Global Positioning System

Het Global Positioning System (GPS), oorspronkelijk NAVSTAR GPS, is een op satellieten gebaseerd radionavigatiesysteem dat eigendom is van de Amerikaanse regering en wordt beheerd door de United States Space Force. Het is een van de wereldwijde navigatiesatellietsystemen (GNSS) die geolocatie- en tijdinformatie levert aan een GPS-ontvanger overal op of nabij de aarde, waar er een onbelemmerde zichtlijn is naar vier of meer GPS-satellieten. Obstakels zoals bergen en gebouwen blokkeren de relatief zwakke GPS-signalen.

Andere satellietnavigatiediensten met (beoogde) wereldwijde dekking zijn het Europese Galileo, het Russische wereldwijde satellietnavigatiesysteem (GLONASS) en het Chinese BeiDou, maar we behandelen hier het GPS systeem van de Amerikaanse overheid.

De GPS vereist geen gegevensoverdracht door de gebruiker en werkt onafhankelijk van telefonische of internetontvangst, hoewel deze technologieën de bruikbaarheid van de GPS-positie-informatie kunnen vergroten. De GPS biedt kritische positioneringsmogelijkheden aan militaire, civiele en commerciële gebruikers over de hele wereld. De Amerikaanse regering heeft het systeem gemaakt, onderhoudt het en maakt het vrij toegankelijk voor iedereen met een GPS-ontvanger.

Het GPS-project werd in 1973 gestart door het Amerikaanse ministerie van Defensie, met het eerste prototype van een ruimtevaartuig dat in 1978 werd gelanceerd en de volledige constellatie van 24 satellieten dat in 1993 operationeel was. Oorspronkelijk was het beperkt tot gebruik door het Amerikaanse leger, maar civiel gebruik was toegestaan ​​vanaf de jaren tachtig. na een uitvoerend bevel van president Ronald Reagan. Vooruitgang in technologie en nieuwe eisen aan het bestaande systeem hebben nu geleid tot inspanningen om de GPS te moderniseren en de volgende generatie GPS Block IIIA-satellieten en het Next Generation Operational Control System (OCX) te implementeren. Mededelingen van vicepresident Al Gore en het Witte Huis in 1998 leidden tot deze veranderingen. In 2000 keurde het Amerikaanse congres de moderniseringspoging GPS III goed. In de jaren negentig werd de GPS-kwaliteit door de Amerikaanse overheid verslechterd in een programma genaamd “Selective Availability”; dit werd in mei 2000 stopgezet door een wet ondertekend door president Bill Clinton.

De GPS-service wordt geleverd door de Amerikaanse regering, die de toegang tot het systeem selectief kan weigeren, zoals het Indiase leger in 1999 tijdens de Kargil-oorlog is overkomen, of de service op elk moment kan verslechteren. Als gevolg hiervan hebben verschillende landen andere mondiale of regionale satellietnavigatiesystemen ontwikkeld of zijn ze bezig dit op te zetten. Het Russian Global Navigation Satellite System (GLONASS) werd gelijktijdig met GPS ontwikkeld, maar had tot het midden van de jaren 2000 te lijden onder een onvolledige dekking van de wereld. GLONASS kan worden toegevoegd aan GPS-apparaten, waardoor er meer satellieten beschikbaar zijn en het mogelijk wordt om posities sneller en nauwkeuriger vast te stellen, tot op twee meter (6,6 ft). Het Chinese BeiDou-navigatiesatellietsysteem begon in 2018 met wereldwijde diensten, met volledige implementatie gepland voor 2020. Er zijn ook het Galileo-positioneringssysteem van de Europese Unie en de Indiase NavIC. Het Japanse Quasi-Zenith-satellietsysteem (QZSS) is een op GNSS-satelliet gebaseerd augmentatiesysteem om de nauwkeurigheid van GNSS in Azië-Oceanië te verbeteren, met satellietnavigatie onafhankelijk van GPS gepland voor 2023.

Toen de selectieve beschikbaarheid in 2000 werd opgeheven, had GPS een nauwkeurigheid van ongeveer vijf meter (16 ft). De nieuwste fase van nauwkeurigheidsverbetering maakt gebruik van de L5-band en is nu volledig geïmplementeerd. GPS-ontvangers die in 2018 zijn uitgebracht en die de L5-band gebruiken, kunnen een veel hogere nauwkeurigheid hebben, met een nauwkeurigheid tot op 30 centimeter of 11,8 inch.

