Hoe werkt GPS in het kort?
Hoe werkt GPS? In één zin: satellieten zenden voortdurend een tijdsignaal uit, en jouw ontvanger berekent uit de reistijd van die signalen hoe ver hij van elke satelliet af staat. Met de afstand tot minstens vier satellieten rekent het apparaat je positie op aarde uit.
GPS staat voor Global Positioning System. Het is een Amerikaans systeem dat oorspronkelijk voor het leger is ontwikkeld. De eerste satelliet ging eind jaren zeventig de ruimte in en halverwege de jaren negentig was het systeem volledig operationeel. Sinds mei 2000 is het signaal voor burgers niet meer opzettelijk verstoord, waardoor de nauwkeurigheid in één klap sterk verbeterde.
Belangrijk om te weten: GPS werkt maar in één richting. De satellieten zenden alleen uit en weten niet wie er luistert. Je ontvanger stuurt niets terug. Daarom kost GPS-ontvangst zelf niets en werkt het overal, ook zonder internet. En omdat er geen verbinding terug is, kan een onbeperkt aantal mensen tegelijk gebruikmaken van hetzelfde signaal.
De drie onderdelen van GPS
Het systeem bestaat uit drie delen die samenwerken.
Ruimtesegment
Ruim dertig satellieten op ongeveer 20.200 kilometer hoogte, verdeeld over zes baanvlakken. Elke satelliet draait twee keer per dag rond de aarde.
Grondsegment
Grondstations volgen de satellieten, corrigeren hun klokken en banen en sturen bijgewerkte gegevens naar boven.
Gebruikerssegment
Elk apparaat dat de signalen ontvangt: je telefoon, autonavigatie, sporthorloge, fietscomputer of GPS-tracker.
Afstand meten met tijd
Elke satelliet heeft meerdere zeer nauwkeurige atoomklokken aan boord en zendt een signaal uit met daarin het exacte tijdstip van verzending en zijn eigen positie. Het signaal reist met de snelheid van het licht. Je ontvanger vergelijkt het verzendtijdstip met het moment van ontvangst en weet zo hoe lang het signaal onderweg was. Tijd maal lichtsnelheid geeft de afstand.
Die afstand betekent dat je ergens op een denkbeeldige bol rond de satelliet staat. Met een tweede satelliet snijden twee bollen elkaar in een cirkel, met een derde blijven er twee punten over, waarvan er één ver in de ruimte ligt. Dit heet trilateratie. De ontvanger kiest automatisch het punt dat op of vlak bij het aardoppervlak ligt.
Waarom dan toch vier satellieten? De klok in je telefoon is lang niet zo nauwkeurig als een atoomklok. Een afwijking van een miljoenste seconde geeft al een fout van ongeveer 300 meter. Door een vierde satelliet mee te rekenen, lost de ontvanger behalve de lengte, breedte en hoogte ook zijn eigen klokfout op.
Einstein in je broekzak
GPS is een van de weinige alledaagse toepassingen waarin de relativiteitstheorie meetelt. De satellieten bewegen snel, waardoor hun klokken volgens de speciale relativiteitstheorie iets trager lopen. Tegelijk ervaren ze hoog boven de aarde minder zwaartekracht, waardoor ze volgens de algemene relativiteitstheorie juist sneller lopen.
Netto lopen de satellietklokken ongeveer 38 microseconden per dag voor op klokken op aarde. Dat lijkt niets, maar zonder correctie zou je positie elke dag kilometers verder afdrijven. De klokken worden daarom vooraf zo afgesteld dat ze dit effect compenseren.
GPS, Galileo, GLONASS en BeiDou
In de praktijk gebruikt je apparaat zelden alleen GPS. Er zijn vier wereldwijde satellietnavigatiesystemen, samen GNSS genoemd (Global Navigation Satellite Systems). Moderne ontvangers combineren ze. Meer satellieten in beeld betekent een snellere positiebepaling en betere ontvangst tussen gebouwen of in bergdalen.
| Systeem | Beheerder | Hoogte van de banen | Bijzonderheid |
|---|---|---|---|
| GPS | Verenigde Staten | circa 20.200 km | Het oudste en bekendste systeem |
| Galileo | Europese Unie | circa 23.200 km | Civiel systeem, sinds 2016 in gebruik |
| GLONASS | Rusland | circa 19.100 km | Goede dekking op hoge breedtegraden |
| BeiDou | China | circa 21.500 km (deels hoger) | Sinds 2020 wereldwijd, extra sterk in Azië |
Daarnaast bestaan regionale systemen, zoals QZSS in Japan en NavIC in India. Voor Europa is ook EGNOS belangrijk: een aanvullend systeem dat correcties uitzendt en zo de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid verbetert, bijvoorbeeld voor de luchtvaart en de landbouw.
