Satellietnavigatie

Principe

Elke satelliet zendt doorlopend een radiosignaal uit met een tijdcode en een navigatiebericht. Dat bericht bevat de baangegevens en de klokcorrecties van de satelliet, die het grondsegment van het systeem voortdurend bepaalt. De ontvanger meet hoe lang het signaal onderweg is geweest en vermenigvuldigt die looptijd met de lichtsnelheid.

De satellieten hebben zeer stabiele atoomklokken. De klok in een ontvanger is veel minder nauwkeurig, waardoor alle gemeten afstanden dezelfde onbekende klokfout bevatten. Daarom spreekt men van een pseudoafstand (pseudorange). Er zijn vier onbekenden: drie coördinaten en de klokfout van de ontvanger. Voor een driedimensionale positie zijn dus signalen van ten minste vier satellieten nodig. De GPS-constellatie is zo opgezet dat vrijwel overal op aarde ten minste vier satellieten zichtbaar zijn.

Signalen

De satellieten zenden op frequenties tussen ongeveer 1,1 en 1,6 GHz. De open signalen van BeiDou-3 liggen bijvoorbeeld op 1176,45 MHz en 1575,42 MHz. De signalen zijn zwak bij aankomst op aarde en vragen vrij zicht op de satellieten. De werkelijke nauwkeurigheid hangt daardoor af van atmosferische invloeden, afscherming van de hemel en de kwaliteit van de ontvanger. Ontvangers die twee frequenties gebruiken, kunnen de vertraging in de ionosfeer corrigeren. Reflecties tegen gebouwen (meerwegontvangst) verminderen de nauwkeurigheid in steden.

Banen

De wereldwijde systemen gebruiken satellieten in een middelhoge baan om de aarde (medium Earth orbit, MEO), op ongeveer 19.000 tot 23.000 km hoogte (zie de tabel bij Systemen). BeiDou en de regionale systemen gebruiken daarnaast satellieten in een geostationaire baan en in schuine geosynchrone banen (inclined geosynchronous orbit, IGSO). Die satellieten blijven lang boven hetzelfde gebied staan.

Tijd

Elk systeem heeft een eigen tijdschaal. GPS-tijd loopt sinds 6 januari 1980 zonder schrikkelseconden en liep in 2021 daardoor achttien seconden voor op UTC. Het navigatiebericht bevat het verschil tussen beide, zodat de ontvanger UTC kan afleiden. GLONASS past wel schrikkelseconden toe. Omdat de satellieten een nauwkeurige tijd uitzenden, wordt satellietnavigatie ook gebruikt voor tijdsynchronisatie.

Coördinaten en hoogte

Een wereldwijd navigatiesysteem vraagt om een wereldwijd geodetisch datum. Al bij Transit werd daarom het World Geodetic System gebruikt. GPS gebruikt WGS 84. Voor nationaal gebruik worden de coördinaten omgerekend, bijvoorbeeld naar het Stelsel van de Rijksdriehoeksmeting in Nederland of naar Lambertcoördinaten in België.

Een GNSS-ontvanger berekent de hoogte ten opzichte van een referentie-ellipsoïde. Voor de hoogte ten opzichte van NAP is een model van de geoïde nodig. In Nederland ligt de geoïde ruwweg 40 tot 47 meter boven de GRS80-ellipsoïde.

GPS

Zie Global positioning system voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Het Amerikaanse ministerie van Defensie begon in 1973 met gps. Het programma combineerde elementen van twee eerdere projecten: Project 621B van de luchtmacht en Timation van de marine. Van Timation kwam het gebruik van atoomklokken aan boord. In maart 1994 was de constellatie compleet en in april 1995 werd het systeem volledig operationeel verklaard. Tot mei 2000 verslechterde de Amerikaanse overheid opzettelijk de nauwkeurigheid voor burgergebruikers (Selective Availability).

GLONASS

Zie GLONASS voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

De Sovjet-Unie begon in 1982 met de lancering van GLONASS-satellieten. In 1995 was de constellatie compleet, maar door de economische crisis in Rusland raakte het systeem daarna in verval. Rusland herstelde het systeem vanaf 2001. Sinds oktober 2011 heeft GLONASS weer een volledige constellatie van 24 satellieten met wereldwijde dekking.

