Nog een paar jaar en dan is niet GPS, maar het gloednieuwe – en betere – Galileo de standaard in Europa.

GPS, we kennen het allemaal en gebruiken het voortdurend met onze smartphones en in de auto. Maar wist je dat GPS staat voor Global Positioning System en een Amerikaans satellietbepalingssysteem is? Dit betekent dat de Verenigde Staten in principe alle macht hebben en dat is de reden dat Europa zijn eigen systeem heeft opgezet: Galileo.

GPS. Afbeelding: NASA.

GPS
Al sinds 1967 werd het GPS-systeem ontwikkeld en heette officieel Navstar GPS. De eerste groep satellieten ging pas in 1978 de ruimte in. GPS was bedoeld voor met name militaire doeleinden, maar ook de scheepvaart en landmeetkunde. Het satellietbepalingssysteem werd openbaar in 1983, nadat de Korean Air-vlucht 007 neergehaald werd. Dit ongeluk kwam door een navigatiefout, waardoor het vliegtuig in een verboden deel van de Sovjet-Unie terechtkwam en vervolgens beschoten werd door de Sovjet-Unie. Hierbij kwam Amerikaans congreslid Larry McDonald om het leven. Als gevolg werd GPS door president Ronald Reagan vrijgegeven voor het publiek. In 1995 waren er 24 satellieten en was het navigatiesysteem volledig operationeel. Er zijn voor GPS namelijk 24 satellieten nodig om (bijna) iedereen (bijna) overal op de wereld constant te voorzien van de mogelijkheid tot plaatsbepaling, tijdsbepaling, navigatie en andere gerelateerde zaken. Van deze 24 satellieten zijn er drie reserve. De satellieten vliegen op 20.200 km hoogte in zes verschillende vaste banen rond de aarde. Aan de hand van signalen uitgezonden door radiogolven, zeer nauwkeurige atoomklokken en slimme meetkunde, kan de positie van de gebruiker (de ontvanger) bepaald worden met deze satellieten (de zender). Dit levert een nauwkeurigheid die voor de gewone gebruiker varieert tussen 20 tot 10 meter. De militaire gebruiker kan gebruikmaken van de Precise Positioning Service (PPS) en daardoor rekenen op een veel nauwkeurigere positiebepaling.

Anti-Spoofing
Met opzet kan het signaal verslechterd worden voor ‘gewone’ civiele gebruikers. Dit heet Anti-Spoofing, waarbij in 1994 de beste code, de P-code, voor positiebepaling versleuteld wordt. Daarnaast werd met Selective Availability (SA) het signaal een tijdje nog verder gedegradeerd, maar SA is uiteindelijk met de GPS III-satellieten sinds september 2007 opgeheven. Naast deze opzettelijke verslechtering zijn er natuurlijk nog de storingen door de atmosfeer en kunnen er ook systeemfouten zijn. Door twee verschillende signalen – L1 en L2 – met elkaar te vergelijken kan vastgesteld worden hoe groot het effect van de atmosfeer is, waarna men dat effect kan corrigeren. Desalniettemin moge het duidelijk zijn dat door het belang van GPS en de macht die de Verenigde Staten daarmee hebben, andere landen op de wereld graag een eigen systeem hebben.

BeiDou-2. De rode baan is de geostationaire, de blauwe de 21.528 km baan, grijs de geosynchrone. Afbeelding: Glonass-iac.ru.

