GPS, wat is dat eigenlijk?

Het Global Positioning System (GPS) bestaat uit 24 satellieten. Ieder van deze satellieten draait twee keer per dag in een vaste baan om de aarde en zendt een uniek signaal uit.

Image 

Een GPS ontvangsttoestel verwerkt de signalen afkomstig van de GPS satellieten met behulp van de door de satellieten uitgezonden almanak. Deze almanak bevat een beschrijving van de banen van de GPS satellieten (de satellietefemerieden). Het GPS systeem wordt onderhouden door het Amerikaans Ministerie van Defensie.

Basisprincipe van de ruimtegeodesie.

Uit de gemeten tijd dat het signaal erover doet om de GPS ontvanger te bereiken en de beschikbare satellietefemerieden  kan de exacte plaats van de waarnemer bepaald  worden.
Uit de gemeten looptijd van het GPS signaal en de gekende satellietefemerieden kan men afleiden dat de waarnemer zich ergens op een bol moet bevinden, met middelpunt de positie van de GPS satelliet en straal de gemeten looptijd. Om echt je positie te bepalen op aarde, zijn dus minimaal drie satellieten nodig. Op het snijpunt van de drie iso-chrone bollen ligt de positie van de waarnemer. In de praktijk is het echter nodig om nog een vierde satelliet waar te nemen. Deze laatste waarneming zal ervoor zorgen dat de gemeten looptijden gecorrigeerd  kan worden voor eventuele synchronisatiefouten van de klok van de waarnemer.

Gedetailleerde beschrijving.

De Geodesie omvat in de eerste plaats de studie van de vorm en de dimensies van de aarde. Bij de  klassieke geodesie maakt men een onderscheid tussen de altimetrie en de planimetrie. Bovendien dienen punten op het aardoppervlak onderling zichtbaar te zijn om hun posities t.o.v. elkaar te bepalen. De ruimtegeodesie daarentegen overstijgt de beperkende onderlinge zichtbaarheid van de klassieke geodesie, vermits satellieten gelijktijdig vanuit verschillende plaatsen op het aardoppervlak zichtbaar zijn. Hierdoor kunnen globaal alle coördinaten in eenzelfde gemeenschappelijk globaal referentiesysteem bepaald worden, hetgeen toepassingen op internationaal niveau mogelijk maakt.

Image


Het NAVSTAR/GPS (Navigation by Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System) werd in de jaren '70 tot leven geroepen door de United States Department of Defence (DoD) en het Defence Mapping Agency (DMA). Het Global Positioning System is een navigatiesysteem dat positie-, snelheids- en tijdsbepaling toelaat. De eerste GPS satelliet werd gelanceerd in 1978. Het systeem is gedeeltelijk gedeklassifieerd en bruikbaar voor niet-militaire toepassingen. Ondanks het feit dat GPS ontworpen was als militair navigatiesysteem, bewees het reeds snel een potentieel te bezitten voor geodetische toepassingen.

Het ruimtesegment.

Omvat 28 satellieten, deze satellieten bewegen in quasi-circulaire orbieten op een hoogte van 20.200 km boven het aardoppervlak. De orbitale periode bedraagt 12 uren siderale tijd. De ruimtelijke spreiding van de satellieten garandeert dat op ieder moment en op elke plaats op aarde minstens 4 satellieten zichtbaar zijn. De satellieten opereren op 2 draaggolven in de L-band die gegeneeerd worden door vermenigvuldiging van de; nominale frequentie f0 (10.23 MHz) :

  • L1= 154 x f0 = 1575.42 MHz (met golflengte = 19.05 cm)
  • L2= 120 x f0 = 1227.60 MHz (met golflengte = 24.43 cm)
Image
 
