Op de centimeter nauwkeurig over snelwegen rijden
Auto’s en vrachtwagens die met hoge precisie over snelwegen en door drukke binnensteden rijden, met het navigatiesysteem van de toekomst ligt het binnen handbereik. GPS-onderzoekers dr. ir. Christiaan Tiberius en dr. ir. Peter de Bakker testen aan de TU Delft innovaties om de nauwkeurigheid en bereikbaarheid van de huidige navigatiesystemen te verbeteren. Het brengt ook de komst van zelfrijdende voertuigen een stap dichterbij.
Vroeger trokken GPS-wetenschappers voor het uittesten van navigatiesystemen naar weilanden, open plekken zonder bebouwing en met een goed bereik voor de langs de hemel overtrekkende navigatiesatellieten, vertelt Tiberius. De tijden zijn veranderd, constateert hij. “We doen het nu namelijk precies andersom. Tegenwoordig zijn we specifiek op zoek naar gebieden waar het bereik van GPS-signalen juist slecht is.”
Om dezelfde reden rijdt mede-onderzoeker Peter de Bakker, net als Tiberius verbonden aan de afdeling Geoscience and Remote Sensing bij de faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen, regelmatig over de A15 bij Rotterdam waar een metershoog geluidscherm pal naast de snelweg staat. “Daar gaan we dan ook expres zo dicht mogelijk aan de rechterkant rijden zodat er nog meer GPS-signalen worden afgeschermd.”
Met hun autoritten zijn de twee Delftse ingenieurs druk bezig met het testen van nieuwe technieken die de bouwstenen vormen voor het navigatiesysteem van de toekomst: een navigatiesysteem dat vrijwel overal bereik heeft, een nauwkeurigheid kent van slechts enkele centimeters en dat bovendien goedkoop genoeg is voor alledaags gebruik. Ook de komst van zelfrijdende auto’s, waar bestuurders zich niet meer hoeven te bekommeren over hun medeweggebruikers, ligt daarmee in het verschiet, denken de onderzoekers.
Tanks door de woestijn
Het bekendste satellietnavigatiesysteem, GPS, gebruiken mensen al dagelijks op hun mobiele telefoon of navigatiekastjes in hun auto. Tiberius: “Maar GPS is oorspronkelijk ontwikkeld in de Verenigde Staten voor militaire doeleinden, voor het navigeren van tanks door een woestijn. GPS wordt dus al gebruikt waar het helemaal niet voor was bedoeld. Inmiddels willen wij GPS gebruiken in stedelijk gebied en voor voertuigen op de snelweg met veel obstakels. De techniek is daar op twee vlakken niet goed genoeg voor.”
Mede door verschillende Delftse innovaties hopen de onderzoekers de prestaties van het huidige navigatiesysteem te verbeteren. In de eerste plaats betreft dat een grotere nauwkeurigheid. Of beter gezegd, het goedkoper maken van plaatsbepaling tot enkele centimeters, legt Tiberius uit. “Voor hoge precisie is GPS al onverslaanbaar, alleen heb je voor zulke nauwkeurigheid dure apparatuur van duizenden euro’s nodig. Het is niet aantrekkelijk om dat in iedere auto te bouwen.”
Weerkaatsende signalen
Daarnaast gaat het ook om voldoende bereikbaarheid van de satellietsignalen, zegt De Bakker. “In een druk stadscentrum met veel hoogbouw spelen twee effecten vaak tegelijkertijd een rol. Hoge gebouwen kunnen het binnenkomende signaal van satellieten blokkeren; in een tunnel is het bereik al helemaal weg. Bovendien kan het binnenkomende signaal verstoord worden wanneer signalen tegen gevels weerkaatsen.”