Andere satellietplaatsbepalingssystemen
Voordat we naar Galileo gaan, zullen we eerst kijken welke andere satellietbepalingssystemen er zijn. Het Russische GLONASS werkt ongeveer hetzelfde als GPS, maar bevindt zich op 19.100 km hoogte en bestaat uit 27 satellieten (23 werkende + 4 reserve), die in drie verschillende banen vliegen. Daarnaast gebruikt GLONASS momenteel de frequentie-multiplexmethode (FDMA), in plaats van de code-multiplexmethode (CDMA) die andere systemen gebruiken. Het verschil zit hem er in dat bij CDMA de satellieten dezelfde frequentie gebruiken en de ontvanger de signalen onderscheidt door een code en zo de boodschap begrijpt, terwijl bij FDMA de frequenties van de signalen verschillen en zo de boodschap juist overgebracht kan worden. Het plan is echter om GLONASS in de toekomst ook te laten werken op CDMA.
Dan heb je het Chinese BeiDou (zie afbeelding hierboven). BeiDou-1 was de eerste editie met slechts drie satellieten in een geostationaire baan. Een nieuwe constellatie genaamd BeiDou-2 zal met 35 satellieten vanaf 2020 wereldwijd operationeel moeten zijn. Opvallend hier is de complexe constellatie: vijf satellieten in geostationaire baan (35.786 km), 27 satellieten op 21.528 km en dan nog drie satellieten in geosynchrone baan (35786 km, maar met een 55 graden inclinatie ten opzichte van de evenaar).
Verder moeten we niet vergeten dat ook ook het Japanse QZSS (drie satellieten) en Indiase INRSS (zeven satellieten) bestaan, die voor hun eigen land voor navigatie zorgen.

EGNOS
Nu komen we aan bij Europa. De ESA (European Space Agency) startte in 2005 met de European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS). Dit systeem is operationeel sinds 2009 en werd vanaf toen beheerd door de Europese Commissie en wordt nu beheerd door de in Frankrijk zittende European Satellite Service Provider. Het was bedoeld om de GPS- en GLONASS-satellieten te verbeteren door GPS- en Glonass-data te verzamelen met behulp van een complex netwerk van een heleboel grondstations en drie geostationaire EGNOS-satellieten. Hierdoor is het mogelijk om de nauwkeurigheid tot op enkele meters te krijgen. EGNOS wordt vooral gebruikt voor vliegtuigen, maritieme doeleinden, weg-en spoorweggebruikers, en zelfs voor de landbouw.

Galileo. Afbeelding: ESA / P. Carril.


Galileo
EGNOS is nog afhankelijk van andere satellietsystemen, daarom moest er met Galileo een onafhankelijk systeem in de ruimte komen dat ons voorziet van navigatie. In 2020 zal het af zijn en bestaat het uit:
In de ruimte: 30 satellieten (24 operationeel, zes reserves) die zich op 23.222 km hoogte vanaf het oppervlak van de aarde bevinden. Deze zijn verdeeld over drie verschillende cirkelvormige banen (zie afbeelding hierboven). De satellieten werden/worden gelanceerd met de Soyuz en Ariane 5 lanceerraketten vanaf Kourou (Frans-Guyana). Vier satellieten in zicht van de gebruiker zijn nodig voor precieze metingen.
Op aarde: twee controlecentra, vijf traceer- en controlestations, vijf opgaande signaalstations, zestien sensorstations. Deze hebben tot doel om de satellieten te controleren op functionaliteit, om ze te volgen en om uiteraard de navigatiedata naar de gebruiker te zenden.

Eén systeem, 27 landen
Een groot verschil met GPS, GLONASS en BeiDou is toch wel dat Galileo, in plaats van door één natie, ontwikkeld is door 27 Europese landen. Dit maakte het programma ingewikkelder, doordat het nemen van besluiten meer tijd kost. In het begin werd Galileo gefinancierd door tevens de ontwikkelaar: de ESA. Maar de financiering en het beleid is nu overgenomen door de Europese Commissie. De lidstaten zijn als het ware de aandeelhouders en medeverantwoordelijk voor de beslissingen omtrent Galileo. De communicatie gaat via het forum ‘GNSS Programmes Committee’. Daarnaast heb je nog de landelijke ruimtevaartorganisaties, zoals bijvoorbeeld het Franse CNES, het Duitse DLR of het Italiaanse ASI, die onderdeel zijn van het Galileo-programma. Verder heb je landen zoals Zwitserland en Noorwegen die lid zijn van de ESA maar niet van de EU. Deze landen betalen wel gewoon mee en nemen deel aan het Galileo-project. Aan de andere kant heb je het Verenigd Koninkrijk dat met een Brexit in een ingewikkelde situatie komt. Er wordt zelfs gezegd dat zij hun bijdrage van 1.4 miljard euro terug willen, als ze uit de EU en dus uit Galileo stappen. Dan moeten ze wel zorgen voor hun eigen systeem…

Een artistieke impressie van vier Galileo-satellieten op een Ariane 5-raket. Afbeelding: ESA / Pierre Carril.

