Navigatiesystemen
Global Positioning System
TechTalk
Root server » TechTalk » FAQ Accessoires » Navigatiesysteem
-

-

Hoe werkt een navigatiesysteem?

Een GPS (Global Positioning System) apparaat is een ingewikkeld toestel. Het gebruikt de tijdkodes signalen van een 30-tal satellieten. Door de tijd te meten die de radiogolven nodig hebben om de ontvanger te bereiken kan het toestel bepalen hoe ver het verwijderd is van de satelliet. Samen met de exacte tijd zendt de satelliet ook zijn juiste positie uit: de kunstmaan zit immers niet in een geostationaire baan (dit is enkel mogelijk in een baan rond de evenaar) maar cirkelt ze veel dichter bij de aarde. De positie van de satellieten boven ons hoofd is niet vast.

Aan de hand van de tijdkodes weet de ontvanger dus hoe ver het van de satelliet verwijderd is. De satelliet kent zijn eigen positie, en deze informatie wordt samen met de tijdkode naar de ontvanger gestuurd.

  1. Het is alsof je de weg zou vragen aan een voorbijganger, en die zou antwoorden: je bent 30 km van Oostende verwijderd.
    Veel ben je daarmee niet geholpen, alle plaatsen op de cirkel voldoen aan de omschrijving.
  2. Je komt nu een Bruggeling tegen, en die zeg je: je bent 10 km van Brugge verwijderd.
    Nu kan je enkel nog op twee plaatsen zijn: namelijk daar waar de cirkels elkaar kruisen.
  3. Voor een eenduidende plaatsbepaling moet je nog de weg vragen aan een derde persoon.
    Deze werkwijze is voldoende op zee, waar je je op zeespiegelniveau bevindt. Op het land heb je een vierde satelliet nodig omdat het GPS systeem niet weet op welke hoogte je je bevindt.

Detectie van het onmeetbare

Het opgevangen signaal is bijzonder zwak (als je weet dat je voor het ontvangen van satelliet-televisie een schotel met een doormeter van een meter nodig hebt, en dat je die dan nog heel precies moet richten). In feite is het signaal zo zwak, dat het niet uitkomt boven de omgevingsruis (op een televisiescherm of een oscilloscoop zou je enkel ruis zien).

Door ingewikkelde metingstechnieken en wiskundige algoritmen (die zou ons echt te ver brengen, zoek maar op het internet naar coïncidence detector) is men in staat het niet-meetbare signaal toch te detecteren.

De digitale coïncidentiedetector werkt zoals de Enigma machine die duitse geheime boodschappen kon ontcijferen: de bron bevat geen zinnige kode, maar men heeft een ‘seed’: basisinformatie over wat men kan verwachten: scheepsbewegingen en marsorders voor de Enigma, een herkenbare startsekwentie bij GPS. Terwijl men 60 jaar geleden een halve dag nodig had om de Enigma-kode van de dag te breken, kan men de GPS data uit de ruis halen in een paar minuten. Als de ontvanger niet meer gesynchroniseerd is duurt het namelijk een paar minuten vooralleer de ontvanger zich kan locken op het zeer zwakke signaal van de zender. Door de synchronisatie “weet” de ontvanger wat het mag verwachten in de ruis. De enige manier om deze dode tijd tot een minimum te beperken is de navigatiesysteem redelijk stil te houden (dus niet rondrijden). Eenmaal zender en ontvanger gesynchroniseerd kan de ontvanger zijn positie en snelheid in real-time aanpassen.



Nog een hindernis van het GPS is de geprogrammeerde onnauwkeurigheid. De satellieten werden oorspronkelijk ontworpen voor militair gebruik (zoals het internet vroeger ook een militaire funktie had), en zonder speciale sleutel kan je slechts een onnauwkeurig signaal decoderen. Door voldoende onnauwkeurige metingen samen te voegen, kan de ontvanger de positie tot op een paar meters nauwkeurig bepalen, terwijl de gedekodeerde data slechts een nauwkeurigheid van 100m. toelaat. Hoe meer satellieten de ontvanger kan ontvangen, hoe nauwkeuriger de plaatsbepaling. In de fysica leer je hoe je met een onnauwkeurige weegschaal toch nauwkeurige metingen kan doen. En het is de basis van de statistiek: hoe groter de steekproef, hoe nauwkeuriger de gemiddelde.

De huidige GPS ontvangers kunnen het signaal van de Amerikaanse en russische satellieten decoderen (en ook van de europese satellieten, als die ooit gelanceerd zullen worden en effektief zullen werken).

Verschillen in GPS ontvangers

GPS ontvangers verschillen vooral in de manier waarop ze de informatie verwerken. Grote verschillen in de gevoeligheid zijn er niet, alle navigatiesystemen zijn namelijk uitgerust met eenzelfde type ontvanger-decoder. Het verschil zit hem in de nauwkeurigeid en up-to-date zijn van de kaarten, de snelheid van de processor (die snel genoeg moet kunnen detecteren wanneer je de verkeerde weg opgereden bent) en de extra functionaliteiten (favorietenlijst, enz).

GPS ontvanger met Traffic Message Channel

De TMC is een informatiekanaal die doorgestuurd wordt via RDS. RDS is al lang in gebruik. Een radio met RDS toont de naam van de zender, schakelt over naar een sterkere zender van het netwerk als het signaal te zwak wordt en schakelt tijdelijk over naar een andere zender als er een verkeersbericht uitgestuurd wordt.

Een GPS toestel met RDS ontvanger heeft een speciale voedingskabel nodig die gebruikt wordt als antenne voor het radiosignaal.