Deze draaggolven worden gemoduleerd door de volgende signalen:
  • De C/A-code (Course Acquisition), ook de Standard Positioning Service (SPS) genoemd, bestaat uit een opeenvolging van de binaire getallen 0 en +1. Deze code herhaalt zich iedere msec en de modulatiefrequentie bedraagt 1.023 MHz. Iedere satelliet wordt door een unieke SPS code gekenmerkt.
  • De P-code, ook de Precise Positioning Service (PPS) genoemd, bestaat uit een opeenvolging van de binaire getallen 0 en +1. De code herhaalt zich om de 267 dagen en wordt uitgezonden op een frequentie van 10.23 MHz. Aan iedere satelliet wordt een uniek segment van 1 week lengte toegekend.
  • De Y-code is similair aan de P-code. De Y-code vervangt de P-code sinds januari 1994 omwille van vrijwillige militaire storingen. In tegenstelling tot de P-code is het algoritme voor de generatie van de Y-code geclassifieerd. Hierdoor brengt het  invoeren van de Y-code bepaalde beperkingen met zich meebrengen.
De L1 draaggolf wordt gemoduleerd door de C/A code en de P-code (of Y-code), L2 bevat alleen de P-code (of Y-code). Beide draaggolven worden ook gemoduleerd door de uitgezonden navigatiebericht, die informatie bevatten over de satellietorbieten, de ionosfeer, de satelliet klokfout en de gezondheid van de satellieten. Deze data worden gedecodeerd in de ontvanger en gebruikt voor de positiebepaling in reële-tijd.

Het controlesegment.

Bestaat uit het Master Control Station (MCS), verscheidene monitor stations verspreid over de  ganse wereld en grondantennes die de data verzenden naar de satellieten. De monitor stations ontvangen de satellietsignalen en bepalen de pseudo-afstanden tot de

Image 

waargenomen satellieten. Deze afstandsmetingen worden samen met meteorologische data verzonden naar het MCS. Het MCS berekent de toekomstige satellietorbieten, modelleert het gedrag van de satellietklokken en stelt de navigatieboodschap samen. De navigatieboodschap wordt op zijn beurt naar de grondantennes verzonden die het signaal doorsturen naar de satellieten.

Het gebruikerssegment.

Bestaat uit een ontvanger met antenne, een controle scherm en een data verwerkingssoftware. Dit gebruikerssegment kan bestaan uit verschillende types ontvangers, elk bestemd voor een specifieke doelgroep.

GPS ontvangers kunnen naargelang hun architectuur in 3 klassen onderverdeeld worden:
  • meer-kanaals ontvangers
  • sequentiële ontvangers
  • multiplex ontvangers
De meer-kanaals ontvangers.

De meer-kanaals ontvangers vormen de topklasse van de GPS ontvangers en worden in het algemeen alleen gebruikt voor hoog-nauwkeurige toepassingen, of in hoog dynamische situaties. Deze ontvangers beschikken over één ontvangstkanaal per satelliet, waardoor iedere satelliet continue gevolgd kan worden. Verder kan men hier nog een onderscheid maken tussen SPS en PPS ontvangers. De SPS ontvangers meten enkel de C/A-code en de L1  en/of  L2  fases. De PPS ontvangers kunnen daarentegen C/A en P-code metingen uitvoeren en de L1 en L2 frequentie waarnemen.

Image 

De sequentiële ontvangers.

De sequentiële ontvangers bestaan in een 1 of 2-kanaals versie. Het tweede kanaal wordt meestal gebruikt voor de acquisitie van een initiële satelliet of voor de collectie van de navigatie informatie. Het andere kanaal schakelt van satelliet naar satelliet met een typisch verblijf van 1 seconde per satelliet.Dit brengt met zich mee dat voor iedere satelliet per schakelbeurt een korte reacquisitiefase nodig is. Deze meetmethode heeft verder tot gevolg dat de ontvanger slechts om de 4 à 5 seconden een drie-dimensionele positie kan bepalen. Bovendien is deze positie minder nauwkeurig omdat de metingen naar de verschillende satellieten niet gelijktijdig uitgevoerd worden.

