Plaatsbepaling door het
schieten van elektronische sterren

Kompas, sextant en schietlood, dat waren eeuwen terug zo'n beetje al de attributen om je te oriënteren. Het bepalen van de hoek van een aantal hemellichamen als kruispeiling en het daarna omrekenen met ingewikkelde tabellen naar de geografische positie was niet bepaald eenvoudig. Soms kwam het profiel van de kustlijn te hulp, en later ook het zwaailicht van de vuurtorens, maar het bleef eigenlijk behelpen.

Pas tijdens de Tweede Wereldoorlog gaan de strijdende partijen zich ook wapenen met elektronische waarnemingsmiddelen: de radar, waarmee al dan niet vijandelijke objecten in kaart worden gebracht, en het maritieme Loran-navigatiesysteem, dat een redelijke positiebepaling biedt, gebaseerd op de kruispeiling van een aantal radiobakens.

Om de reikwijdte en de nauwkeurigheid van het Loran-systeem –dat overigens alleen in de VS en sommige delen van Canada is toegepast– te vergroten, wordt het netwerk vanaf 1959 uitgebreid met een satelliet, de Transit 1A. In 1973 besluiten de Amerikaanse marine en luchtmacht een nieuw systeem te ontwikkelen, dat volledig met satellieten werkt. Het systeem krijgt de naam Global Positioning System (GPS). Het moet wereldwijd operationeel zijn voor militair-strategische toepassingen. Daartoe bouwt het Amerikaanse Pentagon geleidelijk een netwerk op van 21 Navstar-satellieten.

Civiel
Civiel gebruik wordt pas mogelijk vanaf 1983, door de uitspraak van president Reagan dat het GPS-systeem ook beschikbaar moet zijn voor wereldwijd burgerlijk gebruik. De aanleiding tot dit decreet is het neerhalen van de vlucht KAL-007 door Sovjet-gevechtsvliegtuigen nadat dit toestel de koers was kwijtgeraakt en boven het grondgebied van de Sovjet-Unie vloog.

Het GPS-systeem kan dit soort ongelukken voorkomen: het heeft niet alleen een hoge positienauwkeurigheid maar is ook niet afhankelijk van plaatselijke grondinfrastructuur en sluit menselijke fouten van de piloot uit. Uit strategisch oogpunt is vastgelegd dat civiele gebruikers niet over dezelfde nauwkeurigheid mogen beschikken als de strijdkrachten. Het GPS-systeem wordt daarom opgesplitst in een PPS- (militair) en een SPS-systeem (civiel), waarbij het laatste een veel geringere nauwkeurigheid biedt.

Tijdverschil
De basis van het systeem is het bepalen van de positie door het meten van afstanden tot bekende punten in de ruimte. In theorie zijn drie satellieten voor een kruispeiling voldoende. Door echter uit te gaan van vier satellieten wordt een grotere nauwkeurigheid bij de plaatsbepaling gewaarborgd en is het mogelijk de hoogte te bepalen. Elke satelliet zendt een bepaalde code uit op een vastgestelde frequentie (1575,42 megahertz voor het civiele systeem). Deze code bevat gegevens over de plaats van de satelliet en het tijdstip waarop de satelliet de code heeft uitgezonden.

De GPS-ontvanger vergelijkt de uitzendtijd van het signaal met de ontvangsttijd van het signaal en berekent uit het tijdverschil nauwkeurig de afstand tussen ontvanger en satelliet. Omdat de radiogolven zich met een snelheid van circa 300.000 km per seconde voortplanten is een uiterst nauwkeurige meting van de looptijden van de radiogolven tussen de satellieten en de GPS-ontvanger van essentieel belang. Daarom zijn de satellieten uitgerust met atoomklokken (gebaseerd op caesium-133 of rubidium-37) die garant staan voor een nauwkeurige referentie-tijdsbepaling.