Geschiedenis

Het GPS-project werd in 1973 in de Verenigde Staten gelanceerd om de beperkingen van eerdere navigatiesystemen te overwinnen en ideeën van verschillende voorgangers te integreren, waaronder geclassificeerde technische ontwerpstudies uit de jaren zestig. Het Amerikaanse ministerie van Defensie heeft het systeem ontwikkeld, dat oorspronkelijk 24 satellieten gebruikte. Het werd oorspronkelijk ontwikkeld voor gebruik door het Amerikaanse leger en werd in 1995 volledig operationeel. Vanaf de jaren tachtig was civiel gebruik toegestaan. Roger L. Easton van het Naval Research Laboratory, Ivan A. Getting van The Aerospace Corporation en Bradford Parkinson van het Applied Physics Laboratory worden gecrediteerd voor het uitvinden ervan. Het werk van Gladys West wordt gecrediteerd als instrumenteel bij de ontwikkeling van computationele technieken voor het detecteren van satellietposities met de precisie die nodig is voor GPS.

Het ontwerp van GPS is gedeeltelijk gebaseerd op soortgelijke grondgebonden radionavigatiesystemen, zoals LORAN en de Decca Navigator, die begin jaren veertig werden ontwikkeld.

In 1955 stelde Friedwardt Winterberg een test van algemene relativiteit voor – het detecteren van tijdvertraging in een sterk zwaartekrachtveld met behulp van nauwkeurige atoomklokken die in een baan binnen kunstmatige satellieten waren geplaatst. Speciale en algemene relativiteitstheorie voorspellen dat de waarnemers van de aarde de klokken op de GPS-satellieten zouden zien die 38 microseconden sneller per dag zouden lopen dan de klokken op aarde. De met GPS berekende posities zouden snel in de fout gaan en oplopen tot 10 kilometer per dag (6 mijl / dag). Dit is gecorrigeerd in het ontwerp van GPS.

Voorgangers

Toen de Sovjet-Unie in 1957 de eerste kunstmatige satelliet (Spoetnik 1) lanceerde, besloten twee Amerikaanse natuurkundigen, William Guier en George Weiffenbach, van het Applied Physics Laboratory (APL) van de Johns Hopkins University om haar radio-uitzendingen te monitoren. Binnen enkele uren realiseerden ze zich dat ze dankzij het Doppler-effect konden vaststellen waar de satelliet zich in zijn baan bevond. De directeur van de APL gaf hen toegang tot hun UNIVAC om de zware berekeningen uit te voeren.

In het begin van het jaar erop vroeg Frank McClure, de adjunct-directeur van de APL, aan Guier en Weiffenbach om het omgekeerde probleem te onderzoeken: de locatie van de gebruiker bepalen, gezien de satelliet. (Destijds ontwikkelde de marine de onderzeeër gelanceerde Polaris-raket, waardoor ze de locatie van de onderzeeër moesten kennen.) Dit bracht hen en APL ertoe het TRANSIT-systeem te ontwikkelen. In 1959 speelde ARPA (hernoemd DARPA in 1972) ook een rol in TRANSIT.

TRANSIT werd voor het eerst met succes getest in 1960. Het maakte gebruik van een constellatie van vijf satellieten en kon ongeveer een keer per uur een navigatie-oplossing bieden.

In 1967 ontwikkelde de Amerikaanse marine de Timation-satelliet, wat de haalbaarheid bewees van het plaatsen van nauwkeurige klokken in de ruimte, een technologie die nodig is voor GPS.

In de jaren zeventig werd het op de grond gebaseerde OMEGA-navigatiesysteem, gebaseerd op fasevergelijking van signaaloverdracht van stationsparen, het eerste wereldwijde radionavigatiesysteem. Beperkingen van deze systemen zorgden ervoor dat er behoefte was aan een meer universele navigatieoplossing met grotere nauwkeurigheid.

