Geschiedenis van satelliet navigatie: GPS

Net als het internet vindt satelliet navigatie zijn oorsprong in de lancering van de Spoetnik in 1957. Wetenschappers ontdekken, dat het signaal dat de sonde uitzendt ook wordt gekenmerkt door het 'Doppler effect'. Een aanstormende signaal bron veranderd van toon als de bron passeert. De toon wordt lager als de bron voorbij raast. Dit effect kent iedereen die wel eens een ambulance voorbij heeft horen komen.

Nu is het niet zo, dat je de Spoetnik voorbij hoorde vliegen en er zat ook geen sirene op, maar het Doppler effect op het radio signaal was wel degelijk meetbaar met een ontvanger die met de juiste meetinstrumenten was uitgerust. Om echter een positie vast te kunnen stellen met deze methode, was exacte kennis van de baan van de sonde noodzakelijk. Toch is deze methode toegepast door de Amerikaanse defensie diensten, voornamelijk aan boord van onderzeeërs. Men had daarvoor het 'Transit' satelliet systeem in een baan om de aarde gebracht. Deze constellatie bevond zich in een polaire baan op duizend kilometer hoogte enbestond uit zes satellieten en drie grondstations.

De eerste lancering vond plaats op 17 september 1959, maar mislukte. Een succesvolle lancering lukte op 13 april 1960, maar de satelliet werd niet operationeel. Pas op 16 juni 1963, na nog een aantal mislukte pogingen, bereikte een 'Transit' satelliet zijn baan en begon zijn werk te doen. Het systeem werd in 1964 operationeel verklaard en werd vrijgegeven voor burger gebruik in 1967. De hoge kosten van de benodigde apparatuur zorgden er echter voor, dat het systeem niet grootschalig in gebruik raakte voor civiele doeleinden. 'Transit' bleef operationeel tot 31 december 1996.

De technologie waarop het Global Positioning System, GPS, is gebaseerd werd voor het eerst getest met drie 'Timation' satellieten, waarvan de eerste in 31 mei 1967 werd gelanceerd. De volgende twee werden in 1969 en in 1974 in omloop gebracht.

De eerste 'echte' GPS satelliet, met de naam 'NAVSTAR' (Navigation Signal Timing and Ranging satellite), werd met behulp van een US Air Force (USAF) Atlas-Centaur raket op februari 1978 gelanceerd. Deze satelliet, plus de tien die volgden onder de naam 'Block I', waren gebouwd door Rockwell International. Deze groep van satellieten waren de 'demonstrateurs' van de nieuwe technologie. Hun banen verschillen iets van die van de latere GPS satellieten, 'Block I' satellieten maken hun baantjes in een hoek van 63 graden met de evenaar, de latere GPS satellieten hebben een 'inclinatie' van 55 graden.

De laatste 'Block I' satelliet werd gelanceerd in 1985. Slechts één lancering van de 'Block I' serie mislukte, nummer zeven.

De eerste satelliet in 'Block II' ging in 1989 naar boven met een Delta raket en werd gevolgd door nog eens acht 'Block II' satellieten. Daarna volgden 15 verbeterde 'Block II A' satellieten, ook door Rockwell gebouwd. Op 9 maart 1994 bereikte de laatste 'Block II A' satelliet zijn baan om de aarde. Daarmee vormt 'Block II (A)' de huidige GPS constellatie van 24 satellieten in 6 baanvlakken, met elk 4 satellieten.

'Block II' satellieten hebben niet het eeuwige leven. hun levensduur wordt geschat op 7 jaar. Daarom is de US Air Force druk bezig met vervangers. De reeks 'replacements' staat bekend onder de naam 'Block II R' en werd gebouwd door Lockheed Martin. De eerste satelliet in deze serie werd gelanceerd op 27 maart 1996 met een Delta II raket. Er zijn 20 satellieten gebouwd voor 'Block II R' en de laatste staat voor lancering gepland in 2009. 12 satellieten van deze serie zijn aangepast aan de laatste stand van de techniek en doen als 'Block II R-M' hun werk op 20 duizend kilometer en honderd meter hoogte boven het aardoppervlak.

Inmiddels is al begonnen met de lancering van de 'Block II F' serie, 12 satellieten, ditmaal gebouwd door Boeing, dat Rockwell's space assets in 1996 heeft overgenomen.

