SBG Innovatie

navigatie

over GPS

Plaatsbepaling m.b.v. GPS

Hieronder komt u meer te weten over de principes van GPS, DGPS en RTK-GPS en waarom correctiesignalen noodzakelijk zijn voor het verkrijgen van een nauwkeurigere plaatsbepaling.

Wilt u deze tekst uitprinten? Klik dan hier.

Tijd = Afstand

U hebt vast al eens opgemerkt dat u tijdens een onweer het geluid van de donder met vertraging hoort nadat u de bliksemflits hebt gezien. Dit komt omdat geluid zich vele malen trager verplaatst dan licht. We kunnen de afstand tot het onweer schatten door de vertraging te meten tussen het tijdstip dat we de bliksem zien en het tijdstip dat we ;de donder horen. Geluid verplaatst zich met ongeveer 344 meter per seconde. Dus als er 2 seconden zitten tussen het zien van de bliksem en het horen van de donder, dan is de afstand tot het onweer 2 x 344 = 688 meter. We berekenen dus de afstand tot een object door de tijd te meten die nodig is voor het signaal om ons te bereiken.

Plaatsbepaling m.b.v. satellieten werkt volgens hetzelfde principe. De satellieten verzenden signalen naar de aarde en door te meten hoe lang het signaal onderweg is geweest, krijgen we een idee hoe ver we ons van de satellieten bevinden. En dus bijgevolg weten we waar we ons op aarde bevinden.

Oorzaken van onnauwkeurigheden: de problemen

Als het echt zo simpel is als hierboven wordt beschreven, waarom zijn de afwijkingen van goedkopere GPS systemen dan nog zo groot of waarom worden GPS ontvangers duurder naargelang we een nauwkeurigere positie willen?

Als de klok die in de satelliet tikt 1 miljardste van een seconde (1 nano-seconde) afwijkt, dan resulteert dit op de aarde al in een fout van ongeveer 30 centimeter. Vandaar dat de satellieten worden uitgerust met uiterst nauwkeurige (Cesium) atoomklokken. Echter zullen ook deze super-nauwkeurige klokken op den duur verlopen en veroorzaken ze zo afwijkingen van ca. 1 meter in de positieberekening.

Ook in de GPS ontvanger moet op de een of andere manier een nauwkeurige klok hebben. Aangezien een atoomklok niet erg praktisch is, ze wegen immers zo’n 20 kg en kosten ca. 50.000 dollar, wordt dit probleem wiskundig opgelost. We hebben hiervoor echter wel minstens 4 zichtbare satellieten nodig.

De locatie van de satelliet is een derde oorzaak van onnauwkeurigheden. Het is van belang te weten waar de bron van het signaal zich ongeveer bevindt. Afwijkingen in de positie van de satellieten resulteren in een typische fout van enkele meters.

De vierde en geen onbelangrijke oorzaak van verstoring is de atmosfeer die zich rond de aarde bevindt. De verschillende luchtlagen zorgen ervoor dat het signaal wordt afgeremd en dus vertraagd binnenkomt bij de ontvanger. Dit kan fouten groter dan 10 meter introduceren. Om het probleem op te lossen zenden de satellieten 2 signalen uit op 2 verschillende frequenties. Echter zijn het enkel de duurdere GPS systemen die zijn uitgerust om de 2 frequenties te ontvangen (Dual-Frequency ontvangers).

Verder spelen nog enkele andere oorzaken een rol die leiden tot een fout in de positiebepaling. Dit zijn multipath veroorzaakt door signaal reflecties, fouten die door de ontvanger zelf worden geïntroduceerd en SA (Selective Availility). Deze laatste is het verstoringssignaal dat door het Amerikaanse leger werd geïntroduceerd, maar inmiddels is dit signaal weer verwijderd.

Oorzaken van onnauwkeurigheden: de oplossingen

Stel dat we 2 GPS ontvangers hebben die zich niet al te ver van elkaar bevinden, dan zullen de fouten vanwege de satelliet klok, de locatie van de satelliet en de verstoringen door de atmosfeer voor beide ontvangers hetzelfde zijn. Als we nu van één ontvanger de exacte locatie kennen, dan kunnen we de fout in de positieberekingen bepalen en doorsturen naar de andere ontvanger. Deze tweede ontvanger gebruikt dan deze extra informatie om zijn positie te verbeteren. De verzamelterm voor deze techniek noemen we DGPS (Differential Global Positioning System).

De afstand tussen het vaste station en de mobiele ontvanger noemen we de “baseline”. Als de baseline groter wordt, zullen de verstoringen voor beide ontvangers steeds meer van elkaar gaan verschillen en zal bijgevolg de nauwkeurigheid opnieuw afnemen.

