl de klokken op de satellieten zeer nauwkeurig zijn, zijn de klokken op de ontvangers goedkope kwartsoscillatoren die niet nauwkeurig zijn. Afstanden met fouten door synchronisme worden pseudoranges genoemd. Het verschil in de klokken van de ontvangers is een andere onbekende waardoor het nodig is om minstens vier satellieten te gebruiken om uit te vinden waar de ontvangers zich bevinden.

Berekening van pseudohoeken

Bij het berekenen van de pseudoranges wordt er rekening mee gehouden dat GPS-signalen zwak zijn en ondergedompeld worden in de achtergrondruis die inherent is aan de planeet in de radioband. Deze natuurlijke ruis bestaat uit willekeurige pulsen, waardoor GPS-ontvangers een kunstmatige pseudo-willekeurige code genereren als een patroon van fluctuaties. Op elk moment zendt een satelliet een signaal uit met hetzelfde patroon als de pseudo-willekeurige reeks die door de ontvanger wordt gegenereerd. Op basis van deze synchronisatie berekent de ontvanger de afstand door zijn pseudo-willekeurige code in de tijd te verplaatsen totdat deze samenvalt met de ontvangen code; deze verplaatsing komt overeen met de vluchttijd van het signaal. Dit proces wordt automatisch, continu en onmiddellijk uitgevoerd in elke ontvanger.

Grondstations en atoomklokken

Hoewel de snelheid van de satellieten hoog is (4 km/s), kan hun momentane positie worden geschat met een fout van minder dan enkele meters op basis van een voorspelling van eerdere posities in een periode van 24 tot 48 uur. De grondstations controleren periodiek de atoomklokken van de satellieten, twee van cesium en twee van rubidium, en sturen de efemeriden en de correcties van de klokken door, aangezien de precisie van de klokken en de stabiliteit van de baan van de satellieten essentieel zijn voor de werking van het GPS-systeem.

Foutbronnen in GPS

Er zijn verschillende foutbronnen die GPS-metingen kunnen beïnvloeden. Enkele van de belangrijkste bronnen zijn:

- Ionosferische storing: De ionosfeer bestaat uit een laag elektrisch geladen deeltjes die de snelheid kunnen beïnvloeden van radiosignalen die er doorheen gaan.

- Meteorologische verschijnselen: Waterdamp in de troposfeer, de laag die het dichtst bij het aardoppervlak ligt, kan elektromagnetische signalen vertragen en fouten in GPS-metingen veroorzaken die moeilijk te corrigeren zijn.

- Onnauwkeurigheid in klokken: Zelfs met zorgvuldige afstelling en controle kunnen atoomklokken van zowel GPS-satellieten als ontvangerklokken kleine afwijkingen vertonen.

- Onvoorziene elektrische storing: Elektrische interferentie kan fouten veroorzaken in de correlatie van pseudo-willekeurige codes of in de baanberekening, wat kan leiden tot mismatches tot een meter.

- Multipadfout: GPS-signalen kunnen worden weerkaatst door oppervlakken voordat ze de ontvanger bereiken, wat leidt tot fouten in de gemeten afstand. Het is een uitdaging om deze fout te minimaliseren omdat deze afhankelijk is van de omgeving van de GPS-antenne.

- Selectieve beschikbaarheid (S/A): Het leger introduceert deze bron van fouten opzettelijk, waardoor het de grootste is.

- Topologie ontvanger-satelliet: De ruimtelijke opstelling van zichtbare satellieten die worden gebruikt bij de berekening van afstanden kan de nauwkeurigheid van GPS-metingen beïnvloeden. Geavanceerde ontvangers kunnen de fout in afstandsmetingen wijzigen.

Deze foutbronnen kunnen worden onderverdeeld in bronnen die afhankelijk zijn van de geometrie van de satellieten en bronnen die dat niet zijn. Selectieve beschikbaarheid en klokfouten worden niet beïnvloed door de vorm van de satelliet, maar ionosferische en troposferische vertragingen en multipadfouten worden sterk beïnvloed door de vorm van de satelliet. Elke GPS-positiemeting heeft een waarde die "onzekerheid"die gebaseerd is op alle verschillende foutbronnen.

GPS-toepassingen

GPS-toepassingen worden op verschillende gebieden gebruikt, waaronder navigatiehulpsystemen, modellering van de atmosfeer en de ruimte op aarde en tijdmeting met hoge precisie. Hier volgen enkele voorbeelden van GPS-systemen die op civiele gebieden worden gebruikt:

- Studie van atmosferische verschijnselen: GPS-signalen zijn nuttig bij het ontwikkelen van weersvoorspellingsmodellen door het analyseren van de snelheidsveranderingen die worden veroorzaakt door waterdamp in de troposfeer.

- Locatie en navigatie in onherbergzame gebieden: GPS wordt gebruikt bij onderzoeksexpedities in moeilijk toegankelijke gebieden of gebieden zonder oriëntatiepunten. Dit helpt om de kennis van pool- of woestijngebieden te verdiepen.

- Geologische en topografische modellen: GPS wordt gebruikt door geologen om de beweging van tektonische platen te bestuderen en om aardbevingen te voorspellen. Het is ook een basisinstrument voor topografie bij landmetingen en bos- en landbouwinventarisaties.