De lancering van de 'Block II F' satellieten gaat gepaard aan verbeteringen van de grondstations, die verdeeld worden in verschillende segmenten. De algemene controle ligt bij het 'GPS Master Control Station (GPS MCS)', thuis op de Falcon Air Force Basis, even buiten Colorado Springs, in Colorado. Het MCS staat in verbinding met vier 'active-tracking ground antenne stations' en vijf passive-tracking monitor stations. Deze stations, waarvan de ligging heel precies bekend is, vangen de signalen van de GPS constellatie op en sturen deze door naar het MCS. Daar worden eventuele tijdsverschillen in de signalen vastgesteld en correcties vervolgens naar de betreffende satellieten verstuurd.

Intussen wordt er al nagedacht over 'Block III'. De US Air Force maakt zich in toenemende mate zorgen over de voortgang van het GPS systeem. Er zijn weliswaar voldoende vervangers voorhanden, maar men zit krap in de raketten die deze satellieten in een baan om de aarde moeten brengen. Wat deze problemen verder compliceert is het feit, dat als men snel zou kunnen doorgaan met de lancering van 'Block II R-M' satellieten, dit geld weghaalt bij de ontwikkeling van het 'Block II F' systeem. Dit zou dan weer voor vertraging kunnen zorgen in het in de lucht brengen van de 'Block III' constellatie. Deze situatie zorgt er voor, dat de US Air Force regelmatig laat bidden voor het voortbestaan van de huidige constellatie, maar of dat helpt is twijfelachtig. Intussen zijn we zover dat niemand eigenlijk weet welke satelliet er als volgende mee op zal houden.

Daarnaast zeurt de Amerikaanse luchtmacht, dat het leger eigenlijk mee zou moeten betalen. Sinds de Golf oorlog is het leger immers 'medegebruiker' van de GPS constellatie. Om dit te realiseren zijn echter nogal ingewikkelde veranderingen in de Amerikaanse overheids administratie noodzakelijk.

Geschiedenis van satelliet navigatie: Galileo

In de jaren 90 denken een aantal Europese landen, waaronder Duitsland, Frankrijk, Italië en Engeland, na over een netwerk van navigatie satellieten dat Europa minder afhankelijk moet maken van de Verenigde Staten. In 1999 wordt besloten tot een gezamenlijke aanpak van de realisatie van 'Galileo'. Weinig andere Europese lidstaten zijn echter bereid het miljarden project mede te financieren en in 2002 zegt een woordvoerder van de Europese commissie dat het Galileo project 'zo goed als dood' is. Na de 9 september gebeurtenissen dringen de Verenigde Staten er bij Europa op aan het hele project maar te vergeten, het zou de wereld veiligheid in gevaar brengen. Het is deze Amerikaanse druk die het waakvlammetje van de Europese eenheid aanwakkert en aan het eind van 2002 is er zelfs meer geld bijeen dan nodig is om Galileo doorgang te laten vinden.

In maart 2003 worden de Europese commissie en het European Space Agency (ESA) het eens over de financiering en op 26 mei 2003 gaat het Galileo project van start.

Het Europese Galileo project is genoemd naar de Italiaanse astronoom Galileo Galilei en zou niet aangesproken moeten worden met 'GPS', wat staat voor het Amerikaanse 'Global Positioning Satellite' systeem. Galileo onderscheidt zich van GPS doordat het:

• - Een grotere nauwkeurigheid biedt.
• Er voor iedereen is.
• Ook de Scandinavische landen omvat.
• In oorlogstijden niet wordt uitgezet.

De voorbereidingen duurden tot 2005 en de opstart kosten werden berekend op 1,1 miljard Euro. De dertig satellieten zullen vanaf 2006 tot 2010 in hun baan om de aarde worden gebracht. De totale kosten voor het Galileo project worden geschat op 3 miljard Euro, inclusief de grondstations, die tussen 2006 en 2007 worden gebouwd.

Een gecodeerd kanaal met een nauwkeurigheid van beter dan 1 meter komt beschikbaar tegen extra betaling, terwijl de basis voorziening gratis ter beschikking staat van iedereen die er gebruik van wil maken.

In juni 2004 heeft de Europese commissie met de Verenigde Staten afgesproken, gebruik te gaan maken van frequenties bekend als Binary Offset Carrier 1.1, die het zowel de Europeanen als de Amerikanen mogelijk maakt elkaars signalen te blokkeren zonder dat het gehele netwerk 'plat' gaat. Ook zijn er afspraken gemaakt over samenwerking in 'extreme' omstandigheden.