Galileo

Zie Galileo (navigatiesysteem) voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Galileo is eigendom van de Europese Unie en staat onder civiel beheer. Het Agentschap van de Europese Unie voor het ruimtevaartprogramma (EUSPA) levert de diensten; het Europees Ruimteagentschap (ESA) is verantwoordelijk voor het ontwerp en de verdere ontwikkeling van het systeem. Op 15 december 2016 startten de Initial Services en de zoek- en reddingsdienst. Sinds augustus 2022 heeft Galileo 24 operationele satellieten.

Galileo biedt naast de open dienst een aantal aanvullende diensten:

• Sinds januari 2023 een gratis High Accuracy Service (HAS). De volledige dienst heeft als doel een nauwkeurigheid van minder dan 20 cm horizontaal en 40 cm verticaal.
• Sinds 24 juli 2025 de dienst Open Service Navigation Message Authentication (OSNMA). Een ontvanger kan daarmee controleren of de navigatiegegevens echt van Galileo komen en niet zijn gewijzigd.
• De versleutelde Public Regulated Service (PRS) voor overheden.

BeiDou

Zie Beidou voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

China bouwde BeiDou in drie fasen. De eerste satelliet werd in oktober 2000 gelanceerd. Eind 2018 begon een basisdienst met wereldwijde dekking. Op 31 juli 2020 werd BDS-3, de wereldwijde versie, officieel in gebruik genomen. Naast plaatsbepaling biedt BeiDou onder meer een dienst voor korte berichten en een zoek- en reddingsdienst.

Regionale systemen

Zie Quasi-Zenith Satellite System voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Het Japanse QZSS, ook bekend als Michibiki, is sinds november 2018 officieel in gebruik. Het vult GPS aan in Japan en de regio Azië-Oceanië. In 2024 bestond het systeem uit vier satellieten. Met een uitbreiding naar zeven satellieten moet plaatsbepaling met alleen QZSS mogelijk worden. Sinds april 2024 biedt QZSS ook authenticatie van navigatieberichten.

Het Indiase NavIC (Navigation with Indian Constellation), officieel IRNSS, is ontwikkeld door de Indian Space Research Organisation (ISRO). Het systeem heeft te kampen met defecte atoomklokken en mislukte lanceringen. Sinds de klok van IRNSS-1F in maart 2026 uitviel, zijn er nog drie satellieten bruikbaar voor navigatie. Dat is minder dan de vier die nodig zijn voor plaatsbepaling.

Plaatsbepaling met satellieten in een lage baan

Satellieten in een lage baan om de aarde (low Earth orbit, LEO) staan veel dichter bij de aarde dan de satellieten van GPS of Galileo. Daardoor kunnen hun signalen sterker zijn en beter doordringen in steden en gebouwen. Zulke systemen worden ontwikkeld als aanvulling op GNSS en als terugvaloptie bij storing.

Iridium Communications introduceerde in 2016 met technologie van het bedrijf Satelles de dienst Satellite Time and Location (STL). Deze dienst gebruikt de 66 communicatiesatellieten van Iridium voor plaats- en tijdbepaling, als alternatief wanneer GPS-signalen verstoord of niet beschikbaar zijn.

Ook signalen van satellieten die niet voor navigatie zijn bedoeld, kunnen worden gebruikt. Onderzoekers van de Ohio State University en de University of California, Irvine bepaalden in 2021 met de signalen van zes Starlink-satellieten de positie van een antenne tot op ongeveer 7,7 meter nauwkeurig. Daarvoor hadden zij geen medewerking of gegevens van SpaceX nodig.

