Pagina 1 van 1

Hoe GPS werkt …

Hoe GPS werkt …
   2

Vroeger (ha!) toen ik mijn eerste GPS kocht, een Garmin eTrex met een zooi kabels verbonden met mijn oude Compaq iPaq welke TomTom draaide, was GPS voor route planning niet echt gebruikelijk. De oude eTrex werd gezien als hi-tech en route planning (voor de auto) was zeer ongebruikelijk.

Er is intussen veel veranderd.

In dit artikel probeer ik je uit te leggen hoe een GPS werkt, leg ik een aantal GPS termen uit en laat ik je een aantal GPS toepassingen zien.




De goede oude kaarten

Vroeger deden we navigatie met de goede oude kaarten – het leen van een kaart was zelfs iets wat ze je op school probeerde te leren.

Je kunt jezelf misschien nog wel herinneren hoe het werkte met die enorme papieren dingen in het handschoenenkastje van de auto van jouw ouders. Altijd een ellende om open te vouwen en te lezen, nog meer ellende om op te vouwen, en miste nog weleens wat op de kaart – hoe goed de ANWB z’n best ook deed om de kaarten up-to-date te hebben.

Mocht je het je niet herinneren: vraag je ouders of groot-ouders maar eens hoe gezellig het in de auto was. Pa die schreeuwt om richting info en moeders die probeert te werken met de enorme papieren kaarten terwijl de kids achterin de auto een herrie van je welste maken. Tot we lekker verdwaalt zijn, want waar we ook zijn, je vindt het niet op de kaart. Dus of een nieuwe kaart kopen bij de benzine pomp of als pa’s eer het toeliet: een vreemdeling de weg vragen.

Zoals je kunt voorstellen, behoefte voor een meer compacte en automatische manier was zeker wenselijk zeker voor militaire doeleinden – je kunt je voorstellen dat kaarten een geheime missie nu niet echt helpen … en zo hadden we snel de behoefte aan GPS.

Klassieke wegen kaarten

Klassieke wegen kaarten

GPS … hoe het begon …

GPS of te wel Global Positioning System was oorspronkelijk bedoelt voor militaire doeleinden, geen verassingen daar natuurlijk, met de eerste stappen die werden genomen in de vroege 60’er jaren.

Destijds subsidieerde de Amerikaanse overheid de bouw van de eerste GPS systemen met de Koude Oorlog in gedachten en natuurlijk was alles rond GPS “Top Secret”. Sindsdien zijn we een paar iteraties verder en is GPS intussen toegankelijk voor het publiek.

Omdat de oorsprong is in de Koude Oorlog jaren, bleven Rusland (destijds de USSR), China en Europa natuurlijk ook niet achter en ontwikkelden hun eigen variatie van GPS waardoor de GPS z’n beetje de hele aarde afdekt, zeker als jouw GPS ontvanger meer dan 1 systeem ondersteund en kan combineren.

De 5 grote systemen die op dit moment rond de aarde cirkelen:

De meeste commerciële GPS systemen voor “thuis gebruik” werken met Navstar, Galileo en GLONASS.

In dit artikel focus ik op het gebruik van Navstar omdat het een van de meest gebruikte systemen is en omdat de andere systemen soortgelijk functioneren.

Merk op dat jouw GPS ontvanger geschikte hard- en software moet hebben om bepaalde systemen te ondersteunen. De eerste GPS ontvangers ondersteunden alleen maar Navstar, maar meer en meer GPS ontvangers (met name de chipsets) ondersteunen een combinatie van 2 of meer systemen. Met name de combinatie Navstar en GLONASS zien we vaker en in de Europese markt natuurlijk een combinatie met Galileo.

We zien tegenwoordig dat meer en meer apparaten van een GPS chip voorzien worden, zeker als we kijken naar de zogenaamde smart-phones, tablet PC’s etc. Overigens moet je GPS niet verwarren met locatie bepaling via WiFi waarbij de locatie van bekende WiFi Access Points wordt gebruikt voor het bepalen van jouw locatie. Dit werkt best redelijk in een druk bevolkte omgeving, maar de nauwkeurigheid is 100 meter op z’n best. Dit komt met name door het beperkte bereik van WiFi.

