Navstar is een netwerk van Amerikaanse satellieten die diensten van het Global Positioning System (GPS) leveren. Ze worden gebruikt voor navigatie door zowel militairen als burgers.

De 24 belangrijkste GPS-satellieten draaien elke 12 uur in een baan om de aarde en zenden een gesynchroniseerd signaal uit vanaf elke afzonderlijke satelliet. Omdat de satellieten in verschillende richtingen bewegen, ontvangt een gebruiker op de grond de signalen op iets andere tijdstippen. Wanneer ten minste vier satellieten contact maken met de ontvanger, kan deze berekenen waar de gebruiker zich bevindt – vaak tot op een paar meter nauwkeurig, voor civiel gebruik.

GPS-signalen werden vroeger voor civiel gebruik “gedegradeerd”, wat betekent dat ze alleen echt nauwkeurig waren in militaire toepassingen. In 2000 gaf president Bill Clinton echter toestemming om deze “selectieve beschikbaarheid” op te heffen.

Dezer dagen beschouwen veel mensen Global Positioning System-apparatuur als vanzelfsprekend. De meeste mensen zijn bekend met het concept van het gebruik van een GPS-systeem (als zelfstandig apparaat of in een telefoon) om de weg te vinden. GPS kan ook de locatie van een gebruiker bepalen, wat nuttig is voor de oriëntatie en zelfs voor leuke activiteiten zoals geocaching (het vinden van verborgen caches met behulp van GPS-apparaten.) Maar er zijn ook andere toepassingen, naast locatie en navigatie.

GPS kan ook worden gebruikt voor tracking, zoals het aanbrengen van een tag op een dier om de omvang van zijn territorium te zien. De technologie helpt ook bij cartografie, bijvoorbeeld om de omtrek van een land beter te bepalen. Er zijn waarschijnlijk duizenden toepassingen voor GPS-systemen, variërend van hulp aan wandelaars bij het navigeren in afgelegen gebieden tot hulp aan boeren bij het nauwkeurig inzaaien van hun akkers en hulp aan drones bij het vinden van hun doelen.

“Het idee om ergens naar toe te gaan zonder satellietplaatsbepaling en kaarten binnen handbereik – of foto’s te maken zonder geotagging-gegevens – kan tegenwoordig net zo vreemd zijn voor mensen als het aanhaken van een wagen voor een ritje naar de veevoederwinkel. Het is een anachronisme uit een ander tijdperk,” schreef Digital Trends over GPS.

Onderzeeërs in de juiste richting houden

De Amerikaanse marine ontwikkelde het eerste operationele satellietnavigatiesysteem – Transit genaamd – in de jaren zestig. Deze “spin-gestabiliseerde” ruimtevaartuigen – wat betekent dat hun spin ervoor zorgde dat het ruimtevaartuig in dezelfde richting bleef wijzen – werden in 1964 voor het eerst gebruikt voor navigatie door Polaris-onderzeeërs.

Zelfs in die begindagen zagen de mensen die het systeem bouwden echter al wetenschappelijke toepassingen voor GPS.

“Wij beiden zijn enorm verheugd over enkele van de vroegere en huidige toepassingen van satellietnavigatie, waaronder het volgen van migrerende vogels en dieren en effectieve zoek- en reddingstechnieken die problemen in afgelegen gebieden over de hele wereld kunnen lokaliseren,” schreven George Weiffenbach en William Guier, die beiden bijdroegen aan de bouw van Transit, in een artikel voor de Johns Hopkins University in 1998.

“Natuurlijk hebben we de vooruitgang in de elektronica onderschat. In het bijzonder hebben we niet voorspeld hoe ongelooflijk de omvang en kosten zouden worden teruggebracht voor alledaagse toepassingen voor de massamarkt, bijvoorbeeld navigatiesystemen voor onze auto’s en pleziervaartuigen, en zelfs handheld apparaten voor wandelaars.”

Er waren ook andere vroege systemen, zoals de Timation-satelliet van de marine die het gebruik van nauwkeurige klokken in de ruimte testte. Dit was een belangrijke voorloper van Navstar, aangezien dat GPS-systeem afhankelijk is van timing om de satellieten synchroon te houden.

Generaties van satellieten

Terwijl werkten andere takken van het Amerikaanse leger aan hun eigen navigatiesystemen. Met zoveel systemen die probeerden gebruikers op het juiste spoor te houden, realiseerde het leger zich uiteindelijk dat het de moeite waard kon zijn om een systeem te ontwikkelen dat alle takken konden gebruiken.

