Waar zijn we ergens?

Inleiding

Met de huidige GPS systemen is deze vraag overal ter wereld onmiddellijk en zeer nauwkeurig te beantwoorden. Vóór de introductie van GPS, in 1995, was de plaatsbepaling een stuk lastiger, en ook veel onnauwkeuriger.
Voor de scheepvaart zag men in het begin van de radio direct al de mogelijkheden en het belang daarvan voor verbetering van de veiligheid op zee. En toen rond 1920 de commerciële luchtvaart van de grond kwam was het overduidelijk dat men zonder radioverbindingen en radionavigatie niet ver zou komen.
In de bijna 100 jaar dat ze algemeen in gebruik waren hebben de systemen en apparatuur voor radiocommunicatie en –navigatie voor zee- en luchtvaart een enorme ontwikkeling doorgemaakt. Dit geldt niet alleen voor de techniek maar zeker ook voor de wereldwijde organisatie en standaardisatie die een efficiënt en betrouwbaar gebruik mogelijk maakte. In de laatste decennia is GPS hét systeem voor de plaatsbepaling en navigatie geworden. In dit venster wordt deze evolutie behandeld.

Radio plaatsbepaling en navigatie op zee

Naast het berichtenverkeer was de radio van groot belang voor de plaatsbepaling en navigatie op zee. Ieder schip was uitgerust met een peilinstallatie, of richtingzoeker, waarmee de richting van een radiozender kon worden bepaald. Door twee radiozenders waarvan de posities bekend waren te peilen en de gevonden richtingen op een kaart in te tekenen vond men op het snijpunt de positie van het schip.
Een peilinstallatie bestaat uit een ontvangstantenne in de vorm van een “hoepel” van ongeveer een meter middellijn. Wijst het vlak van de antenne naar de zender is de ontvangst maximaal. Er gaat dan het maximum aantal veldlijnen, die de ontvangststerkte voorstellen en die zich cirkelvormig vanuit de zender uitbreiden, door de antenne. Bevindt de zender zich in een richting loodrecht op de antenne is de ontvangst minimaal. Er gaan dan geheel geen veldlijnen door de antenne. Voor een bruikbare peiling werd altijd op minimum ontvangst ingesteld omdat het minimum altijd het “scherpst” is. Met een hulpantenne in de vorm van een kleine spriet kon men bepalen of de zender zich vóór of achter de peilantenne bevond. Omdat deze vorm van radiopeiling tamelijk onnauwkeurig is werden er in de veertiger jaren ook andere, meer nauwkeurige, navigatiesystemen ontwikkeld zoals Decca en Loran.

DECCA was een navigatiesysteem dat werkte op basis van radiogolven in het middenfrequent gebied. Door de tijdsverschillen te meten tussen de ontvangst van drie bekende en nauwkeurig gesynchroniseerde zenders kon men de eigen positie berekenen. Het systeem werd gebruikt voor kustnavigatie in de scheepvaart. Het is ontwikkeld door "Decca Radio and Television Ltd." in Groot-Brittannië, en in gebruik genomen in 1944, kort voor “D-day”. Sindsdien is het onder andere geïntroduceerd in Australië, Canada, en de kust van West-Europa. Sinds de invoering van GPS is het systeem achterhaald. In 2000 is het buiten gebruik gesteld.
Loran was een soortgelijk systeem, maar maakte gebruik van zenders in het lange golf gebied (100kHz). Ook dit systeem is niet meer in gebruik.

Radio plaatsbepaling en navigatie in de lucht

Niet alleen voor het onderhouden van de “air to ground” communicatie was en is de radio onmisbaar, maar ook bij  het veilig uitvoeren van vluchten. Uiteraard is er de belangrijke functie van plaatsbepaling en navigatie. In de jaren vóór de oorlog beperkte zich dat tot een radio peilinstallatie  volgens het principe dat ook op schepen werd gebruikt. Een draaibare peilantenne buiten het vliegtuig was mechanisch gekoppeld met een afleesschaal met een graden verdeling in de cockpit.
Tegenwoordig is er zeer geavanceerde apparatuur voor plaatsbepaling, veelal gekoppeld met systemen die de piloot assisteren bij de landing. Voor deze functies is de frequentieband van 108,5 tot 118 MHz gereserveerd.