Er wordt beweerd dat GPS 7.8 meter nauwkeurig is met een 95% betrouwbaarheid, wat overigens niet slecht is (bron), het duurt echter even voor dat een GPS, nadat je de ontvanger hebt aangezet, de initiële locatie ontdekt.

Een alternatief dat ik in mijn Ericsson dagen gezien heb, is het gebruik maken van de posities van mobiele telefonie zend masten. Deze zendmasten hebben een vaste en bekende locatie, en het zend/ontvang bereik is aanzienlijk groter dan die van WiFi, wat destijds al een nauwkeurigheid (in goede locaties) van zo’n 20 meter kon bieden – best indrukwekkend.

Sommige fabrikanten combineren GPS en positionering m.b.v. WiFi of Mobiele Telefonie zend masten om het bepalen van de initiële positie te versnellen. Andere trucs voor het versnellen zijn bijvoorbeeld de GPS nooit echt uitzetten, onthouden van locaties waar je recentelijk bent geweest etc.

Het oppikken van GPS satelliet signaal kun je misschien het beste vergelijken met het zoeken naar de 4 sterkste zenders op de radio. Stel je gaat dit doen voor FM radio: plaats jezelf achter de radio en begin bij 87 Mhz. Zoek nu iedere zender die jouw radio kan ontvangen tot je de 108 Mhz bereikt. Voor iedere zender schrijft je de frequentie en signaal sterkte op. Als je de lijst compleet hebt, bepaalde dan de 4 sterkste zenders. Je kunt je nu wel voorstellen dat het even duurt voor je dat gedaan hebt.

Je kunt je ook voorstellen dat als iemand je vertelt dat de sterkste zenders tussen 92 Mhz en 98 Mhz gevonden kunnen worden. Dit illustreert een simpel voorbeeld hoe men GPS sneller kan maken (zie GPS Lingo).

Misschien is nu ook duidelijk dat als mensen praten over hun “GPS” dat ze dus eigenlijk bedoelen “GPS ontvanger” …

Op dit moment (2013) telt Navstar 27 satellieten in omloop rond de aarde. 24 daarvan zijn in actief gebruik n 3 daarvan staan paraat als backup voor het geval er iets met een van de andere 24 gebeurt. Onderstaande abstracte illustratie laat dit zien.

Navstar - 27 satellieten in omloop

Navstar – 27 satellieten in omloop

In de eerste dagen dat Navstar geopend werd voor publiek gebruik (en dit kan nog steeds in bepaalde maten het geval zijn) werd de nauwkeurigheid bewust beperkt. Militaire GPS was aanzienlijk nauwkeuriger dan een commerciële GPS die we in de winkel konden kopen. Met potentiële vijanden en terroristen ingedachte kan ik met zeker voorstellen dat dit wenselijk is!

Elke satelliet weegt ongeveer 1.800 Kg en hangt zo’n 19.300 Km hoog. Om je een idee te geven: als je met het vliegtuig op vakantie gaat, dan gaat dit vliegtuig vaak niet hoger dan zo’n 10 Km.

Hoe GPS werkt

Nu dat we weten dat GPS gebaseerd is op satellieten die rond de aarde cirkelen: hoe bepaald GPS nu onze positie?

GPS gebruikt geavanceerde wiskunde (geometrie) methoden, en een daarvan is Trilateration (vaak fout Triangulatie genoemd).

Laat ik het proberen te illustreren met een eenvoudig voorbeeld.

Stel je bent aan het reizen en je bent aangekomen op een locatie maar je hebt glad geen idee waar je bent. Je vraagt iemand waar je bent en deze persoon antwoordt: “Je bent 100 kilometer van stad A“.

Met deze informatie kunnen we een cirkel tekenen rond stad A en we weten, indien de informatie helemaal correct is, dat we ergens op de cirkel zijn:

We zijn 100Km van Stad A

We zijn 100Km van Stad A

Zonder meer informatie te hebben weten we dus iets meer maar niet genoeg om precies te kunnen zeggen waar we staan.