Problemen
Echt vlekkeloos is het allemaal niet gegaan voor het Galileo-project. In 2014 werden twee satellieten verkeerd gepositioneerd. Deze banen werden gelukkig gecorrigeerd. Daarna deden in 2017 enkele van de atoomklokken aan boord van de satellieten het niet goed. Elke satelliet heeft vier atoomklokken: twee rubidium- en twee waterstof-maserklokken. Deze laatste hebben als doel het Galileo-systeem veel preciezer te maken dan de concurrenten (GPS, GLONASS, etc..). Om precies te zijn, moet dit een nauwkeurigheid opleveren van tot op één meter of minder. Het bleek dat negen van de klokken – drie rubidium- en zes waterstof-maserklokken – het begeven hadden. Dit probleem is gelukkig opgelost, nadat ontdekt was dat een onderdeel van de rubidiumklokken voor kortsluiting zorgde. Daarnaast had het programma financieel ook veel moeilijkheden. De vooraf gemaakte schatting was dat het programma 3.4 miljard euro zou kosten voor de EU, maar dit is toegenomen tot 11 miljard en naar schatting gaat het systeem uiteindelijk 20 miljard kosten. Dit komt onder andere doordat de privésector aanvankelijk een groter deel van het bedrag zou betalen, maar daar uiteindelijk op terug is gekomen. De redding kwam van overheidsbijdragen. Galileo kost dus een hoop geld. Maar gedacht wordt dat rond 2020, doordat bedrijven afhankelijk worden van satellietnavigatie, de waarde van Galileo tot 244 miljard kan oplopen. Aan de andere kant, wordt daarbij de competitie tussen de verschillende navigatiesystemen over het hoofd gezien…

Toekomst
Net als bij andere navigatiesystemen zijn er bij Galileo verschillende soorten precisie-niveaus beschikbaar. Zo is voor iedereen het standaardniveau beschikbaar, maar voor betalende klanten is er nog een preciezere meting mogelijk. Behalve competitie is er ook mogelijkheid tot samenwerking tussen verschillende navigatiesystemen. Als GPS en Galileo samenwerken, kan de nauwkeurigheid in theorie komen tot op enkele centimeters. Galileo is al klaar voor gebruik en er zijn al smartphones die Galileo-signalen ontvangen, maar dit blijft bij enkelen. Dit zal de komende jaren nog wel veranderen en dan zal Galileo de standaard in Europa moeten worden in plaats van GPS. Het idee is om elke nieuwe auto te voorzien van het Galileo-navigatiesysteem. Daarnaast rijden zelfrijdende auto’s in de toekomst op basis van de Galileo-navigatie. Ook worden de erg precieze klokken van het navigatiesysteem ingezet om banken en financiële transacties te optimaliseren en te versnellen. Zo zijn er nog veel meer mogelijkheden, zoals het begeleiden van blinde mensen, ondersteunen van lucht-en treinverkeer of het navigeren van mensen door gebouwen. We zullen het meemaken.

Jurjen de Jong (1993) heeft een bachelor wiskunde en bachelor natuurkunde behaald in Utrecht en een master wiskundige natuur-en sterrenkunde in Gent afgerond. En nu rondt hij de master-na-master in Space Studies in Leuven af met een stage bij de ESA. Jurjen leest graag over de verschillende ontdekkingen en ontwikkelingen op wetenschapsgebied en door er over te schrijven hoopt hij zijn kennis te delen met een groter publiek. Zijn artikelen verschijnen niet alleen op Scientias.nl, maar ook op een blog die hij recent lanceerde: Asbronomers.com. Eerder verscheen van Jurjens hand al dit interessante artikel waarin hij uitzoekt of het nodig is dat ook de ruimtevaart groener wordt. Ook zocht hij voor Scientias.nl uit of de ruimtelift werkelijk toekomst heeft. Recent publiceerde hij ook een artikel over de Parker Solar Probe: een ruimtesonde die binnenkort de zon gaat ‘aantikken’ en de veelbesproken Riemann-hypothese.