Hoewel er grote behoefte was aan nauwkeurige navigatie in militaire en civiele sectoren, werd bijna geen daarvan gezien als rechtvaardiging voor de miljarden dollars die het zou kosten voor onderzoek, ontwikkeling, inzet en exploitatie van een constellatie van navigatiesatellieten. Tijdens de wapenwedloop in de Koude Oorlog was de nucleaire bedreiging voor het bestaan ​​van de Verenigde Staten de enige noodzaak die deze kosten rechtvaardigde in de ogen van het Amerikaanse Congres. Dit afschrikkende effect is de reden waarom GPS werd gefinancierd. Het is ook de reden voor de toenmalige ultrageheimhouding. De nucleaire triade bestond uit door de onderzeeër gelanceerde ballistische raketten (SLBM’s) van de Amerikaanse marine, strategische bommenwerpers van de Amerikaanse luchtmacht (USAF) en intercontinentale ballistische raketten (ICBM’s). Als essentieel beschouwd voor de nucleaire afschrikhouding, was een nauwkeurige bepaling van de SLBM-startpositie een krachtvermenigvuldiger.

Nauwkeurige navigatie zou de onderzeeërs van de Amerikaanse ballistische raketten in staat stellen hun posities nauwkeurig vast te stellen voordat ze hun SLBM’s lanceerden. De USAF, met tweederde van de nucleaire triade, had ook eisen aan een nauwkeuriger en betrouwbaarder navigatiesysteem. De marine en de luchtmacht ontwikkelden parallel hun eigen technologieën om hetzelfde probleem op te lossen.

Om de overlevingskansen van ICBM’s te vergroten, was er een voorstel om mobiele lanceerplatforms te gebruiken (vergelijkbaar met de Russische SS-24 en SS-25), zodat de noodzaak om de lanceerpositie vast te stellen overeenkwam met de SLBM-situatie.

In 1960 stelde de luchtmacht een radionavigatiesysteem voor, MOSAIC (MObile System for Accurate ICBM Control) genaamd, dat in wezen een 3D-LORAN was. Een vervolgonderzoek, Project 57, werd in 1963 uitgevoerd en het was “in dit onderzoek dat het GPS-concept geboren was”. Datzelfde jaar werd het concept nagestreefd als Project 621B, dat “veel van de attributen had die je nu in GPS ziet” en beloofde een grotere nauwkeurigheid voor zowel luchtmachtbommenwerpers als ICBM’s.

Updates van het Navy TRANSIT-systeem waren te traag voor de hoge snelheden van de luchtmacht. Het Naval Research Laboratory bleef vooruitgang boeken met hun Timation (Time Navigation) -satellieten, die voor het eerst werden gelanceerd in 1967, terwijl de derde in 1974 de eerste atoomklok in een baan om de aarde bracht.

Een andere belangrijke voorloper van GPS kwam van een andere tak van het Amerikaanse leger. In 1964 draaide het Amerikaanse leger om zijn eerste Sequential Collation of Range (SECOR) -satelliet die werd gebruikt voor geodetisch onderzoek. Het SECOR-systeem omvatte drie op de aarde gebaseerde zenders op bekende locaties die signalen naar de satelliettransponder in een baan om de aarde zouden sturen. Een vierde grondstation, op een onbepaalde positie, zou die signalen dan kunnen gebruiken om de locatie nauwkeurig vast te stellen. De laatste SECOR-satelliet werd gelanceerd in 1969.

Fundamenteel

Het GPS-concept is gebaseerd op tijd en de bekende positie van gespecialiseerde GPS-satellieten. De satellieten dragen zeer stabiele atoomklokken die met elkaar en met de grondklokken zijn gesynchroniseerd. Elke afwijking van de tijd op de grond wordt dagelijks gecorrigeerd. Op dezelfde manier zijn de satellietlocaties met grote precisie bekend. GPS-ontvangers hebben ook klokken, maar die zijn minder stabiel en minder nauwkeurig.

Elke GPS-satelliet zendt continu een radiosignaal uit dat de huidige tijd en gegevens over zijn positie bevat. Aangezien de snelheid van radiogolven constant en onafhankelijk is van de satellietsnelheid, is de tijdsvertraging tussen wanneer de satelliet een signaal uitzendt en de ontvanger het ontvangt, evenredig met de afstand van de satelliet tot de ontvanger. Een GPS-ontvanger bewaakt meerdere satellieten en lost vergelijkingen op om de exacte positie van de ontvanger en zijn afwijking van de werkelijke tijd te bepalen. Er moeten minimaal vier satellieten in het zicht van de ontvanger zijn om vier onbekende hoeveelheden te kunnen berekenen (drie positiecoördinaten en klokafwijking van de satelliettijd).