We vragen vervolgens een andere voorbijganger waar we zijn en deze persoon zegt: “Je bent 75 kilometer van stad B verwijderd“.

We tekenen nu weer een cirkel en deze keer met een straal van 75 Km rond stad B. We zullen nu zien dat beide cirkels, van Stad A en B, elkaar snijden op 1 (als je erg veel geluk hebt) of 2 punten.

Met deze informatie weten we nu dat we op een van de twee snijpunten staan (zwarte punten in onderstaande illustratie).

De afstand naar twee steden geeft ons 2 snijpunten

De afstand naar twee steden geeft ons 2 snijpunten

De derde persoon de we de weg vragen zegt: “Je bent 200 kilometer verwijderd van Stad C“.

We tekenen weer een cirkel en als alle informatie nauwkeurig genoeg is dan zien we dat de 3 cirkels slechts 1 snijpunt gemeen hebben (de groene punt):

Hoe werkt GPS: Met 3 referentie punten weten we waar we staan

Hoe werkt GPS: Met 3 referentie punten weten we waar we staan

Dit is natuurlijk maar een 2D voorbeeld (plat) van Trilateratie. De aarde is echter niet plat als een pannenkoek, in tegenstelling tot populair geloof in de middeleeuwen. De aarde is een 3D object en deze methode wordt dan ook succesvol gebruikt in 3D door de cirkels als bollen te zien. Waar de bollen een snijpunt gemeenschappelijk hebben staan we.

Merk ook op dat we maar 3 cirkels gebruikten in ons voorbeeld. Als we 3D denken en een 4de “bol” toevoegen dan kunnen we ook de hoogte van onze locatie bepalen.

De steden in ons voorbeeld zijn ook geen steden, maar satellieten waarvan ons GPS toestel de radio signalen ontvangt waardoor we de coordinaten op de wereldbol kunnen bepalen. We kijken dus naar de afstand tussen ons en 4 of meer satellieten. Hoe meer satellieten we zien, hoe nauwkeuriger onze positie kan zijn.

De coordinaten worden overigens weergegeven in latitude (van oost naar west), longitude (van noord naar zuid) en altitude (hoogte). Onderstaande afbeelding illustreert dit.

Gecombineerd met kaart informatie kunnen we nu dus bepalen waar we precies staan.

Latitude (links) versus Longitude (rechts)

Latitude (links) versus Longitude (rechts)

Complexe berekeningen

Zoals eerder vermeld: jouw GPS ontvanger moet een aantal behoorlijk complexe berekeningen uitvoeren om jouw locatie te bepalen. De reden voor deze complexe berekeningen is dat een aantal zaken in de gaten gehouden moeten worden – deze moeilijkere aspecten van de berekeningen is ook een reden waarom GPS niet 100% nauwkeurig is.

Afstand meten of berekenen

Zoals we in ons voorbeeld zagen moeten we weten wat de afstand is tussen onze GPS ontvanger en een satelliet – maar hoe wordt de afstand bepaald?

Een GPS ontvanger meet als eerste de tijd die nodig is om een bepaald signaal te ontvangen van een bepaalde satelliet. Het signaal gaat over radio golven die van de satelliet naar jouw GPS ontvanger gaat. In een vacuüm gaat een radio gold met de lichtsnelheid, of te wel zo’n 299,792 km/s, waardoor we de afstand kunnen berekenen als we weten hoe lang het duurde voor het signaal ons bereikte.

Er is behoorlijk wat compensatie nodig … we leven immers niet in een vacuüm en atmosferische storingen, zoals slecht weer, hebben een grote invloed op de snelheid.

Het meten van Tijd

Om de afstand te berekenen moeten we natuurlijk ook een zeer nauwkeurige manier van tijd meten hebben. Onder ideale omstandigheden zouden we een atoom klok willen gebruiken, maar die zijn natuurlijk rete duur en over algemeen passen ze niet in een GPS ontvanger. Dus in plaats van een dure grote klok in ieder satelliet en GPS ontvanger, gebruikt men een andere truc.

