De GNSS-satellietlocatie is aanwezig in het dagelijks leven van iedereen elke dag. Met een grote verscheidenheid aan toepassingsgebieden is de werking vaak weinig bekend. Hoe werkt het? Van theorie naar praktijk, de fundamentele principes van GNSS-positionering
We danken het Global Positioning System ( GPS ) aan het Amerikaanse leger. Vanaf 1973 creëerde het de eerste satellietpositioneringstechnologie. Oorspronkelijk strikt voor militair gebruik, werd GPS in het jaar 2000 vrijgegeven voor civiele toepassingen. In de loop der jaren heeft het een onmiskenbare plaats in de samenleving ingenomen.
En hoewel de gewone taal vaak alleen de term « GPS » gebruikt om naar deze technologie te verwijzen, is het vandaag de dag juister om te spreken van het Global Navigation Satellite System ( GNSS ). Inderdaad, andere constellaties en positioneringssystemen zijn bij het Amerikaanse GPS gekomen.
Aanrader : Hoe werkt een dakkapel?
Vandaag de dag hebben we duizenden satellieten rond de aarde. Onder hen zijn de satellieten van de Amerikaanse GPS constellatie, de Russische GLONASS, de Europese GALILEO, de Chinese BEIDOU… Niet allemaal zijn ze nog 100% operationeel. Dit geldt voor GALILEO en BEIDOU, die in 2020 operationeel zouden moeten zijn.
Het werkingsprincipe is gebaseerd op de intersectie van de elektromagnetische signalen die door de satellieten worden uitgezonden. De gebruiker detecteert de satellietsignalen die segmenten van satellietgebruikers definiëren, waarvan de geometrische intersectie de locatie mogelijk maakt.
Aanrader : Hoe begin je een bedrijf?
Om voortdurend functioneel te zijn, overal en op elk moment, maken de huidige oplossingen gebruik van signalen van verschillende constellaties. Deze overlap van informatie zorgt voor betere nauwkeurigheid, bijna onmiddellijke convergentietijden en 24/7 beschikbaarheid over de hele wereld.
De nauwkeurigheid van de ontvangers is op zijn best metrisch. Diverse berekeningen en strategieën worden gebruikt om deze nauwkeurigheid te verbeteren. TERIA is een van de hulpmiddelen om de nauwkeurigheid te verhogen. Het stelt de gebruiker in staat om centimeter-nauwkeurigheid in real-time te verkrijgen.
De komst van nieuwe centimeter-nauwkeurige oplossingen stelt ons in staat om nieuwe toepassingsgebieden aan te pakken: autonome voertuiggeleiding, maritiem gebruik, drones, enz.
De operationele nominale constellaties GPS, GALILEO, GLONASS, BEIDOU… bestaan uit tientallen satellieten die opereren op een hoogte van bijna 20.000 km langs gelijkmatig verdeelde banen om alle continenten te dekken.
Dankzij deze dekking is de gebruiker in staat om gelijktijdig tussen de vijf en vijfendertig satellieten te zien, afhankelijk van zijn positie op aarde.
Elke constellatie wordt bewaakt en gecontroleerd door controleposten die de informatie (posities, ephemeriden en klokcorrecties) van alle satellieten bijwerken. Ze verspreiden vervolgens hun parameters naar de aarde via elektromagnetische golven die gecodeerde signalen vervoeren.
De satellieten GPS, GALILEO, GLONASS, BEIDOU… hebben atoomklokken die een extreem nauwkeurige tijdsaanduiding bieden. De tijdsinformatie wordt in de codes die door de satellieten worden uitgezonden geplaatst. De ontvanger bepaalt vervolgens voortdurend het tijdstip waarop het signaal is uitgezonden. Het signaal bevat ook orbitale gegevens zodat de ontvanger de locatie van de satellieten kan berekenen. Dit wordt navigatie-informatie genoemd.
De GNSS-ontvanger (telefoon, topografie, landbouw, auto/luchtvaartnavigatiesysteem…) gebruikt de tijdverschil tussen de ontvangst en de tijd van uitzending van het signaal om de afstand tussen de ontvanger en de satelliet te bepalen. De ontvanger vermenigvuldigt de reistijd met de snelheid van het licht om de afstand ontvanger/satelliet te berekenen.
Zo kan een mobiele GNSS die signalen van ten minste vier satellieten opvangt, nauwkeurig in drie dimensies elke punt binnen het zicht van de satellieten lokaliseren. Hiervoor zal het de intersectie van deze satelliet-ontvanger vectoren gebruiken.
Echter, zelfs in de afwezigheid van obstakels, vereisen belangrijke verstorende factoren een correctie van de berekeningsresultaten. De eerste is de kruising van de onderste lagen van de atmosfeer, de troposfeer. De aanwezigheid van vochtigheid en drukveranderingen in de troposfeer verandert de brekingsindex en dus de snelheid en richting van de voortplanting van het satellietsignaal.
De tweede verstorende factor is de ionosfeer. Deze door zonne-straling geïoniseerde laag verandert de snelheid van de signaalvoortplanting. De meeste ontvangers integreren een correctie-algoritme.
