Nico's GPS-Info

Het GPS kan gesplitst worden in drie hoofd-segmenten, het ruimte, controle en gebruikerssegment. Het ruimte-segment bestaat uit een constellatie van GPS-satellieten in semi-synchrone banen rond de aarde. Het controle-segment bestaat uit een Master Control Station (MCS) en een aantal monitor-stations op relevante lokaties verspreid over de wereld. Het gebruikers-segment bestaat uit een verscheidenheid aan radionavigatie-ontvangers ontworpen om de van de satellieten afkomstige signalen te ontvangen, decoderen en verwerken.

Het ruimte-segment

Het doel van het ruimte-segment is, de gebruikers te voorzien van exacte tijdpulsen en de al eerder genoemde satelliet's efemeriden constanten (baangegevens). Hiermee kunnen de wereldwijd verspreide gebruikers informatie verkrijgen over hun posities, snelheid, en/of de juiste tijd. De NAVSTAR-satellieten kennen we in, zeg maar, verschillende generaties (Block I, Block II/IIA en Block IIR/IIR-M). De al weer opvolger van de Block IIR-M de Block F laten we nog buiten beschouwing. De, vanaf februari 1978, gelanceerde Block I satellieten functioneerden succesvol (drie jaar of meer) met eigenlijk maar één uitzonderlijkheid. De elfde draagraket van het type 'The Atlas F' explodeerde kort na de 'lift-off' en 'verdeelde' de NAVSTAR-7 in zelfs meer dan de oorspronkelijke 35.000 aparte onderdelen.

We beperken ons even tot de, nu nog operationele, Block II/IIA satellieten.

Een NAVSTAR satelliet is een zeer complexe maar toch ook zeer betrouwbare machine. Het is uit acht belangrijke subsystemen samengesteld, bevat zo'n 65.000 afzonderlijke onderdelen en is ontworpen om zeven en een half jaar (of 870 miljoen km) zonder service te functioneren.

De Delta II lanceer-draagraket 'parkeert' de satelliet op een bepaalde hoogte, eigen raketmotoren de zogenoemde 'perigee- en apogee-kick' motoren brengen de satelliet zelfstandig in zijn uiteindelijke baanpositie (20.200 kilometer boven de aarde).

De continue loodrecht op de zon georiënteerde silicium zonnepanelen (op de twee uitstekende 'vleugels') zijn in staat om 700 Watt elektrische energie te genereren. Deze elektriciteit is benodigd voor de diverse subsystemen waaronder de zenders, de atoomklokken, de verwarmings- en bewegingssystemen. De overtollige energie wordt opgeslagen in drie 15-ampère-per-uur nikkel-cadmium batterijen. Deze extra energie dekt pieken in de energiebehoeftes en stelt het ruimtevaartuig in staat om continue zijn navigatiesignalen te verzenden wanneer het periodiek in de schaduw van de aarde vertoeft. Om de ongeveer zes maanden valt de schaduw van de aarde tussen 0 en 56 minuten op de satelliet en dit gedurende 35 tot 45 opeenvolgende dagen. Gemiddeld per jaar, staat echter elke GPS-satelliet meer dan 99% procent van de tijd vol in het zonlicht.

Omdat de meeste elektronische componenten het meest efficiënt functioneren op of rond kamertemperatuur is het interne klimaat optimaal geconditioneerd. In het bijzonder zijn de atoomklokken zeer gevoelig voor te grote temperatuurschommelingen. Soms is de afscherming (van koude èn warmte) dertien isolatiedekens dik (mylar-kapton). Als een stuk ijs, van één pond, zorgvuldig in deze isolatie verpakt zou worden, en we dit pakketje bijvoorbeeld op de pier te Scheveningen neerleggen, vinden we daar een jaar later nog steeds ijs in terug. Met, door thermostaten gecontroleerde, verwarmingselementen en ventilatieroosters wordt op specifieke lokaties de interne temperatuur stabiel gehouden.