Tiberius vult aan: “Zoiets kan tot afwijkingen van honderden meters leiden. Voor de navigatie van zelfrijdende auto’s is dat dodelijk, zowel letterlijk als figuurlijk.” Om de meetnauwkeurigheid van een GPS-signaal te verhogen zonder gebruik van dure apparatuur worden verschillende technieken verder uitgetest. Tiberius: “Door een algoritme toe te voegen is een hogere nauwkeurigheid haalbaar. Dan lukt dit ook met een kleine ontvanger, die enkele tientallen euro’s kost.”
De Bakker: “Het algoritme corrigeert voor een aantal foutenbronnen, onder andere voor de vertraging van het satellietsignaal wanneer het door de atmosfeer reist. We hebben deze techniek al in de praktijk uitgetest door studenten een vast traject over de A13 te laten rijden en hun navigatiedata te vergelijken met het dure referentiesysteem. Dat levert resultaten met een nauwkeurigheid van rond de halve meter. Het idee is dat deze techniek al snel gebruikt kan worden, bijvoorbeeld voor assisted driving, waarbij een auto enkele taken van de bestuurder kan overnemen.”
Satellieten combineren
Voor navigatie van zelfrijdende auto’s is dit echter nog niet nauwkeurig genoeg, benadrukken de onderzoekers. Maar een andere techniek, die al vijftien jaar geleden werd ontwikkeld, biedt mogelijk uitkomst. Tiberius: “Met deze methode kon in principe ook een goedkope GPS-ontvanger een nauwkeurigheid van centimeters behalen. Het ging alleen in de praktijk te vaak fout, omdat de techniek pas goed werkt wanneer er voldoende satellietsignalen beschikbaar zijn. Het GPS-netwerk was toentertijd te klein. In de afgelopen jaren zijn er echter wereldwijd verschillende satellietnavigatiesystemen ontwikkeld. In de EU is dat het Galileo-programma, en ook China is bezig met het bouwen van een eigen systeem.”
Het gevolg is dat het aantal navigatiesatellieten dat rondom de aarde cirkelt inmiddels fors is gegroeid. “Ook die satellieten kun je nu gebruiken en met elkaar combineren, wat de beschikbaarheid vergroot. Dan werkt deze precieze plaatsbepaling wel, en mogelijk zelfs in een stadscentrum met hoge gebouwen. Of deze methode de belofte waar kan maken, dat zijn wij verder aan het uittesten, samen met collega’s van de afdeling Transport en Planning, onder andere op snelwegen met veel obstructies waar de ontvangst van GPS-satellieten slecht is.”
SuperGPS
Zelfs dan is er voor een volledig dekkend navigatiesysteem nog een extra stap nodig. Tiberius: “Ook met navigatietechnieken met een nauwkeurigheid van centimeters zal nog een aanvulling nodig zijn, bijvoorbeeld in tunnels of overdekte wegen, waar navigatieapparatuur geen satellietbereik meer heeft.” Voor dit nog ontbrekende stukje in de puzzel is in samenwerking met de Vrije Universiteit en TNO en met steun van NWO-TTW, het onderzoeksproject SuperGPS bedacht: het ontwikkelen van een uiterst precies GPS-systeem, dat geen gebruik van satellieten maakt.
“Het idee is om langs een snelweg navigatiekastjes te plaatsen die in directe verbinding staan met een atoomklok en een radiosignaal uitzenden. Het zijn dus in essentie werkende GPS-satellieten, maar dan op de grond,” vertelt Tiberius. “Veel moet hierover nog helemaal worden uitgezocht. Uiteindelijk is het de bedoeling dat we over vier, vijf jaren SuperGPS live willen gaan uittesten met voertuigen.”
Wanneer een zelfrijdende auto voor het eerst over een Nederlandse snelweg zal rijden, daar wagen beide onderzoekers maar geen voorspelling aan. De Bakker: “Zelfrijdende auto’s, die maken wij natuurlijk niet alleen. Onze specialiteit ligt bij GPS en navigatiesystemen, en toevallig sluit dit goed aan bij de interesse in het ontwerpen van zelfrijdende voertuigen. Wat dat betreft komen de ontwikkelingen op dit moment mooi samen.”
Gepubliceerd: maart 2017