Internationale samenwerking

In september 2003 sloot China zich aan bij Galileo. Het land zal 230 miljoen Euro investeren in het project. Israël besloot in juli 2004 mee te doen en in juni 2005 kwam de Oekraïne er bij. India sloot zich aan in 2005 en heeft plannen voor de realisatie van een correctie systeem gebaseerd op de 'European Geostationary Navigation Overlay Service' (EGNOS). Ook nog in 2005 werd het Galileo gezelschap uitgebreid met Marokko en Saoedi-Arabië. Zuid Korea sloot zich in 2006 aan.

Andere landen die belangstelling tonen voor deelname aan het Galileo project zijn Argentinië, Australië, Brazilië, Canada, Chili, Japan, Maleisië, Mexico, Noorwegen, Pakistan en Rusland.

Technische gegevens

Galileo zal bestaan uit een constellatie van 30 satellieten op een hoogte van 23222 kilometer (MEO), in 3 baanvlakken, met een inclinatie van 56 graden (9 operationele satellieten en 1 actieve reserve per baanvlak)

Een satelliet heeft een levensduur van meer dan 12 jaar, weegt 675 kilogram, meet 2.7 meter bij 1.2 meter bij 1.1 meter en met uitgeklapte zonnepanelen 18.7 meter, die zorgen voor 1500 Watt aan energie.

Diensten die Galileo gaat leveren:

• De 'Open Service (OS) is er voor iedereen. De OS signalen zullen worden uitgezonden in twee banden: 1164 - 1214 MHz en 1563 - 1591 MHz. Ontvangers Die beide banden gebruiken hebben een nauwkeurigheid van beter dan 4 meter horizontaal en 8 meter verticaal. Bij gebruik van slechts één band is de nauwkeurigheid 15 meter horizontaal en 35 meter verticaal, vergelijkbaar met de nauwkeurigheid die nu met het Amerikaanse GPS systeem kan worden behaald. Het ligt in de verwachting dat de meeste commerciële toepassingen van twee banden gebruik gaan maken.
• Het gecodeerde signaal dat tegen betaling beschikbaar komt heeft een nauwkeurigheid van beter dan een meter en kan met ondersteuning van grondstations een nauwkeurigheid bereiken van beter dan 10 centimeter. Dit signaal maakt gebruik van de twee OS frequentie banden en een extra band tussen 1260 en 1300 MHz.
• De 'encrypted Public Regulated Service' (PRS) en de 'Safety of Life Service' (SoL) hebben een nauwkeurigheid die vergelijkbaar is met de OS. Deze diensten zullen voornamelijk worden gebruikt als back-up bij (ver)storingen en om binnen 10 seconden alert te reageren in geval van noodsituaties. De gebruikers zijn politie, brandweer en het leger, maar de dienst gaat ook gebruikt worden als automatische lucht verkeersleiding en landing begeleider.
• Daarnaast is Galileo in staat signalen op te vangen van kustwacht stations in de 406.0 - 406.1 MHz band en maakt daarmee deel uit van het 'Global Maritime Distress Safety System'.

Recente ontwikkelingen

Op 28 december 2005 werd de eerste Galileo satelliet, Giove-A, gelanceerd vanaf de Baikonur lanceerbasis in Kazakhstan.
De satelliet begon zijn uitzendingen zoals gepland om 09:01 UTC vanaf zijn baan op 23,222 km hoogte. GIOVE-A, gebouwd door Surrey Satellite Technology Ltd (SSTL), heeft twee rubidium atoomklokken aan boord en twee, onafhankelijk van elkaar ontwikkelde, signaal generatoren. Ook is meetapparatuur aan boord om de straling in de 'intermediate circular orbit' (ICO) vast te stellen.

De eerste signalen van Giove-A werden in januari2006 ontvangen in het Chilbolton Observatorium in Hampshire, Engeland en in het ESA station in Redu, België. Eind januari werden de resultaten voorgelegd aan de International Telecommunication Union (ITU), een proces dat moest zijn voltooid in juni 2006.

GIOVE-B, gebouwd door Galileo Industries, stond al klaar om te worden gelanceerd in het geval Giove-A zich niet van zijn taak zou kwijten. Maar de succesvolle lancering en het goed functioneren van Giove-A hebben de ESA doen besluiten rustig aan te doen met de lancering van de tweede 'demonstrateur'.

Giove-B heeft naast twee rubidium atoom klokken een passive hydrogen maser atoom klok aan boord. De lancering staat gepland in het najaar van 2006.

Hoe werkt satelliet navigatie?