De derde en laatste stap is het bepalen van een nauwkeurige positie. De ontvanger zal in staat zijn om een trilaterectie van de positie uit te voeren op basis van de afstandsgegevens die zijn verzameld tussen de ontvanger en verschillende satellieten.
Een GNSS-ontvanger heeft ten minste 4 satellieten nodig om zijn eigen positie te kunnen berekenen. Drie satellieten bepalen de breedtegraad, de lengtegraad en de hoogte. Terwijl de vierde de interne klok van de ontvanger synchroniseert.
Om de demonstratie te vereenvoudigen, plaatsen we ons op een 2D-vlak. Het principe zal identiek zijn om naar de 3D-ruimte over te schakelen. Alleen de cirkels zullen worden vervangen door sferen.
Stel dat de ontvanger zich op 25.000 km van een bepaalde eerste satelliet bevindt. Dit betekent dat de ontvanger zich ergens op de cirkel met een diameter van 25.000 km kan bevinden, met de satelliet als centrum.
De doos ontvangt ook een signaal van een tweede satelliet op 20.000 km bijvoorbeeld. Hij zal concluderen dat hij zich ook op deze cirkel bevindt. Zijn exacte positie zal op de intersectie van de twee cirkels liggen, dat wil zeggen twee mogelijkheden.
Om te bepalen welke van deze mogelijkheden correct is, is het signaal van een derde satelliet nodig. Voor de demonstratie stellen we ons voor dat deze een diameter van 15.000 km heeft.
Op de intersectie van deze drie cirkels blijft er nog maar één mogelijk punt over in een 2D-vlak. We hebben zojuist de geolocatie van onze ontvanger bepaald.
Veeg om van 2D naar 3D over te schakelen
Om naar 3D over te schakelen, zou een 4e satelliet nodig zijn, omdat de intersectie van 3 sferen 2 punten oplevert. We kunnen echter zonder deze satelliet, omdat slechts één van de twee punten geometrisch consistent is. En dus zou er nog een mogelijkheid zijn om te elimineren.
Echter, het gebruik van een 4e satelliet is noodzakelijk, omdat het oplossingen biedt in de mate van de voortplantingstijd van het signaal. GNSS-ontvangers op de grond hebben alleen ruwe klokken die niet de precisie van de satellietatoomklokken hebben. Het resultaat is een desynchronisatie die moet worden opgelost om de afstand ontvanger-satelliet te controleren en vervolgens een correcte geolocatie te verkrijgen.
Volg ons ook op sociale media en via onze nieuwsbrief!
Het voorbeeld verwijst naar het gebruik van vier satellieten, maar GNSS-ontvangers zijn in staat om veel satellieten tegelijk te volgen (stations, topografie, telefoon, navigatieapparaat…). Dit verbetert de nauwkeurigheid, de convergentietijd, de dekking en vermindert de kans op fouten.
Gemiddeld kan een ontvanger 7 satellieten van dezelfde constellatie vastleggen (14 satellieten op GPS — GALILEO). Voor centimeter-nauwkeurige positionering zijn minstens 5 satellieten onmisbaar.
Momenteel zijn er 129 actieve satellieten voor satellietpositionering beschikbaar voor civiele toepassingen:
Voor toepassingen waarbij centimeter-nauwkeurigheid essentieel is (autonoom voertuig, bathymetrie, topografie…), is dit niet voldoende. Inderdaad, de vervormingen in de voortplanting van signalen kunnen leiden tot fouten van enkele meters. Dit is vooral het geval bij de kruising van atmosferische lagen.
Bepaalde oplossingen zoals TERIA kunnen deze meetfouten corrigeren en een centimeter-nauwkeurige positionering van 1-2 cm in real-time bieden.
Ze zijn gebaseerd op netwerken van ontvangers die allemaal zijn verbonden met computercentra, die alle fouten en correcties in real-time modelleren (PPP, PPP-RTK, NRTK en RTK) naar de gebruikers toe
Om een object op aarde wiskundig eenduidig te lokaliseren, is het noodzakelijk om een geodetische referentie te definiëren die wordt uitgedrukt in geografische coördinaten die meestal zijn: breedtegraad, lengtegraad en hoogte (of elevatie) ten opzichte van het gemiddelde zeeniveau (orthometrische elevatie) of ten opzichte van een referentieoppervlak, meestal ellipsoïde (ellipsoïdale elevatie).
Historisch gezien werden geodetische systemen bepaald op basis van hoekenmetingen en lengtemetingen. Een geodetisch systeem was gekoppeld aan een geodetisch netwerk, een set punten waarvan de coördinaten waren bepaald op basis van landmetingen.
Ruimte-technologie heeft het mogelijk gemaakt om wereldwijde geodetische systemen te definiëren. Het meest gebruikte geodetische systeem ter wereld is het World Geodetic System 1984 ( WGS84 ), dat is gekoppeld aan het Amerikaanse GPS-positioneringssysteem.
Bron: color-science.eu gnssplanning.com Wilt u TERIA voor uw bedrijf uitproberen?
Tag: een GPS bijwerken