Spoiler

Over satellieten, volgstations en ontvangers

Geschreven door Team FlatSunset

Voor onze hobby kunnen de meesten van ons niet buiten een GPS-ontvanger. Daar is de hobby mee begonnen, en alhoewel er varianten zijn die zonder GPS-ontvanger te doen zijn, is het voor velen toch een onmisbaar gereedschap.

Maar hoe is dat GPS-gebeuren nou ontstaan en hoe werkt nou eigenlijk? Dat gaan we proberen uit te leggen...

Positiebepaling en navigatie zijn al heel oud. Vroeger deed men dat op zee nog met sextanten, kompassen en kaarten, totdat de radiografie en radar hun intrede deden. Het Amerikaanse Ministerie van Defensie (DoD) wilde echter een wereldomvattend systeem dat zeer nauwkeurig was, zodat daarmee ook lange afstandsraketten trefzeker hun doel zouden raken.

Hierdoor ontstond het idee van een netwerk van satellieten waarvan de uitgezonden signalen gebruikt konden worden om posities te bepalen. Uiteraard was het gebruik hiervan aan banden gebonden: het leger hield een gecodeerd signaal voor zichzelf met hoge precisie (tot op een paar meter nauwkeurig), terwijl een minder nauwkeurig signaal (nauwkeurigheid van ongeveer honderd meters) vrij te gebruiken was voor een ieder die hier een toepassing voor had. Dat 'publieke' signaal was niet nauwkeurig genoeg voor positiebepaling, laat staan navigatie, en was dus niet echt in gebruik bij de grote massa.

Hier kwam kortgeleden verandering in toen het DoD besloot het 'publieke' (SA: Selective Availability) signaal vrij te geven voor algemeen gebruik. Daarop volgde een hoop nieuwe consumentenproducten die dankbaar gebruik maken van dat signaal: GPS-ontvangers, navigatiesystemen voor auto, motor en boot, volgsystemen voor vrachtwagens e.d., enz. In 2000 werd de eerste cache gelegd om te vieren dat het SA-signaal vrijgegeven is, en in 2001 hadden we de eerste cache in eigen land.

Maar hoe werkt dat GPS dan?

GPS bestaat uit drie onderdelen:

• Het netwerk van satellieten
• Volgstations op aarde
• GPS-ontvangers bij de eindgebruikers

Op dit moment zijn er zo'n 30 satellieten in gebruik, die allen op een hoogte van iets meer dan 20.000km boven de aarde hun baan beschrijven. Dat baan beschrijven doen ze in iets minder dan 12 uur. Op elk moment en op elke willekeurige positie op aarde moet het mogelijk zijn om minimaal vier satellieten 'in het zicht' te hebben. De satellieten hebben een atoomklok aan boord (waarom dit zo is wordt zo uitgelegd) en sturen een aantal signalen uit. Deze signalen bevatten een hoop informatie, waaronder de tijd, een unieke code om de satelliet aan te duiden, diens positie, enz.

De volgstations hebben ook een zeer belangrijke taak: zij pikken ook de signalen op van de passerende satellieten, controleren de atoomklokken en geven indien nodig correcties door om tijdsafwijkingen tot een minimum te beperken, en geven de satelliet informatie om afwijkingen als gevolg van atmosferische storingen e.d. te kunnen compenseren.

De eindgebruiker ontvangt met een GPS-ontvanger (bijvoorbeeld zoals wij geocachers ze gebruiken) de signalen van de satellieten. Aan boord van deze ontvangers zit een nauwkeurige klok die gesynchrioneerd wordt met de atoomklokken in de satellieten. Het tijdstip waarop de satelliet een signaal uitzendt wordt vergeleken met het tijdstip waarop de ontvanger dit binnenkrijgt. Daar de snelheid van het signaal een vast gegeven is, kan men dus de afstand berekenen. Oftewel, onze ontvanger weet van elke satelliet exact wat de afstand is, en diens positie.

Onze eigen positie bepalen! Hoe? Zo!
Stel, we staan op positie 'B'. Als P1 en P2 de enige beschikbare satellieten zouden zijn, zouden we te weinig gegevens hebben om te bepalen wat onze positie is. Waarom? Kijk maar naar positie 'A'. Deze heeft dezelfde afstand naar P1 en P2 als positie B heeft. We hebben met twee satellieten dus twee mogelijke locaties waar we ons kunnen bevinden.

Voegen we een derde satelliet toe, P3, dan is dat probleem voorbij. De afstand van P3 naar 'A' is immers veel groter dan de afstand van P3 naar 'B'. Deze wijze van positiebepaling wordt triangulering of driehoeksmeting genoemd. Er is echter een probleem: dit werkt goed in het platte vlak (2 dimensies) maar niet in de ruimte (3 dimensies). Hiervoor dienen we nog een satelliet toe te voegen, vandaar dat er minimaal 4 satellieten 'in het zicht' zijn, zodat we ook de 3e dimensie erbij hebben.

Tot slot nog even over nauwkeurigheid: we gaven bij het stukje over volgstations al aan dat er diverse atmosferische storingen kunnen zijn die het signaal beïnvloeden en waarvoor een correctiesignaal naar de satellieten gestuurd wordt. Een grote storingsbron is bijvoorbeeld vocht. Doe zelf eens de volgende eenvoudige proef: ga op een mooie zomerdag bij heldere lucht naar buiten met je GPS-ontvanger. Leg hem neer op een plek waar je vrij zicht hebt op een blauwe hemel. Stel je ontvanger zo in dat je de nauwkeurigheid te zien krijgt. Deze zal behoorlijk goed zijn. Pak nu een doordrenkte zakdoek en leg die over de antenne heen (die zit meestal bovenin). Als het goed is zie je de nauwkeurigheid drastisch dalen! Het goede nieuws is: dit komt niet door de zakdoek maar door het vocht. Vandaar ook dat onder dicht bladerdek of een bewolkte hemel je ontvanger minder nauwkeurig functioneert.