GPS (Global Positioning System) heeft 24 kunstmatige satellieten die zich in een baan om de aarde bewegen op een afstand van 12.600 mijl/20.300 kilometer terwijl ze radiosignalen uitzenden. Het patroon van deze baan is dusdanig uitgestippeld dat een GPS-ontvanger waar dan ook op aarde altijd ‘zichtbaar’ is (en daarom ook signalen kan ontvangen) van minstens vier satellieten.

Met de informatie van deze vier satellieten kan uw GPS uw locatie bepalen door middel van ‘trilateratie’. Dit is in wezen hetzelfde idee als triangulatie, maar dan zonder het gebruik van hoeken.

Trilateratie in 3D is een beetje lastig uit te leggen, dus laten we beginnen met simpele 2D-trilateratie.

2D-trilateratie

Stelt u zich eens voor dat u volledig verdwaald bent. U wordt op een ochtend wakker in een vreemde hotelkamer en hebt geen idee waar u bent. U gaat naar beneden en vraagt aan de hotelreceptionist “Waar ben ik?”. “Geen idee” zegt hij, “maar ik kan u wel vertellen dat u zich 593 mijl/955 kilometer van Kopenhagen bevindt.” U weet nu dus dat u zich ergens in een cirkel rond Kopenhagen bevindt met een straal van 593 mijl/955 kilometer. U struint de stad in en stopt ergens voor een kopje koffie, waar u de serveerster vraagt waar u bent. Ze zegt “375 mijl/604 kilometer van Parijs” en loopt weer weg. Op dat moment ziet u de servetten op tafel. En bij puur toeval staan hier perfect gedetailleerde kaarten van Europa op! U neemt er één, pakt uw handige kompas- en liniaalset en tekent twee cirkels. Dus: U weet nu dat u zich op een van de twee punten bevindt waar de cirkels elkaar snijden. Er zijn maar twee punten die zich zowel op 593 mijl/955 kilometer afstand van Kopenhagen en 375 mijl/604 kilometer van Parijs bevinden. Terug op straat wordt u door een oude man geroepen. Hij vertelt u dat u zich op 317 mijl/510 kilometer van Praag bevindt. U pakt snel uw servet en kompas en tekent nog een cirkel. Nu weet u precies waar u bent: in Frankfurt!

3D-Trilateratie

3D-trilateratie is feitelijk hetzelfde als 2D-trilateratie. U moet alleen het bovenstaande 2D-voorbeeld in gedachten houden, maar dan met 3 bollen in plaats van 3 cirkels.

Stel dat u weet dat u zich 10 mijl/kilometer van satelliet A bevindt. Dit houdt in dat u zich ergens op de oppervlakte van een enorme denkbeeldige bol bevindt met een straal van 10 mijl/kilometer. Maar als u ook weet dat u zich 15 mijl/kilometer van satelliet B bevindt, kunt u de eerste bol overlappen met deze tweede bol met een straal van 15 mijl/kilometer. De twee bollen snijden elkaar in een perfecte 2D-cirkel. En als u nu ook nog weet dat u zich 8 mijl/kilometer van een derde satelliet bevindt, zult u zien dat bij het maken van de derde bol deze de cirkel op twee punten snijdt (net als in het tweecirkeldiagram in het 2D-voorbeeld). Maar u beschikt ook nog over een vierde bol: de aarde zelf. Slechts één van de twee snijpunten die u net hebt vastgesteld, bevindt zich daadwerkelijk op aarde. Dus, ervan uitgaande dat u niet ergens in de ruimte rondzweeft, weet u nu precies waar u zich bevindt. GPS-ontvangers maken gewoonlijk echter gebruik van minstens vier satellieten voor een grotere nauwkeurigheid.

Tijd en afstand

De 24 op dit moment in gebruik zijnde navigatie satellieten van het GPS zijn in zodanige banen gezet, dat je er altijd vier 'kan zien'. Maar met wat geluk en zonder al te veel hoge gebouwen in de buurt ziet een GPS ontvanger er soms wel 7 of 8. Iedere satelliet beschikt over een atoomklok die op de nano seconde gelijk loopt en zendt voortdurend radio signalen uit. De afstand tot een satelliet wordt uitgerekend door het tijdverschil te meten tussen het moment van uitzenden en het moment van ontvangst. Gewoon het tijdverschil vermenigvuldigen met de lichtsnelheid, ietsje minder dan drie honderd duizend kilometer per seconde, (299.792.458 m/s) en je hebt de afstand. Maar dan moet de klok in mijn GPS ontvanger wel precies gelijklopen met de klok in de satelliet. En dat is niet zo. Zodra de GPS ontvanger contact heeft gemaakt met een satelliet begint de ontvanger het interne klokje te synchroniseren met die van de satelliet. Door dit meerdere malen per seconde te doen ontstaat er een pseudo atoomklok in de ontvanger. Bij ontvangst van meerdere satellieten, wat altijd het geval zal zijn, wordt die synchronisatie per satelliet herhaald. Door het gemiddelde van eventuele verschillen te berekenen is de nauwkeurigheid van het klokje in de ontvanger net zo goed als die van de dure atoomklokken in de satellieten.