Daarnaast worden constellaties gebouwd die speciaal voor navigatie vanuit een lage baan bedoeld zijn:

• Het Amerikaanse bedrijf Xona Space Systems lanceerde in 2025 de demonstratiesatelliet Pulsar-0. Volgens het bedrijf is het ontvangen signaal honderd keer sterker dan dat van GPS en daardoor beter bestand tegen storing. In 2026 gaf de Amerikaanse Federal Communications Commission voorwaardelijke toestemming voor een constellatie van 258 satellieten, waarvan eerst 16 mogen worden gelanceerd.
• ESA lanceerde op 28 maart 2026 de eerste twee satellieten van Celeste, een demonstratie van een navigatielaag in een lage baan als aanvulling op Galileo. In de volledige opzet telt Celeste elf satellieten; verdere lanceringen zijn gepland voor 2027.

Augmentatiesystemen (SBAS)

Een satellietgebaseerd augmentatiesysteem (satellite-based augmentation system, SBAS) werkt met een netwerk van grondstations die de satellietsignalen bewaken. Correcties en informatie over de betrouwbaarheid (integriteit) worden via geostationaire satellieten uitgezonden. SBAS is ontwikkeld voor de luchtvaart. Het eerste systeem was het Amerikaanse WAAS.

Het Europese EGNOS biedt sinds oktober 2009 een open dienst. In maart 2011 volgde de Safety-of-Life-dienst voor de luchtvaart. Tot 2026 maakte EGNOS op Europese luchthavens meer dan duizend naderingsprocedures mogelijk.

Storing en misleiding

Satellietsignalen zijn zwak en daardoor kwetsbaar voor opzettelijke verstoring met een stoorzender (jamming). Ze zijn ook kwetsbaar voor vervalste signalen die een ontvanger een verkeerde positie of tijd laten berekenen (spoofing). Sinds 2022 waarschuwt het Europees Agentschap voor de veiligheid van de luchtvaart (EASA) voor een toename van beide verschijnselen, vooral in de buurt van conflictgebieden. Volgens EASA is spoofing gevaarlijker dan jamming, omdat het moeilijker te ontdekken is en meerdere systemen tegelijk kan beïnvloeden. In juli 2026 verscheen een vierde herziening van het veiligheidsbulletin, met onder meer standaardfraseologie voor de communicatie tussen piloten en luchtverkeersleiding in zulke situaties. Authenticatiediensten zoals OSNMA van Galileo moeten vervalste navigatieberichten herkenbaar maken.

Navigatie

In een routenavigatiesysteem wordt de berekende positie gecombineerd met een digitale kaart van wegen of vaarroutes. Het systeem toont de positie op de kaart en geeft aanwijzingen voor de te volgen route. Ook kan men een route vastleggen als een reeks waypoints: punten waar men achtereenvolgens langs moet komen. Uit opeenvolgende posities berekent de ontvanger bovendien de bewegingsrichting en de snelheid. Een satellietkompas bepaalt de richting met twee antennes, ook zonder beweging.

Luchtvaart

De Luchtverkeersleiding Nederland gebruikt sinds augustus 2021 satellietnavigatie bij het naderen van de Nederlandse luchthavens. Dit is nauwkeuriger dan de tot dan toe gebruikte navigatiebakens. Vliegtuigen kunnen daardoor gelijkmatiger dalen en beter om woongebieden heen vliegen, met minder geluidsoverlast als gevolg. De navigatiebakens blijven in gebruik als reserve en voor vliegtuigen zonder satellietnavigatie. SBAS maakt naderingen met verticale geleiding mogelijk, ook op luchthavens zonder instrumentlandingssysteem.

Landmeten en geodesie

In de landmeetkunde en geodesie wordt satellietnavigatie gecombineerd met referentiestations, zoals bij RTK. Zo zijn posities met een nauwkeurigheid van enkele centimeters te bepalen. Hoogtes ten opzichte van NAP volgen uit de gemeten hoogte met een geoïdemodel.

Zoek- en reddingsdiensten

Galileo en BeiDou hebben aan boord apparatuur voor het ontvangen van noodsignalen van bakens, als onderdeel van het internationale Cospas-Sarsat-systeem.

Overige toepassingen

Bij geocaching zoeken deelnemers met een GNSS-ontvanger naar verstopte voorwerpen. Smartphones en camera's kunnen de positie opslaan in de Exif-gegevens van een foto.