Bij de meeste grote vliegvelden en langs de gangbare luchtwegen staan radiobakens. Het belangrijkste type is de VOR (VHF Omnidirectional Ranging) die meestal is ook uitgerust met een  DME (Distance Measuring Equipment).
Een VOR zendt signalen uit waarmee in het vliegtuig bepaald kan worden op welke radiaal van deze VOR het zich bevindt. Een radiaal is een denkbeeldige lijn door de positie van VOR. Een getal geeft aan welke hoek deze lijn maakt  met het magnetische noorden; 360 is noord, 90 is oost, 180 is zuid, enz.Het principe van de VOR is vergelijkbaar met een vuurtoren waarvan de lichtbundel met een bekende snelheid ronddraait. Elke keer als de bundel door het noorden gaat zendt de toren een lichtflits uit. Als je de tijd meet tussen de lichtflits en het moment dat je de lichtbundel ziet weet je dus hoever deze bundel gedraaid heeft vanaf het noorden, en dus op welke “radiaal” je je bevindt. De VOR is de elektronische uitwerking van dit principe.

De DME maakt het mogelijk om in het vliegtuig te bepalen op welke afstand van dit baken het zich bevindt. Het DME baken is een ontvanger plus een zender in de 960 tot 1215 MHz band op een bekende locatie op de grond. DME apparatuur in het vliegtuig zendt continu een stroom radiopulsen uit in een uniek patroon. Als de ontvanger op de grond deze pulsen ontvangt stuurt de bijbehorende zender pulsen met hetzelfde patroon terug. De ontvanger in het vliegtuig herkent de pulsen en kan uit de tijdvertraging tussen uitgezonden en ontvangen pulsen de afstand tot de DME berekenen. Als, zoals gebruikelijk, VOR en DME zich op dezelfde locatie bevinden is de positie van het vliegtuig dus bekend. Radiaal en afstand kan in de cockpit op een speciaal instrument eenvoudig en continu worden afgelezen.

Uiteraard zijn deze systemen alleen te gebruiken boven land. De geringe reikwijdte van VHF signalen (en ook van radar) maakt immers een  dicht net van bakenstations noodzakelijk.
Voor transatlantische vluchten was men, tot de komst van GPS, aangewezen op de klassieke navigatiemethoden. Ook gebruikte men sinds de zestiger jaren een systeem waarmee men zonder inmenging van buitenaf in het vliegtuig de positie kon bepalen. De werking van dit zogenaamde INS (inertial navigation system, of traagheids navigatie systeem) berustte op het zeer nauwkeurig meten van de versnelling van het vliegtuig in drie loodrecht op elkaar staande richtingen, en de tijdsduur daarvan. Door voortdurend te rekenen kon een computer de afgelegde afstand vanaf het vertrekpunt in de drie richtingen bepalen. Als dit vertrekpunt in het systeem was ingevoerd wist men dus op elk moment de juiste positie.  Daarom staan ook bij elke “gate” op een vliegveld de coördinaten van dat punt tot in graden minuten en secondes nauwkeurig aangegeven. De onnauwkeurigheid loopt op met de vliegtijd en bedraagt voor de laatste generatie INS systemen ongeveer 1 Km per uur.
Tegenwoordig  wordt er in de luchtvaart alom gebruik gemaakt van GPS. In sommige gevallen gebruikt men INS nog als reserve systeem.