- Civiele techniek: GPS wordt gebruikt om in realtime de vervormingen te volgen van grote structuren die worden belast, zoals metalen of betonnen structuren.

- Automatische alarmsystemen: GPS wordt gebruikt in alarmsystemen die verbonden zijn met sensoren die het transport van vervuilende en bederfelijke goederen met een hoog risico bewaken. Dankzij het alarm kan er snel hulp worden geboden aan het voertuig.

- Synchronisatie van signalen: De elektriciteitsindustrie gebruikt GPS om de klokken van de meetstations te synchroniseren en zo mogelijke storingen in de elektriciteitsvoorziening op te sporen.

- Begeleiding voor lichamelijk gehandicapten: Er worden GPS-systemen ontwikkeld om blinden te helpen navigeren door de stad. Het wordt ook bestudeerd voor gebruik in het toerisme om routes tussen verschillende plaatsen op een route te optimaliseren.

- Navigatie en besturing van wagenparken: GPS wordt gebruikt voor trajectplanning en wagenparkbeheer door organisaties zoals de politie, hulpdiensten, taxicentrales, koeriersdiensten en koeriersbedrijven.

- Burgerluchtvaartsystemen: GPS wordt in de burgerluchtvaart gebruikt om te helpen bij navigatie en landingen. Het belang ervan heeft geleid tot de ontwikkeling van systemen om de nauwkeurigheid van GPS te verbeteren.

- Navigatie zonder hulp: GPS is opgenomen in DGPS-systemen voor nauwkeurig manoeuvreren in gebieden met druk verkeer, in autonome landvoertuigen, bewaking in vijandige omgevingen en vrachtvervoer.

Dankzij de hoge precisie van GPS-metingen is er belangrijke vooruitgang geboekt in de ruimte in lage banen. Robots kunnen nu zelfstandig gevaarlijke taken uitvoeren, zoals het inspecteren, repareren en in elkaar zetten van kunstsatellieten.

De toekomst van GPS

In 1996 werd in de regelgeving voor GPS-systemen bepaald dat selectieve beschikbaarheid in 2006 zou worden afgeschaft en dat er één frequentie meer zou worden opgenomen voor civiel gebruik. Dit betekent dat binnen een paar jaar, GPS-satellieten verzenden civiele code op zowel de L2- als de L1-frequentie.. Dit creëert een redundantie die het mogelijk maakt om ionosferische fouten te schatten en geeft een absolute modusprecisie die vergelijkbaar is met wat kan worden bereikt met differentiële technieken. Het signaal op de L1-frequentie zal hetzelfde blijven, dus de huidige ontvangers zullen nog steeds kunnen werken.

Het besturingssegment zal worden verbeterd met het opstarten van een nieuw besturingssysteem, dat zich momenteel in de ontwerpfase bevindt, voor het expertstation. Dit zal in totaal twintig controlestations omvatten, wat zal leiden tot een nauwkeurigere controle van de efemeriden en satellietklokken.

De huidige GPS-, GLONASS- en GPS/GLONASS-navigatiesystemen kunnen echter niet voldoen aan de strenge veiligheidsnormen die vereist zijn voor sommige civiele toepassingen, zoals luchtvaartnavigatie. De melding van fouten aan de gebruiker met betrekking tot de werking van het systeem kan variëren van een seconde, wanneer de fout optreedt in de satelliet, tot enkele uren, in gevallen waarin het besturingssegment de storing detecteert.

Om deze nadelen op te lossen, ontwikkelt Europa EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), dat in 2003 operationeel zal zijn. Dit systeem zal voldoen aan de veiligheidsnormen voor luchtvaartnavigatie door de installatie van een netwerk van 34 vaste ontvangstantennes (RIMS) op het land om GPS-signalen te ontvangen en plaatsbepalingsfouten te verminderen. Deze signalen worden naar een controlecentrum gestuurd waar de satellietinformatie wordt gekalibreerd, de mogelijke fout wordt gemeten om deze te corrigeren, en weer naar 10 grondstations wordt gestuurd. Daarnaast zullen deze signalen naar twee nieuwe geostationaire INMARSAT-satellieten op een hoogte van 35.000 km worden gestuurd, die als repeaters zullen fungeren en de signalen naar de gebruikers zullen sturen. Zowel de VS (WAAS: wereldwijd augmentatiesysteem) en Japan (MTSAS: MTSAT Satellite-Based Augmentation System) werken aan soortgelijke diensten.

Europa zal ook GNSS-1 lancerenwat staat voor "Global Navigation Satellite System 1." Dit systeem zal de diensten van GPS, GLONASS, EGNOS, WAAS en MTSAS combineren. Dit zal de eerste stap zijn naar een Europees plaatsbepalingssysteem (GNSS-2 of Galileo) dat gebruik zal maken van een constellatie van Europese satellieten.

Tot slot moet worden opgemerkt dat GPS en GPS/GLONASS de komende vijf jaar de enige plaatsbepalingssystemen op basis van satellieten zullen zijn die operationeel zijn.

Conclusie

Om een hoge mate van nauwkeurigheid te bereiken, moet men zich bewust zijn van de oorsprong van GPS-meetfouten. De NOAA GPS Toolbox is een essentieel hulpmiddel voor onderzoekers en ingenieurs die met GPS-technologie werken, aangezien het nuttige software en hulpmiddelen biedt om deze onnauwkeurigheden te helpen verminderen.