Navigeren op de decimeter nauwkeurig

Onderzoekers van de TU Delft, Vrije Universiteit Amsterdam en VSL hebben een alternatief plaatsbepalingssysteem ontwikkeld dat robuuster en nauwkeuriger is dan GPS, met name in bebouwd gebied. Met het prototype van het systeem, geïmplementeerd in een speciaal opgezet mobiel netwerk, is een nauwkeurigheid van 10 centimeter behaald. De technologie is van belang voor diverse tijd- en locatie-afhankelijke toepassingen, zoals automatisch rijdende voertuigen, quantum communicatie en de volgende generatie mobiele netwerken. De resultaten van het onderzoek zijn vandaag gepubliceerd in Nature.

Veel vitale infrastructuur is afhankelijk van satellietnavigatiesystemen zoals het Amerikaanse GPS en het Europese Galileo. Deze systemen kennen echter beperkingen en kwetsbaarheden: de ontvangen radiosignalen zijn zwak en de plaatsbepaling wordt onnauwkeurig wanneer de radiosignalen door gebouwen worden gereflecteerd of geblokkeerd. “In stedelijke gebieden kan dit de betrouwbaarheid van GPS aantasten,” aldus Christiaan Tiberius van de TU Delft en coördinator van het project, “wat een probleem kan zijn voor bijvoorbeeld automatisch rijdende voertuigen. Maar ook burgers en de autoriteiten zijn voor heel veel toepassingen afhankelijk van satellietnavigatiesystemen. En er is geen backup-systeem. ”

Het doel van het zogeheten SuperGPS-project was om een alternatief plaatsbepalingssysteem te ontwikkelen op basis van het mobiele netwerk in plaats van satellieten, dat bovendien robuuster en nauwkeuriger is dan GPS. “We realiseerden ons dat we met een paar slimme innovaties het telecommunicatienetwerk konden transformeren in een zeer nauwkeurig alternatief voor GPS,” legt Jeroen Koelemeij van Vrije Universiteit Amsterdam uit. “Daarin zijn we nu geslaagd, met als resultaat dat we nu een systeem hebben dat connectiviteit kan bieden zoals mobiele en Wi-Fi netwerken en tevens nauwkeurige plaats- en tijdinformatie zoals GPS.”

Een van de innovaties bestaat uit het aansluiten van een zeer nauwkeurige atoomklok op het mobiele netwerk, zodat dit perfect getimede berichten kan versturen voor plaatsbepaling – zoals GPS dat doet met behulp van atoomklokken in de satellieten. Deze aansluiting maakt gebruik van het bestaande glasvezelnetwerk. “We werkten al aan nieuwe technieken om de nationale tijd van onze atoomklokken via het telecommunicatienetwerk te verspreiden naar gebruikers elders,” vertelt Erik Dierikx van VSL. “Met deze technieken kunnen we het netwerk in een landelijke gedistribueerde atoomklok veranderen, met talloze nieuwe toepassingen zoals nauwkeurige plaatsbepaling. En met het hybride glasvezel-draadloze systeem dat we nu hebben ontwikkeld kan in principe iedereen toegang krijgen tot onze atoomtijd. Het biedt een extreem nauwkeurige radioklok die tot op een miljardste van een seconde gelijk loopt.”

Een andere innovatie behelst het gebruik van radiosignalen met een veel grotere bandbreedte dan gebruikelijk. “Gebouwen reflecteren radiosignalen, waardoor navigatie-ontvangers in de war kunnen raken. De grote bandbreedte helpt deze verwarrende reflecties te herkennen, waardoor de plaatsnauwkeurigheid kan worden verhoogd,” aldus Gerard Janssen van de TU Delft. “Tegelijkertijd is bandbreedte in het radiospectrum schaars en daardoor duur. Dat omzeilen we door middel van signalen in een aantal smallere bandbreedtes, verspreid over een grote ‘virtuele’ bandbreedte. De signalen gebruiken dus in feite maar een klein deel van het radiospectrum, en ze lijken ook meer op wat nu gebruikt wordt in mobiele netwerken.”