Gps is een wonder van techniek, maar werkt in de stad soms slecht vanwege blinde vlekken en signalen die op gebouwen weerkaatsen. Een in Nederland ontwikkelde variant op gps lost deze problemen op en is ook nog eens veel nauwkeuriger.

 

In een tunnel doet je navigatiesysteem het niet, in een parkeergarage evenmin. De gps-ontvanger in je telefoon kan de benodigde signalen van de gps-satellieten niet oppikken en tast dus in het duister.

Ingenieurs en wetenschappers van de Vrije Universiteit Amsterdam, de Technische Universiteit Delft en nationaal metrologisch instituut VSL pakten dit probleem aan en sloegen hun handen ineen in het project SuperGPS. Ze ontwikkelden een systeem waarmee voertuigen veel nauwkeuriger dan met gps hun plaats kunnen bepalen, tot op tien centimeter nauwkeurig. Het werkt niet met signalen vanuit satellieten, maar vanuit de basisstations van mobiele communicatie, zoals 5G.
 

Grote impact

Het project werd vorig jaar al afgerond, maar deze week (op woensdag 16 november) publiceerden de onderzoekers de resultaten van hun onderzoek in het wetenschappelijke tijdschrift Nature. Het komt niet zo vaak voor dat toegepast technisch onderzoek in dat blad komt. ‘Ik denk dat de redactie zo laat zien dat ze verwachten dat ons werk grote impact kan hebben via praktische toepassingen’, zegt Christian Tiberius, universitair hoofddocent aan de TU Delft en coördinator van het SuperGPS-project.
 

Signalen van satellieten uit de lucht plukken

Om te begrijpen hoe het verbeterde systeem voor plaatsbepaling werkt, is een goed startpunt te kijken naar plaatsbepaling op basis van gps-satellieten. Stel, je rijdt met je auto op de snelweg; op je dashboard zit je telefoon vastgeklemd. In die smartphone zit een gps-ontvanger die signalen van verschillende gps-satellieten uit de lucht plukt. Elke satelliet verstuurt pulsjes (een kortdurend signaal) die allemaal een tijdstempel hebben, zoals bijvoorbeeld ‘Dit pulsje is om 13:45:28 vertrokken’. De ontvanger ‘weet’ wanneer het pulsje aankomt en dus – even omrekenen met de lichtsnelheid – de afstand tot de satelliet.
 

Vierde satelliet nodig

Omdat een locatie iets is in de driedimensionale ruimte, zijn drie satellieten nodig om de plaats van je auto te bepalen. Dat is de theorie, in de praktijk is er zelfs een vierde satelliet nodig. Dat zit zo: elke satelliet heeft weliswaar een eigen nauwkeurige atoomklok, maar de ontvanger in de auto niet, en die klok kan dus voor of achter lopen. Maar wanneer je smartphone zicht heeft op minimaal vier satellieten, dan kan hij zijn locatie bepalen en tegelijk ook hoe ver zijn eigen klok voor of achter loopt ten opzichte van de atoomklokken in de satellieten.
 

Zo werkt plaatsbepaling met gps-satellieten. Illustratie FAA

 

Gps-ontvanger in de war

Gps werkt prima op het platteland, waar niets de signalen van de satellieten in de weg staat. Maar rijd je in de stad, dan weerkaatsen de gps-signalen tegen gebouwen en brengen ze je gps-ontvanger in de war. ‘De weerkaatste signalen komen net iets later bij de ontvanger aan dan het primaire signaal en dat wordt Ă©Ă©n grote brij’, zegt Gerard Janssen, universitair hoofddocent aan de TU Delft.
 