De multiplex ontvangers.

De multiplex ontvangers vormen een compromis tussen de meer-kanaals en sequentiële ontvangers. Ze kunnen, ondanks een analoog werkingsprincipe aan de sequentiële ontvangers, maar dankzij een verbeterd ontwerp, tussen de verschillende satellieten schakelen in minder dan 20 msec. Door deze hoge schakelfrequentie elimineert men de reacquisitiefase bij iedere schakelbeurt. Zowel bij de sequentiële als de multiplex ontvanger wordt het navigatiebericht voor iedere satelliet asynchroon ingeladen, waardoor een eerste positieberekening meer tijd vergt.
 
Vrijwillige degradatie van de nauwkeurigheid.

Het GPS systeem is initieel ontwikkeld als een primair militair navigatiesysteem dat onder de verantwoordelijkheid valt van het Amerikaanse ministerie van defensie. Het voldoet bijgevolg aan de nationale veiligheidsnormen van de V.S. Reeds bij de ontwikkeling van GPS werd uitgestippeld dat het systeem niet-militairegebruikers een beperkte nauwkeurigheid zou leveren.

Een eerste wijze waarop dit werd gerealiseerd is door alleen de Standard Positioning Service ter beschikking van niet-militaire gebruikers te stellen. Hierdoor werd de nauwkeurigheid van toepassingen in reële tijd voor civiele gebruikers gevoelig beperkt (van 10 à 20 meter naar ongeveer 20 à 100 meter).

Image 

De eerste commerciële GPS apparatuur die voor burgers toegankelijk was en de mogelijkheid bood om de P-code waar te nemen, werd ontwikkeld rond 1989-1990. Sinds 1991 ligt de GPS ontvangstapparatuur die de P-code kan waarnemen aan de basis van  zeer nauwkeurige geodetische toepassingen. Deze evolutie in nauwkeurigheid duurde tot eind januari 1994 en noopte uiteindelijke het Amerikaanse ministerie tot een cryptering van de P-code in de beschermde Y-code. Deze techniek,  "Anti-Spoofing'' (AS) genoemd, zorgt ervoor dat actueel alleen geselecteerde (militaire) gebruikers in staat zijn om uit de Y-code de nauwkeurige P-code te reconstrueren. AS stelt zich eveneens tot doel te voorkomen dat vijandige mogendheden de P-code zouden dupliceren en zo verstoren. Oorspronkelijk werd verwacht dat Anti-Spoofing alleen zou volstaan om de nauwkeurigheid van GPS te beperken. Het bleek echter dat met  C/A-code posities konden bepaald worden met een nauwkeurigheid van 20 tot 40 meter in reëele tijd.  Deze situatie leidde tot het programma, "Selective Availability" genoemd, dat erin bestond de nauwkeurigheid te beperken van de posities berekend met de Block II satellieten. "Selective Availability" (SA) bestaat uit 2 componenten:

  • verstoring van de uitgezonden efemeridegegevens, het zogenaamde epsilon proces
  • systematische destabilisatie van de satellietklok, het zogenaamde delta-proces, of "dithering"

SA was, met onderbrekingen actief op alle Block II satellieten sinds april 1990. Enkel het delta-proces werd gedetecteerd. De beperkingen van SA op het GPS systeem slaan grotendeels op toepassingen in reële tijd en minder op geodetische toepassingen, waarbij de data op een grondige manier verwerkt kunnen worden om het effect van SA te reduceren. Sinds 1 mei 2000, is SA gedesactiveerd.

 

Bron:  Koninklijke Sterrenwacht van België (2004).

 


 

 

Laatst aangepast op vrijdag, 02 februari 2007 11:25
 
TerraCaching en het TerraCaching logo zijn eigendom en copyright van TerraCaching, LLC en worden gebruikt met toestemming.