Global positioning system

Voorgangers en ontwikkeling

Het eerste satellietnavigatiesysteem was Transit van de Amerikaanse marine, operationeel vanaf 1964. Transit gaf alleen een positie in twee dimensies en was te traag voor vliegtuigen. Naast Transit had GPS twee directe voorgangers. Project 621B van de luchtmacht en de Aerospace Corporation (1963) ontwikkelde de afstandsmeting met pseudowillekeurige codes. Het programma Timation van het Naval Research Laboratory (1964) beproefde satellieten met zeer stabiele klokken aan boord. In 1973 werden beide benaderingen samengevoegd in het GPS-concept: de signaalopbouw en frequenties van 621B, gecombineerd met de middelhoge banen en atoomklokken van Timation. Onderminister van Defensie William P. Clements gaf op 17 april 1973 toestemming voor het programma.

Tussen 1978 en 1985 werden elf proefsatellieten van het type Block I gelanceerd.

Vrijgave voor burgergebruik

Op 1 september 1983 schoot de Sovjet-Unie een Koreaans passagiersvliegtuig neer dat in het Sovjet-luchtruim terecht was gekomen: Korean Air-vlucht 007. Alle 269 inzittenden kwamen om, onder wie een lid van het Amerikaanse Huis van Afgevaardigden. Na deze ramp besloot president Ronald Reagan dat GPS na voltooiing gratis beschikbaar zou komen voor burgergebruik.

Operationeel

In de productiefase werd een volledige constellatie van 24 satellieten van de typen Block II en IIA in een baan gebracht. De constellatie was compleet op 9 maart 1994 en in april 1995 bereikte het systeem volledige operationele capaciteit. Het ministerie van Defensie maakte dat op 17 juli 1995 officieel bekend.

Tijdens de Golfoorlog van 1990-1991 bleek GPS van grote militaire waarde. Er waren te weinig militaire ontvangers, waardoor het leger civiele ontvangers moest aanschaffen. Rond het jaar 2000 waren de civiele gebruikers al veel talrijker dan de militaire.

Selective Availability en anti-spoofing

Op 25 maart 1990 voerde het ministerie van Defensie Selective Availability (SA) in: een opzettelijke verslechtering van het civiele signaal door variërende fouten in de uitgezonden satelliettijd. De nauwkeurigheid voor burgergebruikers was daardoor niet beter dan 100 meter in 95% van de gevallen. Tijdens de Golfoorlog werd SA tijdelijk uitgeschakeld, omdat de eigen troepen met civiele ontvangers werkten. Daarna werd SA weer ingeschakeld. In opdracht van president Bill Clinton werd SA op 1 mei 2000 beëindigd. In september 2007 besloot de Amerikaanse regering dat de satellieten van de nieuwe generatie GPS III de mogelijkheid voor SA niet meer zouden krijgen. Volgens het ministerie van Defensie kan het GPS-signaal bij een militaire dreiging wel regionaal worden geblokkeerd.

Sinds 31 januari 1994 is de militaire P-code permanent versleuteld. Deze anti-spoofing (A-S) beschermt militaire ontvangers tegen valse signalen.

Modernisering

Vanaf 1997 werden de satellieten van het type Block II vervangen door modernere generaties (zie de tabel bij Ruimtesegment). Daarmee kwamen nieuwe civiele signalen en een nieuw militair signaal beschikbaar (zie Signalen). De eerste satelliet van de derde generatie, GPS III, werd in december 2018 gelanceerd. Met de lancering van de tiende en laatste GPS III-satelliet op 21 april 2026 was de constellatie groter dan ooit. Lockheed Martin bouwt de opvolger, GPS IIIF.