Landingssystemen

Alle belangrijke luchthavens zijn uitgerust met een zogenaamd “Instrument Landing System” (ILS). Dit systeem maakt veilig landen in donker en bij zeer ongunstige weersomstandigheden met vrijwel geen zicht mogelijk. Met de meest geavanceerde versies zijn zelfs automatische landingen mogelijk.
Een ILS bestaat uit een dalingslijnbaken (“glidepath”) , een  koerslijnbaken (“localizer”) en één of meerdere merkbakens (“markers”).

Het glidepath is een zeer smalle bundel radiogolven die onder de hoek van de dalingslijn (meestal 3 graden) wordt uitgezonden vanaf het begin van de landingsbaan. Als de apparatuur en/of de piloot in het vliegtuig er voor zorgt dat dit exact binnen de bundel blijft komt het precies bij het begin van de baan uit.

De localizer is een iets bredere bundel die het centrum van de landingsbaan aangeeft en in de koers (de lengterichting) van de baan wordt uitgezonden. De besturing van het vliegtuig kan aan dit signaal gekoppeld worden, waarmee het recht vóór de baan uitkomt.

De markers zijn bakens die in een smalle bundel recht omhoog stralen en op bepaalde afstanden vóór de landingsbaan staan opgesteld. Er zijn “outer markers” op ca. 7,5 km vóór de baan, “middle markers” op 1066 meter vóór de baan en “inner markers” op 305 meter vóór de baan. Als het vliegtuig over een marker vliegt wordt er in de cockpit een hoorbaar en zichtbaar signaal gegeven waardoor de piloot weet dat hij op koers zit en op welke afstand tot de baan hij op dat moment is. Tegenwoordig zijn de markers vrijwel overal buiten gebruik en vervangen door informatie van de DME.

Het Global Positioning System

De werking van GPS, is gebaseerd op het meten van de afstand tot een aantal speciale satellieten die elk hun eigen baan om de aarde beschrijven. Deze satellieten zenden continu berichten uit met hun exacte positie en het exacte tijdstip van verzenden. De ontvanger in onze navigatie apparatuur of onze telefoon kan nu de afstand berekenen door het moment van ontvangen te vergelijken met het in het bericht genoemde tijdstip van verzenden. Daarmee is de tijd die het bericht onderweg geweest is bekend. En omdat de snelheid van radiogolven altijd 300.000 Km per seconde is kan de afstand die het heeft afgelegd worden berekend. Om een wereldwijde dekking te garanderen zijn er meer dan 30 satellieten in omloop. Het is essentieel voor een hoge nauwkeurigheid dat de klokken in alle satellieten exact gelijk lopen. Hiervoor zijn deze uitgerust met uiterst nauwkeurige en stabiele atoomklokken. De klok in de ontvanger is van minder belang omdat een afwijking voor alle metingen even groot is waardoor met slimme rekenmethodes de invloed van eventuele onnauwkeurigheden kan worden geëlimineerd.
 Als de afstand tot een satelliet bekend is betekent dat dat de ontvanger zich ergens bevindt op een denkbeeldige bol rond deze satelliet met de gemeten afstand als straal. Evenzo bevindt de ontvanger zich op een bol rond een tweede satelliet met de afstand tot die satelliet als straal. Die twee bollen lopen door elkaar heen en het “snijvlak”is een cirkel. Omdat de posities van de twee satellieten bekend is weet onze ontvanger ook precies op welke cirkel hij zich bevindt. Met de meting van de afstand tot een derde satelliet ontstaat een derde bol die de cirkel op twee plaatsen zal snijden. Het ene snijpunt zal doorgaans ver buiten de aarde vallen en kan dus verder buiten beschouwing gelaten worden. Het andere snijpunt is echter precies de positie van onze ontvanger op aarde. In de praktijk gebruikt een GPS ontvanger de signalen van veel meer satellieten, soms wel 10 of 12,  om de hoge nauwkeurigheid van enkele meters onder alle omstandigheden te kunnen garanderen.



Links naar verdere informatie:

https://nl.wikipedia.org/wiki/Distance_measuring_equipment

https://www.skybrary.aero/index.php/Inertial_Navigation_System_(INS)