thumb|Gps-satelliet thumb|Enkele gps-ontvangers Global positioning system (gps) is een wereldwijd satellietplaatsbepalingssysteem dat vanaf 1967 werd ontwikkeld voor gebruik door de strijdkrachten van de Verenigde Staten.
Geschiedenis Officieel heet het systeem NAVigation Satellite Time And Ranging of NAVSTAR. Met gps werd het voor het eerst mogelijk om vrijwel overal continu te kunnen navigeren. Gps was tot de komst van GLONASS, BeiDou en Galileo het enige volledig operationele satellietplaatsbepalingssysteem. Het incident met de Korean Air-vlucht 007 in 1983, waarbij een Amerikaans congreslid omkwam, was voor president Ronald Reagan aanleiding gps vrij te geven voor civiel gebruik.How GPS Works, And How It Got Better Than The Designers Ever Imagined, Scott Manley, youtube.com. Geraadpleegd 25 mei 2025
Het aantal toepassingen is sinds de vrijgave enorm toegenomen. Aanvankelijk waren de gebruikers vooral te vinden in de militaire hoek, de geodesie en de scheepvaart. Hoewel het aantal gebruikers ook daar is toegenomen, valt dit in het niet bij het aantal auto's en mobiele telefoons die met gps zijn uitgerust. Het belang van gps is dusdanig gegroeid dat de Europese Unie besloten heeft haar eigen systeem — Galileo — te lanceren, om niet afhankelijk te zijn van de Verenigde Staten.
De eerste experimentele satelliet werd in 1978 gelanceerd en in 1995 werd het systeem officieel operationeel verklaard, hoewel het daarvoor al werd gebruikt voor navigatie.
Op 23 december 2018 werd de eerste gps-satelliet van de derde generatie (GPS-IIIA) gelanceerd.
Kenmerken Het zendgedeelte van het systeem bestaat uit minimaal 24 werkende satellieten (21 + 3 reserve) die in zes vaste banen, in een vaste tijd rond de aarde draaien en elk een eigen signaal uitzenden. De nauwkeurigheid varieert, afhankelijk van het gebruikte systeem en de omstandigheden, van enkele tientallen meters tot 1 à 2 meter.
Met de ontvangst van minimaal vier van deze satellieten kan een gps-ontvanger zijn positie op aarde bij benadering bepalen ten opzichte van het geodetisch datum WGS 84.
Het gps-systeem is 24 uur per dag in bedrijf, nagenoeg overal ter wereld bruikbaar en werkt onder alle weersomstandigheden. Het is een militair systeem dat de overheid van de Verenigde Staten aan iedereen beschikbaar stelt, met beperkte nauwkeurigheid. Het gps-systeem is geschikt voor plaatsbepaling voor navigatiedoeleinden, geodetische puntbepaling en geografische informatiesystemen, en ook voor nauwkeurige tijdsbepaling.
Bij gps is de satelliet altijd de zender, de gps-ontvanger is altijd de ontvanger (op aarde). Volgen wordt pas mogelijk wanneer de persoon of het voorwerp/voertuig dat gevolgd wordt niet alleen een gps-ontvanger heeft maar ook een vorm van zender of internetverbinding die eraan gekoppeld is. Met gps alleen kun je dus niet gevolgd worden. Verschillende technologieën zijn daartoe in gebruik, waarbij de zogenaamde push-technologie, in de vorm van een sms-zender, het meest verbreid is. Het Europese systeem Galileo kan wel zowel zenden als ontvangen.
Plaatsbepaling Gps gebruikt 32 verschillende satellieten die elk in een van de zes banen op 20.200 km hoogte cirkelen. Deze banen zijn zodanig gekozen dat vanaf elke plaats op aarde bij rondom vrij zicht op de hemel altijd minstens vier satellieten waarneembaar zijn.
Het meetprincipe van het Global Positioning System is gebaseerd op de afstandsmeting tussen satelliet en ontvanger en het bekend zijn van de positie van de satelliet. De afstanden tussen de satelliet en de ontvanger worden uit de gemeten looptijden van radiogolven afgeleid.
thumb|Verschuiving van de pseudorange met de klokfout tot de ware afstand. De looptijd wordt bepaald door de pseudo-random code van de satelliet te vergelijken met een door de ontvanger gegenereerde code. De looptijd veroorzaakt een faseverschil tussen deze twee codes die door de ontvanger omgerekend wordt tot looptijd en met de voortplantingssnelheid van het signaal tot de afstand tot de satelliet, de pseudo-afstand (pseudo slant range, PSR). Deze berekende afstand bevat nog fouten, zoals de klokfout in de ontvanger en atmosferische storingen.
