Dankzij gps is navigeren een eitje. Maar in de stad werkt het soms slecht doordat gebouwen de gps-signalen verstoren. Nederlandse onderzoekers hebben een nieuw plaatsbepalingssysteem ontwikkeld dat dit probleem oplost, en bovendien veel nauwkeuriger is.
Als je je navigatiesysteem aanzet terwijl je een garage of je straat uitrijdt, duurt het meestal even voordat de routeplanner werkt. De gebouwen in de omgeving blokkeren en weerkaatsen de signalen van gps-satellieten waardoor ze je navigatiesysteem niet goed kunnen bereiken. Daardoor heeft het apparaat de eerste paar seconden of zelfs minuten geen idee waar hij is.
Een nieuw plaatsbepalingssysteem, dat gebruik zou kunnen maken van het bestaande telecommunicatienetwerk, heeft daar geen last van. Dat hebben onderzoekers gedemonstreerd op een stuk weg van 50 meter, naast gebouwen, op het terrein van de TU Delft. Daar deed een prototype van dit nieuwe systeem het beter dan gps, en haalde het bovendien een nauwkeurigheid van tien centimeter. De techniek is ontwikkeld door onderzoekers van de TU Delft, de VU Amsterdam en het nationaal metrologisch instituut VSL.
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
Gebouwen hinderen gps
‘Gps is een geweldig systeem’, zegt satellietnavigatie-onderzoeker Christiaan Tiberius van de TU Delft. ‘Maar het is een militair systeem dat vooral ontwikkeld is voor plaatsbepaling van straaljagers in de lucht, vliegdekschepen op zee en tanks die bijvoorbeeld in een woestijn rondrijden. Het was dus nooit ontworpen voor navigatie in steden.’
Het gps-navigatiesysteem bepaalt je locatie door radiosignalen op te vangen van minimaal vier verschillende gps-satellieten. Die signalen arriveren op verschillende momenten bij je navigatiesysteem, omdat de satellieten op verschillende afstanden staan. Door te bepalen hoe lang alle signalen erover doen om aan te komen, kan het navigatiesysteem zijn positie uitrekenen ten opzichte van die satellieten. Daaruit kan het weer de positie op aarde afleiden.
Om die gps-signalen op te kunnen vangen, moet de lijn tussen jou en de satelliet vrij zijn. Als er een boom of een gebouw tussen staat, is er minder of geen signaal. Daarom werkt gps minder goed in steden. Daar heb je bovendien het probleem dat de gps-signalen weerkaatsen tegen gebouwen. Daardoor ontvangt je navigatiesysteem, naast het originele signaal, tot wel vijftig gereflecteerde signalen. ‘Dat wordt zo’n brij dat hij niet goed meer kan bepalen waar hij is’, zegt Tiberius.
Pulsjes en atoomklok
Het nieuwe systeem werkt op een vergelijkbare manier als gps. Maar in plaats van satellieten gebruikt het zendmasten. De onderzoekers laten die zendmasten radiosignalen uitzenden met veel kortere pulsjes dan de gps-signalen. Die signalen zijn zo gekozen dat ze geïntegreerd kunnen worden in de 5G-infrastructuur.
‘Dankzij die korte pulsjes hebben we geen last van reflecties’, vertelt Gerard Janssen van de TU Delft. Door het reflecteren kunnen de langere gps-pulsen gaan overlappen waardoor het een brij wordt. De kortere pulsjes overlappen veel minder, waardoor reflecties nauwelijks nog een probleem zijn.
Een andere reden voor de nauwkeurigheid van het nieuwe systeem is de atoomklok, die ervoor zorgt dat alle zendmasten uitgaan van precies dezelfde tijd. Gps-satellieten hebben elk hun eigen atoomklok aan boord. Die lopen zo nauwkeurig mogelijk gelijk, maar omdat het verschillende klokken zijn, kunnen ze toch een paar miljardste van een seconde uit de pas gaan lopen.
Het nieuwe systeem gebruikt een centrale atoomklok die via glasvezelkabels met alle zendmasten verbonden is. Daardoor zijn ze tot op een tienmiljardste van een seconde gesynchroniseerd. Een bijkomend voordeel is dat de huidige telecomzendmasten toch al een glasvezelverbinding hebben, dus die hoef je niet speciaal aan te leggen.
De extreme tijdsnauwkeurigheid is nodig om heel precies de afstand tussen de zender en de ontvanger te bepalen. Dat luistert nauw. Als de zenders een miljardste seconde uit de pas lopen, zakt de nauwkeurigheid al naar 30 centimeter. De onderzoekers hebben nu met zenders en een prototype gedemonstreerd dat dit systeem in bebouwd gebied een nauwkeurigheid behaalt van 10 centimeter.
Zelfrijdende auto’s en bezorgdrones
Die nauwkeurigheid heb je niet nodig als je een winkel wilt vinden, of wilt weten welke afslag je moet nemen op de snelweg. Daarvoor is de gps-nauwkeurigheid van een paar meter voldoende. Maar dat geldt niet voor nieuwe technologie zoals stuurassistentie en zelfrijdende auto’s. ‘Als auto’s en vrachtwagens met 100 kilometer per uur naast elkaar over de snelweg moeten blijven rijden, dan is de nauwkeurigheid van een paar meter niet voldoende’, zegt Tiberius. Zo’n onnauwkeurigheid zou er ook toe kunnen leiden dat een toekomstige bezorgdrone jouw pizza bij de buurman bezorgt.
Dat de onderzoekers een nauwkeurigheid van een decimeter hebben gehaald met bestaande apparatuur is indrukwekkend, schrijven Hui Chen en Henk Wymeersch, van de Technische Universiteit Chalmers in Zweden, in een commentaar dat bij de publicatie over het systeem verscheen. ‘De onderzoekers brengen “slimme steden” een stap dichterbij.’