Een GPS satelliet verstuurd een digitaal patroon (een zogenaamde pseudo-random code) als onderdeel van het signaal op een gegeven tijd. Jouw GPS ontvanger genereert dezelfde code op dat zelfde tijdstip (volgens de interne klok). Als de GPS ontvanger het signaal ontvangt weten we dus hoe ver af de klok is.

Als het signaal ontvangen wordt zien we dat de klok van satelliet en GPS ontvangen niet helemaal gelijk lope, maar we weten nu in ieder geval hoe veel tijdsverschil er is en kunnen we nu bepalen wat de afstand is door de gemeten tijd voor het versturen te vermenigvuldigen met lichtsnelheid. Als het signaal door een vacuüm ging en in een rechte lijn, dan weten we precies wat de afstand is.

De nauwkeurigheid van de gebruikte klokken is bijzonder kritisch natuurlijk. Lichtsnelheid is zo snel dat een nanoseconde verschil al zorgt voor een verloop van ongeveer 30 cm. Dat mag als niet veel klinken, maar bedenk dat 1 seconde – 1,000,000,000 nano seconden! Praktisch wil dat zeggen dat als de klok een seconde misrekent dat we ineens zo’n 304,800 Km verder op zitten!

Het Global Positioning System heeft een elegante oplossing hiervoor als aanvulling op het synchroniseren van de klokken.

In principe gebruikt een GPS ontvanger een interne klok, vergelijkbaar met de klok die je in jouw computer of horloge vindt.

Als de GPS ontvanger de nodige signalen ontvangt en vervolgens locatie berekeningen doet op basis van voorgaande voorbeeld met “bollen”, dan zal de GPS ontvanger zien dat de afwijkingen van de snijpunten gelijk is voor alle bollen. Dit is de afwijking die we wilden weten en nu kan de positie beter bepaald worden door de snijpunten gelijkwaardig te corrigeren.

We weten nu longitude, latitude en altitude, en kunnen we dus zien waar we op de kaart staan.

GPS lingo

Nu dat we het basis principe van een GPS bekeken hebben, kunnen we wat dieper ingaan op termen die gebruikt worden in de GPS wereld. Veel van deze termen zul je zien als je een GPS ontvanger koopt en het kan dus goed zijn om te weten wat ze betekenen.

Verbeterde Nauwkeurigheid

Er zijn een aantal trucs om de nauwkeurigheid te verbeteren. Kreten als DGPS, WAAS, etc. geven aan dat de GPS ontvangen aanvullende functies heeft om het zaakje nauwkeuriger te krijgen.

DGPS of te wel Differential GPS lijkt (ik kan het mis hebben) een van de eerste pogingen om nauwkeurigheid te verbeteren waarbij stations op aarde aanvullende locatie informatie geeft – hierdoor kan de GPS ontvanger meer gericht zoeken naar satellieten die het zou kunnen zien in deze omgeving. Vergelijk het met eerder geïllustreerde voorbeeld waarbij je de 4 sterkste radio stations moest zoeken en iemand je de hint gat dat deze in een bepaalde range te vinden zijn (het is iets ingewikkelder dan dat).

WAAS (USA), EGNOS (Europa) en MSAS (Azië) werken op een vergelijkbare manier en ik kan sterk aanraden een GPS ontvanger te kopen die een van deze methoden ondersteund (geschikt voor jouw locatie).

Men beweerd dat WAAS bijvoorbeeld de nauwkeurigheid kan opvoeren tot zelfs 10cm – met de nadruk op “beweerd”. Verwacht dus niet dat een WAAS geschikte GPS ontvanger meteen deze nauwkeurigheid waar kan maken. De benodigde stations moeten natuurlijk wel in de buurt zijn.

Communicatie

De eerste GPS ontvanger werden vaak verbonden met een computer voor de weergave van gelikte kaarten etc. Hiervoor werd de oude seriële poort gebruik en communicatie vond plaats volgens het NMEA protocol.