De Navstar-satellieten cirkelen in een vrij hoge baan, zo'n 20,2 kilometer boven de aarde, met een omlooptijd van 12 uur. Voor een volledige dekking van het aardoppervlak zijn 24 satellieten ingezet. Deze vliegen onder een hoek van maximaal 55 graden met de evenaar. De satellieten volgen met iedere omloop een andere baan rond de aarde. Er zitten telkens vier satellieten in dezelfde baan, op regelmatige onderlinge afstand.

Precisieploegen
De Amerikaanse luchtmacht verricht vanuit de ”master control room” in Colorado Springs de centrale besturing en controle van het GPS-systeem. Zodoende hebben de Amerikanen niet alleen de grote nauwkeurigheid van het systeem in handen maar ook de beschikbaarheid voor de rest van de wereld. Deze afhankelijkheid brengt politieke, economische en militaire risico's met zich mee.

Om zich aan deze Amerikaanse dominantie te onttrekken, heeft de Europese Commissie een technologisch alternatief gelanceerd met het project Global Navigation Satellite System-2 (GNSS-2), beter bekend onder de naam Galileo. Galileo zal bestaan uit dertig satellieten, die op een hoogte van ongeveer 23.000 km om de aarde moeten gaan draaien. De eerste lanceringen worden in 2006 verwacht. Voorlopig is de wereld dus aangewezen op het Amerikaanse GPS-systeem.

Het Amerikaanse ministerie van Defensie beperkte in het verleden de nauwkeurigheid van de civiele versie van zijn GPS tot circa 100 meter, door opzettelijk het signaal te degraderen, de zogenaamde Selective Availability (SA). Op 1 mei 2000 besloten de Amerikanen echter om de SA af te schaffen. Hierdoor gaat de nauwkeurigheid met sprongen omhoog: een positienauwkeurigheid van enkele meters is vanaf dat moment geen enkel probleem meer. Met behulp van speciale technieken, waaronder Differential-GSM, is zelfs een nauwkeurigheid van enkele centimeters haalbaar. Hierdoor worden allerlei interessante toepassingen mogelijk, bijvoorbeeld precisieploegen of -zaaien.

Gsm-telefoon
Dat met de gsm-telefoon ook een redelijk goede positiebepaling mogelijk is, bleek wel eind 1999 bij de ontvoering van de echtgenote van Philips-topman Boonstra. Dankzij haar gsm-telefoon, die aanstond, kon de politie haar onvrijwillige tocht van het Belgische Brasschaat naar Hoek van Holland –waar zij in bewusteloze toestand in haar auto aangetroffen werd– reconstrueren.

In eerste instantie gaat het om een vrij grove plaatsbepaling, gekoppeld aan de positie van de gsm-masten. De nauwkeurigheid ligt dan in de orde van honderden meters. In de VS wordt deze mogelijkheid zelfs een verplichting: vanaf 1 oktober 2001 dienen de gsm-providers ten behoeve van alarmoproepen (vergelijkbaar met ons 1-1-2-alarmnummer) de positie van een beller met een nauwkeurigheid van 125 meter of beter door te kunnen geven. Technisch is dit niet zo moeilijk.

Het Engelse bedrijf Cambridge Positioning Systems (CPS) brengt samen met Siemens onder de naam Cursor een nieuwe technologie, onder de naam E-OTD (Enhanced Observed Time Difference) op de markt waarmee met een bestaand gsm-netwerk een positienauwkeurigheid van zelfs 50 meter wordt bereikt. Voor de nieuwe generatie UMTS-telefoons wordt dit naar verwachting zelfs 5 meter. Lothar Pauly, topman bij Siemens, ziet dit als een doorbraak. „De komende jaren zullen een dramatische toename van locatie-gebaseerde diensten te zien geven, die voor iedereen met een mobiele telefoon toegankelijk zijn.” Daarmee krijgt plaatsbepaling van auto's ook vriendelijker toepassingen dan alleen kilometerheffing: automobilisten hoeven niet meer te piekeren over de vraag waar de dichtstbijzijnde benzinepomp, parkeergarage of pizzeria is.