Hoe GPS werkt – en waar het faalt

De GPS-satellieten draaien op ongeveer 20.000 kilometer hoogte rond de aarde. Aan boord hebben ze atoomklokken die buitengewoon nauwkeurig zijn. Elke satelliet zendt voortdurend uit waar hij is en hoe laat zijn klok aangeeft. De ontvanger vergelijkt het tijdstempel met het moment waarop het signaal aankomt. Omdat radiogolven met de lichtsnelheid reizen – ongeveer 300.000 kilometer per seconde – geeft de looptijd de afstand.

Als je de afstand tot één satelliet kent, weet je alleen dat je ergens op een enorme bol eromheen zit. Met drie satellieten snijden drie zulke bollen elkaar en blijft één punt over. De vierde is nodig omdat de klok in een telefoon lang niet zo nauwkeurig is als een atoomklok. De ontvanger berekent zijn eigen klokfout eenvoudig als vierde onbekende.

Een eenvoudige berekening laat zien hoe gevoelig dit is: een fout van een miljoenste seconde komt bij de lichtsnelheid overeen met ongeveer 300 meter. Daarom hangt alle nauwkeurigheid af van precieze klokken en schone, directe signalen.

De signalen komen van ver en zijn op de grond erg zwak. Rots, beton, metaal, het menselijk lichaam en nat bladerdek verzwakken ze verder. In een nauwe kloof of een straat tussen hoge gebouwen ziet het apparaat maar een smalle strook lucht en dus weinig satellieten, die bovendien slecht verdeeld in één lijn staan. De positie wordt dan onzeker.

Weerkaatsingen zijn nog verraderlijker. Als een signaal van een rotswand of gebouw afketst, is zijn weg langer dan de directe. Het apparaat denkt dat de satelliet verder weg is dan hij is, en de positie springt vaak vele meters. Een typisch gevolg is een spoor dat zigzagt door huizenblokken terwijl je rechtdoor liep.

De hoogtemeting is meestal minder nauwkeurig dan de horizontale positie, omdat alle satellieten boven je staan en niemand van onderaf 'meet'. Voor hoogtes zijn de kaart, hoogtelijnen en een gekalibreerde hoogtemeter betrouwbaarder. Veel apparaten tonen een nauwkeurigheidscirkel – dat is de schatting van het apparaat, geen garantie.

Ga voor een goede plaatsbepaling naar een open plek, houd het apparaat omhoog en weg van je lichaam, en wacht even tot het scherm zich stabiliseert. Na een lange pauze of op een nieuwe plek doet de ontvanger soms langer over de eerste positie. Telefoons halen hulpgegevens via het mobiele netwerk op en zijn dan sneller – maar de plaatsbepaling zelf werkt ook zonder netwerk.

Wat zonder netwerk vaak ontbreekt, is de kaart. Veel kaart-apps laden hun kaarten voortdurend van internet. Download de kaarten voor jouw gebied dus vóór de tocht. Anders zie je een blauwe stip, maar op een lege grijze achtergrond.

Controleer het scherm altijd aan het terrein: kloppen de beek, de helling, de padkruising? En let op: de satellietpositie vertelt je niet in welke richting je kijkt. De pijlrichting bij stilstand komt meestal van een ingebouwde magnetische sensor die door metaal en elektronica kan worden verstoord. Een richting uit GPS alleen ontstaat pas als je in beweging bent.

Een apparaat kan op elk moment uitvallen: lege accu, kou, nat, een val op rots, een softwarefout. De regel is dus: neem een papieren kaart en kompas mee en oefen ermee zolang alles nog werkt. Wie alleen de blauwe stip volgt, merkt vaak niet waar hij werkelijk is, en is bij uitval ineens zonder oriëntatie.

Bespaar energie waar je kunt: dim het scherm, gebruik de vliegtuigmodus met locatie nog aan, draag het apparaat in de kou dicht bij je lichaam en neem een powerbank mee. Controleer regelmatig het accuniveau, niet pas als het al rood is.

In sommige regio's worden satellietsignalen opzettelijk gestoord of vervalst. Het apparaat kan dan zonder waarschuwing een volledig verkeerde positie tonen. Als het scherm niet bij het terrein past, vertrouw dan op het terrein en de kaart.

'GPS' is eigenlijk alleen de naam van het Amerikaanse systeem. De overkoepelende term is GNSS, wereldwijde satellietnavigatiesystemen. Daartoe behoren ook het Europese Galileo, het Russische GLONASS en het Chinese BeiDou. Veel apparaten gebruiken meerdere systemen tegelijk en hebben zo meer satellieten in zicht – een voordeel vooral in dalen en steden.

In een noodgeval zijn coördinaten goud waard. Ze kunnen in verschillende notaties worden gegeven, bijvoorbeeld decimale graden of graden, minuten en seconden. Lees ze langzaam en volledig voor en noem de notatie. In veel landen stuurt een telefoon bij een noodoproep ook automatisch zijn locatie naar de meldkamer – toch is het goed te weten waar je de coördinaten op het apparaat vindt.

Een verbazingwekkende bijzaak uit de natuurkunde: door de relativiteitstheorie van Einstein lopen de klokken van de satellieten heel licht anders dan klokken op de grond. Het systeem compenseert dit effect – anders zou de positie binnen korte tijd merkbaar afdrijven.