Het NMEA protocol is niet alleen maar voor GPS bedoelt, en niet beperkt tot de seriële poort, maar wordt ook voor andere apparatuur gebruikt. Het is intussen wel de standaard voor GPS apparatuur. Als je dus een GPS ontvanger koopt en je wilt het signaal uitlezen met de computer, zorg er dan voor dat de GPS NMEA ondersteund. Dit is overigens geen garantie dat alles perfect werkt, dus kijk ook welke GPS ontvangers ondersteund worden door de applicatie die je wilt gaan gebruiken op de computer. Er zijn een behoorlijk aantal gebruikers op het Internet die met GPS spelen, dus Google is je vriend of kijk op de website van de fabrikanten.

N.b.: Verwar dit overigens niet met communicatie om updates te plaatsen voor kaarten!

Chipset

Het hele chipset gebeuren kan behoorlijk verwarrend zijn … tot dusver heb ik 4 “grotere” GPS chip fabrikanten gezien, met de nodige verwarrende product codes en nummers.

SiRF is waarschijnlijk een van de bekendste fabrikanten en duidelijk een pionier in het hete GPS gebeuren. SiRF chipset worden vaak gezien als erg hoge kwaliteit en … duurder dan de Chinese chips. Wat de nummers en codes betreft: hoe hoger hoe beter en op dit moment (2013) zijn de SiRFstarIII, IV en V de populaire modellen. Voor internationaal gebruik is SiRFstarV een goede keuze.

Andere merken zijn: MediaTek, SkyTraq en u-Blox. De chips van deze fabrikanten zijn zeker niet slecht te noemen en het lijkt erop dat met name SkyTraq veel gezien wordt in Chinese GPS apparatuur. Over het algemeen echter ziet het er naar uit dat SiRF chips beter ondersteund worden wanneer het op besturing van de chips aankomt (NMEA commando’s).

TTFF of te wel Time To First Fix

TTFF of te wel de tijd tot eerste locatie bepaling, geeft aan hoe “snel” een GPS is in het bepalen van de huidige locatie als je de ontvanger aanzet. Hier zien we grote verschillen en het e.e.a. hangt sterk af van gebruikte software en hardware, al dan niet aangevuld met trucs om dit allemaal sneller te maken.

Dit kan belangrijk zijn omdat het ook kan aangeven hoe stabiel de GPS ontvanger is als het aankomt op het goed zijn in ontvangen van sateliet signaal – de ontvanger en antenne dus. Maar … het is geen garantie.

Cold Start vs Warm Start

De Cold Start (koude start) en Warm Start (Warme start) zijn kreten die waak gebruikt worden om aan te geven hoe een GPS ontvanger start en hoe lang TTFF is

Met een koude start heeft de GPS ontvanger eigenlijk geen goede informatie en moet geheel van nul beginnen. Er zijn geen referentie punten.

Een warme start daarentegen geeft aan dat de GPS ontvanger op z’n minst iets beschikbaar heeft om te beginnen. Vaak gebaseerd op een GPS ontvanger die in stand-by staat, of slaapt, of handig gebruik maakt van recente locaties.

Eigenlijk dus het verschil tussen zoeken naar satellieten vanaf satelliet nummer 1 t/m nummer 24 (Navstar) of meteen beginnen met de satellieten die de GPS ontvanger laatst zag wat natuurlijk veel sneller kan zijn.

QuickFix, Instant Fix, of A-GPS

Alle 3 werken met een soortgelijke methode en sommige termen zijn gewoon trendy woorden die de GPS ontvanger fabrikant heeft gekozen met marketing in het oog.

QuickFix of Instant Fix gebruikt data bestanden die je kunt uploaden naar jouw GPS ontvanger, en zijn vaak een week “geldig”. Deze bestanden bevatten aanvullende informatie die de GPS kan “zien” in zijn omgeving. Helaas moet je dat steeds wel handmatig downloaden van het Internet en installeren op jouw GPS.

A-GPS daarentegen gebruikt ook dit soort informatie maar richt zich hoofdzakelijk op informatie m.b.t. mobiele telefonie zendmasten. Deze informatie is langer “geldig” omdat over het algemeen mobiele telefonie zendmasten niet verplaatsen en omdat deze zendmasten een groter bereik hebben. Vaak zien we A-GPS, of Assisted GPS, gebruikt in mobiele telefoons welke GPS aan boord hebben (dit is het geval voor de meeste moderne smart-phones en tablets).