De Block II satelliet kent ook een subsysteem ten behoeve van zijn beweging. Dit controle- en reactiesysteem draagt er onder andere zorg voor dat de oriëntatie van de satelliet een onafgebroken aarde-zoekende richting is. De twaalf spiraalvormige navigatie-antennes staan, in een vast patroon, met een nauwkeurigheid van één graad op de aarde gericht. Idem dito regelt dit systeem, in dit geval met twee zonne-sensoren, het precies naar de zon richten van de twee zonnepanelen. Het uitgekiende bewegingssysteem bestaande uit, onder andere, sensoren en zowel elektrisch als op brandstof werkende stuurraketjes zorgt er ook voor dat de satelliet in zijn voorbestemde elliptische baan om de aarde blijft. Diverse subtiele krachten (o.a. zwaartekrachten van aarde/maan/zon, druk van zonnestraling) kunnen een verstoring betekenen van deze elliptische baan. Als correcties op deze baan niet accuraat gemodelleerd konden zijn, zou dit een fout in de positiebepaling betekenen van ongeveer 360 meter per uur. 

Ten behoeve van communicatie met de, nog nader te beschrijven, controle-stations zijn de satellieten onder andere uitgerust met twee speervormige antennes. Actuele efemeriden constanten, klokcorrecties en statusgegevens (inzetbaarheid/betrouwbaarheid) worden periodiek richting de satellieten gezonden. De 'uplink' frequentie is 2.227,50 MHz. De 'downlink' frequentie (1.783,74 Mhz) wordt primair gebruikt voor de verzending van een ontvangstbevestiging en een reactie op pariteitchecks om daarmee het controle-station verifieermogelijkheden te bieden m.b.t. de correcte ontvangst van het uplink-bericht. De satelliet zend de gegevens van deze 'update', verpakt in het 'navigatie-bericht', naar de ontvangers van de gebruikers. De hoogte, snelheid en relatief kleine afmetingen van de satellieten houden deze buiten het bereik van de huidige anti-satelliet wapens, inclusief de als grondsysteem uitgevoerde laser-wapens. Vanuit de ruimte opererende laserwapens zijn, gegeven SDI (Strategic Defense Initiative) studies, nog zo ingewikkeld te verwezenlijken dat een dreiging daarvan nog niet verwacht hoeft te worden.Een systeem dat de Amerikaanse belastingbetalers nu al ongeveer tien miljard U.S. dollars heeft gekost dient zeker een behoorlijke overlevingskracht te bezitten. Het militaire systeem, in de jaren van de 'Koude oorlog' uitgedacht en ontwikkeld, zou ook wel eens een militair doelwit kunnen worden. Laten we eerst het volgende eens beschouwen.

De 24 satellieten verplaatsen zich met een snelheid van 14.500 kilometer per uur in zes elliptische banen rond de aarde. Deze banen bevinden zich in een hoek van 55 graden met de evenaar, op een hoogte van 20.190 kilometer en zo'n 44.000 kilometer (60 graden) uit elkaar. De satellieten hebben in deze banen een ongelijke tussenruimte. Het systeemmanagement zorgt er voor dat de satellieten nooit dichter bij elkaar komen dan 8100 kilometer. Een omgang van de satelliet rond de aarde duurt 12 uur.

Betrouwbaarheid/kwetsbaarheid van ruimte-segment.

Een vanaf de aarde te lanceren, èn vroegtijdig te detecteren, anti-satelliet wapen zal er ongeveer drie uur voor nodig hebben om zijn doel te bereiken. Manoeuvreren van de relevante satellieten is dan nog mogelijk. Het is met de huidige techniek niet aannemelijk dat een land de kans krijgt een directe nucleaire aanval te lanceren of een zodanig wapen in de baan van de satellieten te laten detoneren. Blijft de vraag: Wie is dan die potentiële vijand. De republieken van de voormalige Sovjet Unie hebben 'hun' GLONASS-satellieten in de 'kwetsbare' nabijheid van de GPS-satellieten.

In het geval dat er toch satellieten verloren gaan, is (incidentele) vervanging binnen twee maanden mogelijk. Een verlies van negen satellieten betekend toch nog een twaalf uur 3D en twintig uur 2D vermogen. Dit vanwege de drie actieve reserves en herpositioneer-mogelijkheden.