Aangezien de satelliet zeer nauwkeurige atoomklokken (twee rubidium- en twee cesiumklokken, elk met een verwachte levensduur van anderhalf jaar) heeft, is de satellietpositie te berekenen uit de baanvoorspelling in de navigatieboodschap en de satelliettijd. De ontvanger kan daarna een bol met de straal PSR berekenen waarop men zich bevindt. Snijding met de bol van een tweede satelliet levert een cirkel op en snijding met een derde levert twee punten op, waarvan een zich ver weg van de aarde bevindt en daarom verworpen kan worden. Als er geen fouten zouden zijn, dan zou een vierde bol ook in dit punt snijden. Als er wel fouten zijn, dan moet de PSR gecorrigeerd worden. Deze correctie is een maat voor de klokfout. Hiermee vervalt de noodzaak om de ontvanger met een dure atoomklok uit te rusten. Voor het hele systeem geldt: hoe meer satellieten, hoe nauwkeuriger de positie berekend kan worden. Daarnaast is niet enkel het aantal satellieten, maar ook hun verdeling over de hemel bepalend voor de nauwkeurigheid.
Andere toepassingen Behalve voor plaatsbepaling kan gps ook worden gebruikt voor andere waarnemingen, zoals de registratie van aardbevingen, het observeren van vulkanen, het meten van waterstanden en sneeuwdikten en het opmerken van bodemdaling.Five Things You Probably Didn’t Know GPS Could Do Scientists use the navigation system to measure and monitor many aspects of our planet. Gearchiveerd op 31 maart 2023.
Signalen Elke satelliet zendt op meerdere draagfrequenties uit, waarvan L1 (1,57542 GHz) en L2 (1,2276 GHz) de belangrijkste zijn. Hoewel alle satellieten gebruikmaken van dezelfde frequenties, kan door CDMA bepaald worden van welke satelliet een signaal afkomstig is. Op elke draagfrequentie wordt een signaal gecodeerd met een pseudorandom noise (PRN) die voor elke satelliet uniek is. Op L1 wordt zowel een Coarse Acquisition (C/A)-code als een Precise (P)-code gezet. Op L2 wordt alleen de P-code gezet. De informatie van beide codes bestaat uit bits, hier chips genoemd. De chiprate is 1,023 miljoen chips per seconde voor de C/A-code, 10,23 miljoen chips per seconde voor de P-code en 50 bits per seconde voor de navigatieboodschap. In totaal duurt het verzenden van een complete navigatieboodschap (37.500 bits) 12 minuten.
thumb|De navigatieboodschap. Op beide codes wordt de navigatieboodschap gezet die informatie bevat over de baanvoorspelling, de atmosferische propagatiecorrecties en de onderlinge synchronisatie van de satellietklokken. De navigatieboodschap bestaat uit 25 dataframes, elk bestaand uit 1500 bits en onderverdeeld in vijf subframes van 300 bits, waardoor het aan een frequentie van 50 Hz 12,5 minuut duurt om de hele boodschap binnen te krijgen.
De navigatieboodschap bevat ook een handover word (HOW) en een telemetry word. In het HOW wordt de fase van de P-code bij benadering gegeven, zodat de ontvanger sneller de P-code kan volgen. Aangezien de P-code een periode heeft van zeven dagen, zou het zonder HOW maximaal een week kunnen duren alvorens de P-code verkregen is. Het telemetry word bevat een vast canvas dat door de ontvanger gebruikt wordt voor de uitvoering en de permanente controle van de synchronisatie tijdens decodering.
Andere frequenties zijn L3 voor NDS om kernexplosies waar te nemen en L4 om ionosfeercorrecties te kunnen bepalen.
thumb|De gewenste binaire code wordt met BPSK op de draaggolf gemoduleerd. De codes worden met fasemodulatie — specifiek BPSK — op de draagfrequentie gezet met een faseverschil van 90° tussen de C/A-code en de P-code. De C/A-code herhaalt zich elke milliseconde en de P-code elke zeven dagen.