Het nieuwe grondsysteem OCX (Next Generation Operational Control System) van Raytheon moest de besturing van alle satellieten en signalen overnemen. Het project liep jaren vertraging op en werd veel duurder dan geraamd. De Space Force nam het systeem in juli 2025 in ontvangst, maar bij de integratietests ontstonden grote problemen. In april 2026 zette het ministerie van Defensie het project stop. Het bestaande grondsysteem (Architecture Evolution Plan, AEP) van Lockheed Martin wordt in plaats daarvan verder gemoderniseerd. OCX blijft alleen in gebruik voor de lancering en het in bedrijf nemen van GPS III-satellieten.

Ruimtesegment

De satellieten draaien in zes baanvlakken met een inclinatie van 55° ten opzichte van de evenaar, op een hoogte van ongeveer 20.200 km. Een omloop duurt een halve sterrendag (11 uur en 58 minuten), zodat de stand van de satellieten zich elke sterrendag herhaalt. Elk baanvlak heeft vier vaste posities. Met deze 24 posities zijn vanaf vrijwel elke plaats op aarde ten minste vier satellieten zichtbaar. De Verenigde Staten garanderen dat in 95% van de tijd ten minste 24 satellieten operationeel zijn. Sinds juni 2011 zijn drie posities uitgebreid, waardoor het systeem in feite werkt met 27 posities. Meestal zijn er meer satellieten in gebruik dan nodig; die extra satellieten verbeteren de dekking. In juli 2023 waren er 31 satellieten operationeel. In april 2026, vóór de lancering van de laatste GPS III-satelliet, bestond de constellatie uit 32 satellieten; daarnaast waren er zeven oudere satellieten buiten gebruik die in een baan bleven.

De tijd aan boord wordt bijgehouden met atoomklokken. Een satelliet van het type Block IIF heeft twee rubidiumklokken en één cesiumklok; GPS III-satellieten hebben meerdere rubidiumklokken. Een klokfout van 10 nanoseconde komt door de lichtsnelheid overeen met een afstandsfout van ongeveer 3 meter.

De satellieten dragen ook sensoren van het Amerikaanse detectiesysteem voor kernexplosies. Van meet af aan werden GPS-satellieten gezien als een geschikt platform daarvoor.

Controlesegment

Het controlesegment volgt de satellieten, bewaakt hun signalen en stuurt commando's en gegevens naar de satellieten. Het bestaat uit een hoofdcontrolestation (master control station) op de basis Schriever in Colorado, een reservestation op Vandenberg in Californië, elf antennes voor besturing en 16 meetstations over de hele wereld. Zes meetstations zijn van de luchtmacht en tien van de National Geospatial-Intelligence Agency. Het hoofdcontrolestation berekent uit de metingen de banen en klokfouten van de satellieten en stelt daarmee de navigatieberichten op. Onder normale omstandigheden worden nieuwe baangegevens ongeveer elke twee uur naar de satellieten verzonden. De eenheid Mission Delta 31 van de Space Force voert de besturing uit.

Gebruikerssegment

Het gebruikerssegment omvat alle ontvangers. Oorspronkelijk waren dat militaire ontvangers voor soldaten, schepen, onderzeeboten, vliegtuigen en voertuigen. Er zijn twee diensten: de Standard Positioning Service (SPS) voor iedereen en de Precise Positioning Service (PPS) voor geautoriseerde, vooral militaire gebruikers. PPS-ontvangers krijgen sleutels waarmee zij de versleutelde militaire code kunnen gebruiken.

Navigatiebericht

Over de codes wordt een navigatiebericht uitgezonden met de baangegevens (efemeriden) en klokcorrecties van de satelliet, de status van de satelliet, parameters van een ionosfeermodel en een almanak met de globale banen van alle satellieten. Het klassieke bericht (LNAV) wordt uitgezonden met 50 bit per seconde. Het bestaat uit 25 pagina's van elk 30 seconden, verdeeld in vijf subframes van 6 seconden. Het hele bericht duurt daardoor 12,5 minuut. Elk subframe begint met een synchronisatiewoord (telemetry word) en een woord met de tijd binnen de week (handover word); met die tijd kan een ontvanger de P(Y)-code van een week lang sneller vinden. De baangegevens en klokcorrecties worden elke 30 seconden herhaald. De nieuwere berichten (CNAV) bestaan uit losse berichttypen met foutcorrectie. Posities worden berekend in het referentiestelsel WGS 84.