Multipath en fouten die door de ontvanger zelf worden veroorzaakt, zijn niet afhankelijk van de baseline. Hiervoor geldt dat de betere GPS ontvangers er minder last van zullen hebben.

Gebruik maken van referentiestations

Als we een goedkope GPS ontvanger hebben die geen gebruik maakt van een referentiestation, zal de positie een (on)nauwkeurigheid hebben van zo’n 10 tot 20 meter. Navigatiesystemen voor auto’s maken gebruik van zulke ontvangers. Omdat deze GPS ontvangers gekoppeld worden aan wegenkaarten merk je niet veel van deze onnauwkeurigheid aangezien er wordt verondersteld dat je met de wagen netjes op de weg blijft rijden.

In de landbouw zijn deze wegenkaarten niet bruikbaar en moeten we gebruik maken van referentiestations om de positie nauwkeuriger te krijgen. Voor de duidelijkheid maken we onderscheid in 3 groepen correctiesignalen:

DGPS zonder abonnement
EGNOS, een gratis correctie signaal verzonden door de ESA
DGPS met abonnement
Omnistar VBS, Omnistar HP en Starfire van John Deere
RTK-GPS
plaats je eigen referentiestation

DGPS zonder abonnement

De eenvoudigste vorm van werken met een referentiestation is door gebruik te maken van de EGNOS satellieten. Dit zijn satellieten van de ESA (Europese ruimtevaartorganistatie) die een gratis correctiesignaal versturen. Het enige wat je nodig hebt is een GPS ontvanger die deze signalen kan ontvangen.

EGNOS is de Europse variant van het een Satellite Based Augmentation System (SBAS). In AMERIKA heet het vergelijkbare systeem WAAS en in Japan MSAS. Het EGNOS netwerk heeft 34 RIMS (Referentie and Integrity Monitoring Stations) in Europa die allemaal de nauwkeurigheid van de GPS signalen meten. De afwijkingen of verstoringen worden doorgestuurd naar 4 MCC (Master Control Centre’s). Deze 4 verzamelcentra berekenen samen de afwijking van het signaal over Europa en verzenden dit signaal via 6 UPLINK (zend) stations naar 3 geostationaire satellieten. Deze satellieten ‘hangen’ op een vaste positie boven de evenaar. De nauwkeurigheid gaat naar +/- 1 á 2 meter over langere tijd gemeten en met een nauwkeurigheids percentage van 95%.

DGPS met abonnement

Het systeem werkt volgens hetzelfde principe als de SBAS-systemen waarbij ook de correctiesignalen afkomstig zijn van satellieten. Dit zijn echter commerciele partijen en moet er dus betaald worden om het signaal te kunnen ontvangen. Een voordeel is dan weer dat de nauwkeurigheden hoger zijn. De nauwkeurigheid is afhankelijk van het type correctiesignaal. Omnistar VBS en Starfire 1 hebben een vergelijkbare nauwkeurigheid van +/- 15 à 30 cm dynamische nauwkeurigheid (zie kaderstuk onderaan deze pagina). Omnistar HP (High-Precision) en Starfire 2 zijn nog nauwkeuriger en hebben een vergelijkbare nauwkeurigheid van +/- 5 à 10 cm. Bij deze systemen is de prijs evenredig aan de nauwkeurigheid. Je betaald dus meer als je een hogere nauwkeurigheid wenst.

RTK-GPS

RTK staat voor Real-Time Kinematic en is een systeem waarbij er gebruik wordt gemaakt van een eigen basisstation. RTK-GPS is het meest nauwkeurige waarbij de positie nog slechts een fout heeft van +/- 1 à 2 cm. Deze nauwkeurigheid is zowel dynamische als statisch waardoor ieder jaar opnieuw dezelfde posities terug gevonden kunnen worden.
Het basisstation zendt via een FM-radioverbinding z’n correcties door naar de mobiele RTK-GPS ontvangers. Rekening houdend met het wettelijk toegestane zendvermogen kan men uitgaan een maximale afstand van ongeveer 10 km tussen basisstation en mobiele ontvanger. Aangezien een basisstation door de gebruiker(s) zelf wordt aangeschaft, vervalt de verplichting van een abonnement.

Kaderstuk: Dynamische nauwkeurigheid

Dynamische nauwkeurigheid of ook wel “pass-to-pass” nauwkeurigheid is een indicatie voor de fout wanneer men binnen een korte tijdspanne (bv. 15 minuten) terugkomt op dezelfde locatie. De statische nauwkeurigheid geeft aan wat de nauwkeurigheid is als men na enkele uren of langer terugkeert naar een vastgelegde positie. Als vuistregel geldt dat de dynamische nauwkeurigheid 2 tot 3 keer nauwkeuriger is dan de statische nauwkeurigheid.