Tien centimeter

Hierop hebben de deelnemers aan het SuperGPS-project wat bedacht. Ze laten de signalen met tijdstempel erin niet van satellieten komen, maar van 5G-masten die overal om ons heen staan. Verder werkt hun systeem vrijwel hetzelfde als gps, met als belangrijk verschil: ze gebruiken een grotere bandbreedte, oftewel een groter stuk van het frequentiespectrum. Omdat tijdresolutie omgekeerd evenredig is met bandbreedte, levert dit een grotere nauwkeurigheid in de tijd op dan bij gps, en dus ook in de bepaling van de locatie. Bij SuperGPS wordt de locatie bepaald met een nauwkeurigheid van tien centimeter. ‘En de ontvanger kan dus eenvoudig het rechtdoor gaande signaal onderscheiden van de reflecties, wat het probleem was bij gps’, zegt Tiberius.

Maar opgelet: het gebruik van bandbreedte is extreem duur, want schaars en gewild bij de grote telecomspelers. Daarom hebben de onderzoekers in Delft en Amsterdam nog een extra truc uitgehaald. ‘We gebruiken niet de hele bandbreedte, maar nemen over die breedte bij sommige frequenties een smal bandje. Dat is veel minder duur, maar het effect van het gebruik van dit “virtuele breedbandige signaal” voor plaatsbepaling is hetzelfde’, aldus Janssen.


 

De deelnemers aan het SuperGPS-project testten een prototype van hun systeem op een voertuig, rijdend door testomgeving The Green Village op de campus van de TU Delft.

 

Atoomklok aan glasvezelnetwerk

Waar gps-satellieten allemaal hun eigen atoomklok aan boord hebben, pakken de Nederlandse onderzoekers het anders aan. Ze namen de atoomklok van VSL en stuurden het tijdsignaal daarvan via een glasvezelnetwerk naar de zendmasten van hun netwerk. Dit draagt bij aan grotere nauwkeurigheid voor de plaatsbepaling, omdat nu al die zendmasten uitgaan van dezelfde tijd, met een onnauwkeurigheid van een fractie van een nanoseconde. Bij gps is het tijdstempel van de ene satelliet net een beetje anders dan van de andere.
 

'Systeem maakt echt een kans'

De bedenkers van de nieuwe techniek zijn optimistisch. ‘We hebben het zo ontworpen dat het goed past in de communicatiestandaarden die nu gebruikt worden, zoals 5G, en zijn opvolger 6G’, zegt Janssen. De signalen voor plaatsbepaling worden maar een keer per milliseconde uitgezonden en zitten de datasignalen van 5G en straks 6G niet in de weg. ‘Daarom denken we dat ons systeem echt kans maakt om op termijn geïmplementeerd te worden.’
 

Bezorgrobots

Vooral zelfsturende auto’s en onbemande voertuigen, zoals bezorgrobots of -drones, zullen gaan profiteren van de verbeterde plaatsbepaling. Omdat gps soms een paar meter mis kan zitten, is dat niet geschikt, maar met een afwijking van maar tien centimeter gaat dat beter. ‘Dan “weet” een auto dat hij in een bepaalde rijstrook zit en zelfs dat-ie netjes in het midden zit’, legt Janssen uit. Het is niet zo dat bestaande gps nu bij het grofvuil moet, dat zal blijven bestaan. ‘Wij denken dat onze techniek een nuttige aanvulling kan zijn voor, met name, de bebouwde omgeving. Buiten de stad voldoet gps prima’, aldus Tiberius.

 

Tiberius en een collega aan het werk naast een snelweg.

 

Vervolgproject

Voor het zover is, is nog meer onderzoek en ingenieurswerk nodig. Vorige week hoorden Tiberius en Janssen van onderzoeksfinancier NWO dat hun aanvraag voor een vervolgproject is goedgekeurd. Er komt dus een project SuperGPS2, waarin wordt onderzocht wat er allemaal nodig is om dit werkende principe in de praktijk in te voeren. ‘We zijn daarom blij dat het bedrijf KPN weer meedoet, net als in het eerste project’, aldus Tiberius. ‘We gaan onder meer kijken hoe onze signalen in een bestaand communicatienetwerk in te passen zijn.’


Meer achtergronden in dit persbericht van de TU Delft.


Openingsillustratie: Stephan Timmers. Foto’s TU Delft / SuperGPS