GPS gaat voor goud

Reading time: 8 minutes

Author:

GPS is tegenwoordig standaard technologie. Niet alleen in navigatiesystemen, ook voor sporttoepassingen staat het zijn mannetje. Heel wat hardlopers en wielrenners gebruiken een of andere GPS-gadget om hun tijden en routes vast te leggen. Toch bestaan er heel wat misverstanden over de mogelijkheden van GPS.

’Kijk maar eens naar de ’Da Vinci code‘ van Dan Brown‘, haalt Jan Van Hees van GPS-specialist Septentrio aan. ’Op een gegeven moment zijn hoofdrolspeler Robert Langdon en zijn lieftallige assistent Sophie Neveu in de kelders van het Louvre op de vlucht voor de politie. Een agent volgt het tweetal via GPS. In die scene komen drie belangrijke misvattingen naar voren. Ten eerste: GPS zou een trackingsysteem zijn. Dat is niet zo. De technologie laat gebruikers toe om hun positie te bepalen, maar het is wel passief. Je ontvangt signalen en stuurt geen signalen uit. Tracking lukt alleen met een bak extra apparatuur.‘

’De tweede fout die Brown maakt, is dat GPS zou werken in de kelders van het Louvre‘, gaat Van Hees verder. ’Ook dat is absoluut niet waar. Het werkt alleen outdoor. En dan nog moet de omgeving voldoende open zijn. Bomen, tunnels en gebouwen gooien snel roet in het eten. De derde fout zit ‘m in de nauwkeurigheid. De politieagent in het boek weet op een halve meter nauwkeurig waar Langdon en Neveu zich schuilhouden. Dat kan niet met GPS. Zonder hulpmiddelen wordt de nauwkeurigheid echt niet beter dan vijf tot tien meter. Als je bedenkt hoe ver de schrijver de plank misslaat met GPS, kun je vraagtekens zetten bij de andere beweringen die hij doet in zijn boek‘, lacht Van Hees.

Het principe van GPS is redelijk eenvoudig. Rond de aarde cirkelt een aantal satellieten met een zeer nauwkeurige klok aan boord. Die systemen zenden continu hun positie en een tijdstempel uit. Als je op aarde een aantal van die signalen kunt ontvangen, kun je via triangulatie je positie bepalen.

Van Hees: ’Je ziet gelijk waar de fouten in het systeem zitten. De eerste zit uiteraard in de klokken. Dat mogen dan zeer goede atoomklokken zijn, onfeilbaar zijn ze niet. Ook in de satellietpositie zit natuurlijk een fout omdat die niet met absolute nauwkeurigheid gekend is. De derde factor is de omgeving. Denk aan de vertraging door de atmosfeer en lokale reflecties.‘

Bovendien gaat het om zeer zwakke signalen. ’Je kunt het signaal van de satelliet vergelijken met een 100 watt lamp‘, legt Van Hees uit. ’Als je dan bedenkt dat de satelliet op een afstand van twintigduizend kilometer om de aarde draait, weet je dat de signalen die je hier moet opvangen onder de ruisdrempel zitten. Er is flink wat digitale signaalverwerking voor nodig om de informatie eruit te halen. Dat toont al gelijk aan waarom het nooit nauwkeurig genoeg is voor in gebouwen.‘

Tour de France

Op dit moment is de fout voor standaard GPS-systemen ongeveer vijftien meter. ’Tot een jaar of tien geleden verstoorden de VS het signaal, waardoor niet-militaire toepassingen er bijna vijftig meter naast zaten. Tegenwoordig hebben zelfs de meest eenvoudige GPS-systemen daar geen last meer van‘, aldus Van Hees. ’De grootste bijdrage aan de fout ontstaat nu bij de transmissie door de ionosfeer. Dat levert een afwijking op van zo‘n zeven meter. Verder komt er een grote fout van de klok in de satelliet – ongeveer twee meter – en de satellietpositie – rond de drie meter. Technieken die GPS proberen te verbeteren, richten zich op deze drie factoren.‘

De eerste GPS-applicatie die Van Hees bespreekt tijdens zijn lezing op het DSP Valley-event ’Embedded systems for gold‘ is een trackingsysteem. ’Al een paar jaar wordt een aantal renners tijdens de Tour de France gevolgd‘, vertelt hij. ’Ze krijgen een kleine GPS-module en een GPRS–modem mee, in totaal een kleine honderd gram. Door die gegevens te combineren met de wegenkaart – je weet immers dat ze op de weg rijden – kun je de positiefout reduceren tot een à twee meter. De realtime informatie is niet alleen leuk voor de toeschouwers, ook de ploegleiders en de wedstrijdleiding doen er hun voordeel mee. Vooral in de bergen en tussen bomen werkt het systeem echter nog lang niet optimaal.‘

Ook andere sporttoepassingen lopen tegen problemen aan. Van Hees: ’Je kunt bijvoorbeeld spelers tijdens een rugbywedstrijd of een -training volgen. Daarvoor moeten ze een hesje met een GPS-module aan. Omdat je hier geen map matching kunt doen, zit de fout al snel op tien meter. Dat is over het algemeen niet voldoende. Bovendien wordt het signaal vaak geblokkeerd door lichamen. Je zit daar dus al op de rand van de mogelijkheden van GPS.‘