Merk op dat steeds meer apparaten, zoals b.v. smartphones, informatie met betrekking tot de beschikbare WiFi netwerken in de omgeving op soortgelijke wijze gebruiken om GPS nauwkeuriger te maken.

GPS ontvangers

In de begin dagen van GPS waren GPS ontvangers of duur, en voorzien van een mooi LCD display, of relatief betaalbaar maar moest dan wel aangesloten worden op een computer of PDA (Personal Digital Assistant – de draagbare mini computers, de voorloper van de smart-phone zeg maar).

Oudere GPS modellen

Oudere GPS modellen

Na verloop van tijd kwamen merken zoals Garmin met meer betaalbare GPS apparaten die een LCD display hadden. De bekendste zijn wel de Garmin eTrex series. Deze waren niet alleen betaalbaar en portable, maar je kon ze ook nog eens prima op een computer of PDA aansluiten.

Garmin eTrex

Garmin eTrex

Initeel werd GPS gebruikt voor luchtvaart en scheepsvaart, en wat later ook voor hiking. Route planning voor auto, motor of fiets werd pas veel later populair en betaalbaar. Initieel werd route planning alleen gevonden in dure luxe auto’s of bij computer nerds die een PDA en een GPS wisten te koppelen. Dit is ook de tijd waar bedrijven zoals TomTom (nog steeds mijn favoriet!) begonnen met het aanbieden van applicaties voor auto navigatie.

Bedrijven als TomTom zaten natuurlijk niet stil en al vlot werden de eerste GPS appareten aangeboden met enkel tot doe: auto navigatie. Deze GPS ontvangers zijn vandaag nog steeds populair en zeer betaalbaar.

De komst van smart-phones zorgde als snel voor integratie van een GPS ontvanger in deze telefoons waar door we ineens een hele nieuwe markt zagen opkomen van GPS gebruikers. Apps zoalsTomTom en CoPilot (beschikbaar voor iPhone en Android) werden snel populair en betaalbaar.

iPhone met TomTom

iPhone met TomTom

Nu dat navigatie systemen meer “normaal” zijn, wordt de aanwezigheid van GPS navigatie in een auto ook al als normaal gezien. Steeds meer toepassing zien we verschijnen zoals route planning voor motorfiets en fiets, of het volgen van je kinderen of gestolen auto (LoJack).

Auto Route Planner (VW Touareg 2011)

Auto Route Planner (VW Touareg 2011)

Donatie Opties


Donaties worden zeer gewaardeerd, maar zijn zeker niet vereist. Donaties worden gebruikt voor het dekken van kosten voor web-hosting en project materialen, en eventueel voor een drankje of een snack. Voor wie al gedoneerd heeft: Hartelijk dank! Het is werkelijk geweldig om te zien dat men onze artikelen en applicaties waardeert.

Reacties


Er zijn 2 reacties welke je hieronder kunt lezen.
Je kunt jouw eigen opmerkingen plaatsen m.b.v. dit formulier, of een reactie op een opmerking plaatsen door op de "Reageer" knop te klikken.

  • 23 jan 2017 - 23:49 - theo van hofslot Reactie Link

    Begrijpelijk uitgelegd in stappen wat Quick fix betekent, bedankt

    Beantwoorden

    theo van hofslot

    • 24 jan 2017 - 17:07 - hans - Auteur: Reactie Link

      Hallo Theo!

      Dank je wel voor het compliment en vooral dank voor het plaatsen van een bedankje! Wordt zeer gewaardeerd! 

      Beantwoorden

      hans



Jouw Reactie ...

Vriendelijk verzoek om hier geen lange teksten te plaatsen (zoals source codes, log files of config files). Gebruik daarvoor het Forum.

Deel met anderen:
*
*
Houd me op de hoogte van nieuwe reacties (email).
       Gebruik jouw RSS reader om reacties te volgen.


Tweaking4All uses the free Gravatar service for Avatar display.
Tweaking4All zal nooit jouw email adres met anderen delen.