Hoe nauwkeurig is GPS?
Onder open hemel bepaalt een smartphone zijn positie meestal binnen ongeveer vijf meter. Apparaten die op twee frequenties ontvangen (vaak multiband of dual-frequency genoemd) halen in moeilijke omstandigheden betere resultaten. Professionele landmeetapparatuur met correctiedata komt zelfs op centimeterniveau.
Dat de stip op je kaart toch soms verspringt, heeft een paar vaste oorzaken:
- Weerkaatsing: tussen hoge gebouwen of rotswanden kaatst het signaal terug, waardoor de gemeten afstand te lang lijkt.
- Atmosfeer: de ionosfeer en de lucht vertragen het signaal een klein beetje. Ontvangers met twee frequenties kunnen dat beter wegrekenen.
- Ligging van de satellieten: staan de zichtbare satellieten dicht bij elkaar aan de hemel, dan is de berekening minder nauwkeurig dan wanneer ze verspreid staan.
- Obstakels: bladerdak, tunnels, parkeergarages en zelfs je eigen lichaam dempen het zwakke signaal.
Tip: is je positie traag of onrustig, ga dan een paar minuten stilstaan op een open plek. De ontvanger heeft dan tijd om alle satellietgegevens binnen te halen.
Waarom vindt je telefoon je zo snel? En een tracker?
Een losse GPS-ontvanger die lang uit heeft gestaan, moet eerst de baangegevens van de satellieten uit het signaal zelf halen. Dat kan bij een zogeheten koude start enkele minuten duren. Smartphones gebruiken Assisted GPS (A-GPS): ze downloaden die gegevens via het mobiele netwerk of wifi, zodat ze binnen een paar seconden weten welke satellieten ze moeten zoeken.
Daarnaast schat je telefoon zijn positie met wifi-netwerken en zendmasten in de buurt. Dat verklaart waarom je binnenshuis soms toch een locatie ziet, al is die dan minder nauwkeurig. Ook zonder internet werkt de GPS-ontvanger, alleen heb je dan offline kaarten nodig; in onze vergelijking van navigatie-apps lees je welke apps dat goed regelen.
En hoe weet een GPS-tracker waar hij is?
Een GPS-tracker bepaalt zijn positie op precies dezelfde manier als je telefoon. Het verschil zit in de volgende stap: de tracker stuurt die positie door, meestal via een simkaart en het mobiele netwerk, soms via een energiezuinig IoT-netwerk. Zonder zo’n verbinding weet alleen de tracker zelf waar hij is.
Bluetooth-trackers zoals de AirTag werken anders: ze hebben geen GPS-chip en worden gevonden doordat telefoons van voorbijgangers hun signaal oppikken. Meer over de verschillen lees je op onze pagina over de GPS-tracker.
Van theorie naar praktijk
Nu je weet hoe GPS werkt, kies je makkelijker een apparaat dat bij je past. Onze keuzehulp zet de soorten naast elkaar.
Veelgestelde vragen
Nee. Het ontvangen van satellietsignalen is gratis en werkt wereldwijd. Wat wel geld kan kosten, zijn kaarten, apps met extra functies of een abonnement voor een tracker die zijn positie via het mobiele netwerk doorstuurt.
Slecht. Het signaal is zwak en wordt door daken en muren gedempt. Bij een raam lukt het soms, maar binnen gebruikt je telefoon vooral wifi en zendmasten om een globale positie te schatten.
Niet via de satellieten zelf, want die ontvangen niets. Je kunt alleen gevolgd worden als een apparaat of app jouw positie actief doorstuurt, bijvoorbeeld een tracker of een app met locatiedeling. Controleer daarom welke apps toegang tot je locatie hebben.
Ja. Regen en bewolking hebben nauwelijks invloed op het signaal. Zware zonnestormen kunnen de nauwkeurigheid tijdelijk wel verminderen, maar dat merk je in het dagelijks gebruik zelden.
GPS is één specifiek systeem van de Verenigde Staten. GNSS is de verzamelnaam voor alle satellietnavigatiesystemen, waaronder ook Galileo, GLONASS en BeiDou. In de volksmond wordt GPS vaak voor alles gebruikt.