Nauwkeurigheid

Zie ook: Satellietnavigatie, sectie Nauwkeurigheid en augmentatie

De Verenigde Staten garanderen voor de civiele dienst dat de afstandsfout door het signaal zelf (user range error) in 95% van de gevallen niet groter is dan 2,0 meter; op 20 april 2021 was die fout gemiddeld 0,643 meter. De nauwkeurigheid van de positie hangt daarnaast af van de atmosfeer, afscherming van de hemel en de kwaliteit van de ontvanger. Volgens metingen van de Federal Aviation Administration halen hoogwaardige ontvangers op één frequentie een horizontale nauwkeurigheid van 1,82 meter of beter in 95% van de gevallen.

De afstandsfout door het signaal zelf is voor civiele en militaire gebruikers gelijk. Het verschil zit in de frequenties: militaire ontvangers gebruiken er twee en kunnen zo de ionosferische vertraging corrigeren. Met de nieuwe civiele signalen verdwijnt dat verschil. Met ontvangers op twee frequenties en augmentatiesystemen, zoals WAAS en EGNOS, is een veel hogere nauwkeurigheid mogelijk: in reële tijd tot enkele centimeters en bij nabewerking tot op de millimeter.

Geometrie van de satellieten

De nauwkeurigheid hangt ook af van de stand van de satellieten ten opzichte van de ontvanger. Staan ze dicht bij elkaar aan de hemel, dan leidt een kleine meetfout tot een grote positiefout. De maat hiervoor is de dilution of precision (DOP): de factor tussen de nauwkeurigheid van de afstandsmetingen en die van de berekende positie. De DOP hangt alleen af van de geometrie en kan met de almanak vooraf worden berekend. Er zijn varianten voor positie (PDOP), horizontale positie (HDOP), hoogte (VDOP), tijd (TDOP) en positie en tijd samen (GDOP).

Relativiteit

De klokken in de satellieten lopen anders dan klokken op aarde. Door hun snelheid lopen ze volgens de speciale relativiteitstheorie ongeveer 7 microseconde per dag achter (tijddilatatie). Omdat de zwaartekracht op de hoogte van de satellieten zwakker is, lopen ze volgens de algemene relativiteitstheorie ongeveer 45 microseconde per dag voor. Per saldo lopen de satellietklokken zo'n 38 microseconde per dag voor. Om dit te compenseren wordt hun frequentie vóór de lancering iets lager ingesteld. Zonder deze correctie zou het systeem niet werken. Ook het sagnac-effect, door de draaiing van de aarde tijdens de looptijd van het signaal, wordt gecorrigeerd.

GPS-tijd en weeknummer

GPS-tijd begon op 6 januari 1980 en kent geen schrikkelseconden; het navigatiebericht vermeldt het verschil met UTC zoals bijgehouden door het United States Naval Observatory. GPS is daardoor ook een belangrijke bron van precieze tijd, onder meer voor telecommunicatie, het elektriciteitsnet en de financiële sector. Het navigatiebericht geeft de tijd als weeknummer plus het aantal seconden in de week. In het klassieke bericht heeft het weeknummer 10 bits, zodat het na 1024 weken (ongeveer 19,7 jaar) terugspringt naar nul. Dat gebeurde in augustus 1999 en op 6 april 2019. Oudere ontvangers die hier geen rekening mee houden, kunnen een datum geven die 19,7 jaar te vroeg is. De nieuwere navigatieberichten gebruiken 13 bits, waarmee het probleem in de praktijk is opgelost.