RDS wordt transparent uitgezonden samen met het radioprogramma. De baudrate is echter zeer beperkt, waardoor er enkel een basisinformatie doorgestuurd kan worden. Men beschikt over 2048 standaard events (vertraging van minder dan 5 minuten, weg versperd, stilstaand verkeer, ongeval, enz). Niet alle 2048 kodes zijn effektief in gebruik.

Men beschikt ook over ongeveer 60.000 "lokaties" in de RDS data. Dit zijn bijvoorbeeld delen van een hoofdweg tussen twee kruispunten, deel van een autosnelweg (+ richting) tussen twee op- en afritten, enz. De nauwkeurigheid van de plaatsbepaling is beperkt in vergelijking met de GPS informatie, maar aan de hand van de berekende route kan het toestel controleren of de te volgen route vrij is en eventueel een alternatieve route berekenen.

De events zijn internationaal gestandardiseerd, maar de lokaties zijn gedefinieerd per land. De staatsomroep zendt daarom de TMC uit op één van zijn nationale zenders (in België is dat Radio 2). In de praktijk kunnen er dus ongeveer 60.000 lokaties aangegeven worden per land. Een speciale kaart zet de lokatie om in een GPS coördinaat.

Het is ook mogelijk te werken met alternatieve kaarten, die apart gekocht worden. De bijhorende TMC wordt dan uitgestuurd door een commercieele zender, waarbij er een overeenkomst is tussen de kaartenfabrikant en de zender. Deze kaarten zijn meestal beperkt tot een bepaald gebied (bijvoorbeeld de hoofdstad), waarbij de nationale kaartindeling te grof is. De GPS decoder kan in principe TMC informatie van alle lokale zenders decoderen, maar kan die informatie slechts gebruiken als ook de bijhorende kaart geladen is. De GPS/TMC ontvanger scant alle radiofrekwenties op zoek naar de TMC code die overeenkomt met de aktieve kaart. Desnoods wordt er overgeschakeld op de normale kaart (die altijd aanwezig is) als er geen geschikte TMC code ontvangen wordt

Navigatie met smartphone

Terwijl een normale navigator zich baseert op de RDS informatie om de verkeersdrukte te bepalen werken navigatiesystemen op smartphones enkel op de feedback van de andere gebruikers (google maps, waze,...)

De GPS navigator met RDS/TMC informatie kan in het algemeen nauwkeurigere verkeersinformatie geven (door middel van stroomlussen in de wegen). De lussen meten zowel het aantal voertuigen als hun snelheid. De infomatie die naar de navigator gestuurd wordt kan de effektieve vertraging aangeven, waardoor er gemakkelijker een alternatieve route berekend kan worden.

Een nadeel van de GPS navigator met RDS is dat er met relatief grote zones gewerkt wordt. Dit is onvermijdelijk, want toen het systeem ontwikkeld werd waren er niet zoveel wegen (en files). Het systeem laat toe alle soorten incidenten op de weg te signaleren: dieren op de baan, ongeval, enz. Het systeem heeft ook een zekere vertraging, het moet wachten op het RDS signaal, die alle informatie moet combineren. Het kan gebeuren dat de file opgelost is als je toekomt, of er kan zich een nieuwe file gevormd hebben op een andere plaats, zonder dat de informatie reeds verwerkt is.

De navigatiesystemen die op smartphones draaien (zoals google maps en waze) zijn gebaseerd op de input van alle andere gebruikers. Google maps blijft doorgaans op de achtergrond verder draaien, ontvangt GPS data en stuurt regelmatig een update naar de google server. Hieruit wordt de gemiddelde snelheid berekend op alle wegen.

Google maps kan met veel kleinere zones werken, afhankelijk van het aantal gebruikers die op de weg zijn. Kleine wegen met weinig verkeer worden niet opgenomen omdat er onvoldoende voertuigen op de weg rijden om een gemiddelde snelheid te berekenen. Maar als er een ongeval op een weg met weinig verkeer gebeurt, dan wordt dit aan de gebruikers doorgegeven van zodra er filevorming ontstaat en er verschillende voertuigen vast komen te zitten. Hoe meer gebruikers onderweg zijn (met ingeschakelde smartphone), hoe nauwkeurig de verkeerssituatie in kaart gebracht kan worden.

Het systeem kan duidelijk aangeven waar er vertragingen zijn, maar heeft moeite om te berekenen hoeveel minuten je op een bepaalde weg verliest. Dit is gedeeltelijk omdat de gegevens ge-anonimiseerd zijn: het is onmogelijk een typische gebruiker te volgen. Er wordt aangegeven waar er vertragingen zijn, maar het is moeilijk te schatten of er echt files zijn: veel vetragingen zijn gewoon struktureel: zone 30, verkeerslichten, enz.

De navigatie met smartphone wordt beter en beter. Terwijl dit een 10-tal jaren nog als een gadget werd aangezien, het was een eenvoudige navigator gebaseerd op google maps, zonder real time verkeersinformatie. Dan is het aantal gebruikers toegenomen, waardoor er ook real time verkeersinformatie beschikbaar kwam. Nu is de navigatie met de smartphone totaal ingeburgerd en er worden bijna geen klassieke navigatoren verkocht.

De smartphone kan echter de nog steeds bestaande RDS/TMC informatie niet gebruiken. Deze informatie wordt samen met een radioprogramma uitgezonden, en de smartphone kan de gebruikte frekwentieband niet ontvangen zonder sprietantenne.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's

-