Zeilen

Om de nauwkeurigheid van GPS te verbeteren, zijn grofweg twee paden te bewandelen. Beide zorgen wel voor een complexer systeem, dat vaak extra hardware nodig heeft en ook meer vermogen zal gebruiken. Het eerste alternatief gaat de fout van de ionosfeer te lijf. Van Hees legt uit: ’De satellieten zenden hun signaal op twee frequenties uit. Meestal gebruiken GPS-ontvangers er maar een. Dat is goedkoop en low-power. Omdat de verstoring door de ionosfeer afhankelijk is van de frequentie, kun je die fout voor een groot deel uitsluiten als je beide frequenties gebruikt. Die dual frequency-ontvangers worden steeds belangrijker omdat de grootte van storing in de ionosfeer afhankelijk is van de zon. Die invloed verandert niet alleen met de dag en met het seizoen, ook de elfjarige zonnecyclus speelt een rol. We komen uit een relatief rustige periode met weinig zonnestormen, maar er komt een veel woeligere periode aan. We gaan naar een situatie toe waarbij GPS zelfs gewoon in de wagen veel minder goed zal functioneren. Met de huidige ontvangers is dat niet op te lossen. We zijn misschien wel een beetje in slaap gewiegd.‘

Het tweede verbeterpunt maakt gebruik van referentieontvangers op aarde. Europa heeft daarvoor de European Geostationary Navigation Overlay Service (Egnos). Op tientallen plaatsen staat een grondstation waarvan de GPS-positie precies bekend is. Met die input kun je een standaard GPS-meting verbeteren. ’Met Egnos komt de nauwkeurigheid op ongeveer een halve meter‘, weet Van Hees. ’Als je beide technieken toepast, kan de nauwkeurigheid zelfs oplopen tot enkele centimeters.‘

Het Leuvense Septentrio heeft de verbetertechnieken gebruikt in het Livesailing-project. Hierbij kregen zeilboten en boeien een GPS-ontvanger. ’Op zee kun je natuurlijk geen map matching toepassen‘, verklaart Van Hees waarom meer nauwkeurigheid nodig was. ’Door de boeien als referentiepunten te gebruiken, weet je beter wat de positie is. Ook kun je beter bepalen wie er aan kop ligt omdat je de wind in het plaatje kunt meenemen. De wedstrijdleiding kan het systeem gebruiken om een valse start vast te stellen of om te controleren of de boten goed de boei ronden.‘

Skiën

Een volgende verbetering op de GPS-technologie is de koppeling met versnellingsmeters of inertial measurement units (IMU‘s). Het voordeel is dat de twee technieken elkaar goed aanvullen. GPS geeft een absoluut resultaat; er is geen drift. Minpunt is dat het signaal redelijk makkelijk kan worden onderbroken of verstoord. Bij IMU‘s is dat juist omgekeerd. Die hebben geen last van signaalblokkering, halen met gemak een hoge updaterate van 200 Hz – wat met GPS niet mogelijk is – maar hebben een grote drift over de tijd. Ze meten immers een versnelling en als je de positie wilt bepalen, moet je integreren en daarbij introduceer je een enorme drift. ’Er zijn wel geavanceerde oplossingen voor. Die vind je bijvoorbeeld terug in atoomduikboten. Maar voor kleine, draagbare systemen zoals voor sporttoepassingen zijn die veel te groot en te duur‘, zegt Van Hees. ’Door GPS te koppelen aan IMU‘s kun je de nauwkeurigheid en de beschikbaarheid verhogen. En je hebt extra metingen, waardoor je nog meer informatie kunt leveren.‘

Als voorbeeld haalt Van Hees een project aan van de Massay University uit Nieuw-Zeeland. Onderzoekers beplakten een skiër met versnellingssensoren van het Enschedese XSens en analyseerden zijn bewegingen tijdens een reuzenslalom. Van Hees: ’Normale registratiemethodes met camera‘s, lasers of poortjes zijn hiervoor niet geschikt omdat de piste te groot en te grillig is. De combinatie van GPS en IMU‘s biedt dan uitkomst. Zo kun je de positie en beweging van verschillende lichaamsdelen monitoren en analyseren. De aanpak maakt gebruik van de biomechanische beperkingen van het lichaam. Je weet bijvoorbeeld dat de schouder en de elleboog altijd recht verbonden zijn. Zo kun je een stick figure-analyse maken van de skiër en dat koppelen aan de positie op de piste.‘

De Nieuw-Zeelandse researchers konden de precisie aanzienlijk verbeteren. ’Zonder referentiepunten kwamen ze tot een nauwkeurigheid van iets meer dan een halve meter in positie, 30 cm/s voor snelheid, 1 m/s2 voor versnelling. En dat in een lastige omgeving met veel bomen en reflecties van de sneeuw‘, zegt Van Hees met bewondering. ’Ik moet wel opmerken dat de skiër een grote antenne op zijn helm had en wat extra apparatuur in een rugzakje. Bij skiërs kan dat, bij zwemmers of hardlopers niet.‘

Met de gegevens konden de onderzoekers analyseren hoe de skiër de optimale bocht rond een poortje moet aansnijden. Zo kort mogelijk erlangs zodat je de kortste weg neemt? Of iets ruimer zodat je je snelheid vasthoudt? Waar ligt dat optimum?

Gamen

Van Hees sluit zijn lezing af met een project waar Septentrio aan heeft meegewerkt: race car tracking. ’Ook hier was het nodig om high-end ontvangers te gebruiken. De voorwaarde was een nauwkeurigheid van minder dan een halve meter en een updaterate van boven de 20 Hz. En dat in een omgeving waar bomen, bruggen en gebouwen langs de baan het GPS-signaal redelijk vaak onderbreken. Met klassieke GPS-oplossingen lukt dat nooit. De eisen waren zo hoog omdat het project realtime gaming moet faciliteren. Via de half-Nederlandse IOpener Enabled-technologie kunnen gamers dan online meerijden in de race en strijden tegen professionele coureurs. Daarvoor moet je de gegevens van werkelijk gereden races streamen naar een spelomgeving. Zonder geavanceerde GPS-technologie zou het onmogelijk zijn om de bewegingen van de auto‘s in het spel vloeiend te maken.‘