Looptijdsmeting Nadat de ontvanger heeft vastgesteld welke satellieten zich boven de horizon bevinden — uit de eigen almanak of die in de navigatieboodschap — zal deze de dopplerverschuiving vaststellen. De ontvanger genereert een carrier-tracking loop en verschuift de frequentie daarvan net zo lang tot deze overeenkomt met die van de satelliet. De hierbij gevonden dopplerverschuiving is een maat voor de relatieve snelheid tussen satelliet en ontvanger, waarmee de snelheid van de ontvanger kan worden vastgesteld.
Deze snelheid wordt gebruikt door de code-tracking loop, waarbij de ontvanger zelf een C/A-code genereert. Met autocorrelatie wordt deze vergeleken met die van de satelliet. Als de codes niet gelijk zijn, verschuift de ontvanger zijn code met een bit. Dit wordt herhaald tot de codes over elkaar vallen of tot deze met alle 1023 bits van de PRN-code verschoven is. De gevonden faseverschuiving is een maat voor de looptijd. Zodra de frequentie- en faseverschuiving heeft plaatsgevonden, kan de navigatieboodschap gelezen worden en kunnen de pseudoranges worden vastgesteld.
Nauwkeurigheid thumb|Grond-gps-antenne in Salzburg Er zijn twee verschillende nauwkeurigheidsniveaus bij gps; voor militair gebruik is er de Precise Positioning Service (PPS) en voor gewoon gebruik is er de Standard Positioning Service (SPS). Waar SPS alleen gebruikmaakt van de C/A-code op het L1-signaal, maakt PPS ook gebruik van de P-code om een grotere nauwkeurigheid te verkrijgen.
De nauwkeurigheid of R95 van SPS bedraagt zo’n 20 meter; met statistische technieken — herhaald meten met verschillende satellieten of meten over langere tijd — of met referentiestations is de nauwkeurigheid verder op te voeren tot ongeveer 10 m. Met het dopplereffect is het mogelijk snelheden te meten. Een belangrijk nadeel is dat meteorologische verschijnselen het tijdsignaal kunnen vertragen, waardoor een fout ontstaat.
Indien er een grotere precisie nodig is, kan DGPS en/ of WAAS (Noord-Amerika)/ EGNOS (Europa) worden gebruikt. Vaste ontvangers met gekende coördinaten hebben een grotere nauwkeurigheid en kunnen differentiaalcorrecties doorsturen naar naburige gps-ontvangers.
Opzettelijke degradatie van de nauwkeurigheid Omdat er al rond 1989 civiele ontvangers waren die gebruikmaakten van de P-code, werd besloten om met cryptografische methodes de nauwkeurigheid voor civiele gebruikers te verslechteren. Met Anti-Spoofing (A-S) werd de P-code vanaf 31 januari 1994 versleuteld met de W-code tot de Y-code. Alleen militaire ontvangers kunnen deze ontcijferen en zo de informatie van de P-code gebruiken. Er zijn civiele ontvangers die de P-code gebruiken door deze te vergelijken tussen L1 en L2. De invloed van atmosferische storingen is niet gelijk voor verschillende frequenties, zodat deze vergelijking een idee geeft van de mate van storing die optreedt.
De nauwkeurigheid die met alleen het gebruik van de C/A-code bereikt werd, was echter beter dan verwacht, zodat werd besloten om met Selective Availability (SA) het signaal verder te verslechteren. De R95 zou hiermee naar 100 meter moeten worden gebracht. Dit werd bereikt door het epsilon-proces – de verslechtering van de baanvoorspelling in het navigatiebericht – en het deltaproces of dithering – de destabilisatie van de satellietklok. De fout wordt gemaskeerd door het verlopen van de fout langzaam te laten gebeuren en de fout wordt over een groot gebied exact gelijk gehouden waardoor de fout moeilijk terug te rekenen is.
Tijdens de Golfoorlog van 1990-1991 waren weinig militaire ontvangers beschikbaar; veel militairen gebruikten civiele modellen. Daarom werd tijdens de Golfoorlog de SA uitgezet, om militairen met een civiele ontvanger toch van het nauwkeurige signaal gebruik te laten maken.
Vanaf 1 mei 2000 heeft het burgersignaal een grote nauwkeurigheid gekregen doordat de gegenereerde fout op nul gesteld werd. Eigenlijk zou deze opdracht van president Bill Clinton pas in 2006 in werking treden, maar het Amerikaanse leger bezat al in 2000 de mogelijkheid om het gps-signaal voor een groot gebied onbruikbaar te maken voor niet-militaire ontvangers.