Omdat een navigatie satelliet ook zijn positie uitzend heb je dus de twee componenten per satelliet beschikbaar, die nodig zijn om trilateratie toe te passen.

Nauwkeurigheid

Een tijdverschil van 1 microseconde (een miljoenste seconde) maakt een verschil uit van 300 meter. Het uitrekenen van de tijd die verstrijkt tussen het uitzenden en ontvangen van het satelliet signaal moet dus uiterst nauwkeurig gebeuren. Een aantal factoren maakt dat moeilijker dan we zouden willen.

Allereerst is daar de Ionosfeer, de laag om de aarde die ons beschermt tegen ongewilde straling. Onder invloed van zonne-activiteit kan deze laag een obstakel zijn voor radio signalen. De foutmarge die de Ionosfeer introduceert ligt tussen de -5 en +5 meter.

De baan om de aarde van een navigatie satelliet, de Ephemeris, is niet stabiel. Nu en dan moeten correcties worden uitgevoerd om de satelliet weer in z'n juiste baan te brengen. Daarbij komt, dat het Ephemeris signaal van de satelliet slechts eens per 30 seconden wordt uitgezonden. De positie van een satelliet is dus niet altijd heel precies bekend. Dit levert fouten op van -2,5 en +2,5 meter.

Het signaal van een navigatie satelliet kan de ontvanger via reflecties bereiken. Het signaal 'botst' dan eerst tegen bijvoorbeeld de muur van een gebouw en wordt dan teruggekaatst en ietsje later door de ontvanger gezien. We spreken in zo'n geval van 'multipath reflecties', die goed zijn voor een foutmarge van 1 meter.

Ook de luchtvochtigheid speelt een rol, hoewel geen grote. Maar ga niet onder een boom staan met natte bladeren. De kans is groot, dat je dan zelfs dekking verliest.

De rol van de GPS ontvanger

Gedurende de laatste 10 jaar zijn GPS ontvangers steeds kleiner, goedkoper en nauwkeuriger geworden. Een jaar geleden werd de SiRF3* chipset geïntroduceerd. Ontvangers die met deze chipset zijn uitgerust kunnen 12 satellieten tegelijk ontvangen, zijn zeer gevoelig en hebben een snelle processor aan boord. Een mooi voorbeeld is de Garmin GPSMAP 60CSX, die ook nog een batterij heeft die ongeveer 20 uur meegaat. De prijzen liggen op dit moment tussen € 100 en € 500. Oudere ontvangers, zoals de Garmin Etrex moesten het nog doen met de SiRF2* chipset, die beduidend minder gevoelig is, wat vaker resulteert in de 'geen dekking' boodschap.

Koude, warme en hete start

Er moet dus heel wat rekenwerk gebeuren voordat de ontvanger weet hoe laat het is, waar de ontvangen satellieten uithangen, wat er te corrigeren valt en hoe de resultaten van dit alles er uit zien. Dit bepaalt de 'wachttijd' van een GPS ontvanger die we ervaren tijdens de 'koude start'. Een koude start van 45 seconden is normaal. Als de ontvanger eenmaal de meest basale informatie heeft uitgerekend wordt deze informatie in een tijdelijk geheugen opgeslagen. Bij een 'warme' start' kan dus worden teruggevallen op deze gegevens. Daarom duurt een 'warme start' aanzienlijk korter. Een 'hete start' gebeurt tijdens een navigatie sessie waarbij het signaal tijdelijk niet ideaal is, maar niet voldoende 'slecht' om terug te vallen op een vorige situatie.

Steeds meer GPS ontvangers met de SiRF3* chipset komen op de markt en het is ondoenlijk om hier een lijst van ontvangers bij te houden. Kijk bij aanschaf naar het soort chipset, de batterijduur en de bedienbaarheid van de ontvanger.