In 1973 stelde het Pentagon een globaal plaatsbepalingssatellietsysteem voor dat tegenwoordig bekend staat als Navstar.

“De belangrijkste redenen voor de ontwikkeling van GPS waren de noodzaak om wapens precies op het juiste doel af te leveren, en om de proliferatie van navigatiesystemen in het Amerikaanse leger tegen te gaan,” schreef Rick St.Amerikaanse leger,” schreef Rick Sturdevant in 2007 in een NASA-boek over ruimtevaart in civiele toepassingen.

“Vanaf het begin heeft het Ministerie van Defensie (DOD) echter het nut van GPS voor de wereldwijde civiele gemeenschap erkend.”

Navstar is ontworpen om te werken met ten minste 24 satellieten in een baan om de aarde. De eerste generatie Navstar-satellieten werd gelanceerd in 1978. Afgezien van de mislukking van Navstar 7, in 1981, die er niet in slaagde een baan om de aarde te bereiken, zijn ongeveer 10 door Lockheed Martin gebouwde satellieten in de ruimte gekomen.

Beginnend in 1989, volgens Gunter’s Space Page, werden de eerste volwaardige GPS-satellieten gelanceerd. Ze waren ontworpen om 14 dagen te werken zonder tussenkomst van de grond. Negen van deze satellieten werden tussen 1989 en 1990 kort na elkaar gelanceerd.

GPS-systemen in de Verenigde Staten hebben sinds 1978 zes grote iteraties doorgemaakt. Het nieuwste blok satellieten, IIF genaamd, is gelanceerd tussen 2010 en 2016. De 12 satellieten zijn allemaal ontworpen om 12 jaar mee te gaan. Enkele van hun opmerkelijke kenmerken zijn de mogelijkheid om software-uploads te ontvangen, een betere weerstand tegen jamming en een verdubbeling van de nauwkeurigheid.

De GPS Block IIIA-satellietset – de zevende set GPS-satellieten, en de eerste set van de derde generatie – wordt geproduceerd door Lockheed Martin. Het blok zou oorspronkelijk in 2014 gelanceerd worden. Door technische vertragingen werd de eerste geplande lancering echter verschoven naar mei 2018. De serie zal naar verwachting 10 satellieten lanceren, met de laatste gepland voor het tweede kwartaal van 2023.

“Lockheed Martin’s GPS III-satellieten zullen een drie keer betere nauwkeurigheid hebben en tot acht keer verbeterde anti-jamming capaciteiten,” schreef het bedrijf op zijn website. “De levensduur van het ruimtevaartuig wordt verlengd tot 15 jaar, 25 procent langer dan de nieuwste GPS-satellieten die nu in omloop zijn. GPS III’s nieuwe L1C civiele signaal maakt het ook de eerste GPS-satelliet die een compatibel signaal uitzendt met andere internationale wereldwijde navigatiesatellietsystemen, zoals Galileo, waardoor de connectiviteit voor civiele gebruikers wordt verbeterd.”

GPS III is in ontwikkeling sinds 1998, met financiering beschikbaar sinds 2000, volgens Digital Trends. De nieuwe set satellieten zal vier sets van civiele signalen hebben in plaats van de standaard één. Een van die nieuwe signalen (bekend als L2C) heeft een sterker signaal dat gemakkelijker op te pikken zal zijn onder bomen, binnen of in uitdagende gebieden zoals ravijnen.

Het leger zal ook een voordeel krijgen, met hoge-bandbreedte M-code signalen beschikbaar. In sommige gebieden zal de sterkte van het GPS-signaal hierdoor 100-voudig toenemen. Het leger zal dus een sterker signaal hebben dat moeilijker te storen is, wat hulp biedt voor drones of voor teams die in afgelegen gebieden werken.

Selectieve beschikbaarheid

GPS voor civiele gebruikers maakte in 2000 een sprong voorwaarts toen Clinton het einde van de “selectieve beschikbaarheid” goedkeurde. Voorheen kregen burgers een veel “grover” beeld van hun positie omdat het leger factoren zoals baangegevens of de frequentie van de klok van de satelliet manipuleerde.

Het duurde echter niet lang voordat burgers vreesden dat de optie weer kon worden ingeschakeld. De terroristische aanslagen van 11 september 2001 op het World Trade Center en het Pentagon leidden tot een reeks nieuwe veiligheidsmaatregelen. Zes dagen na de aanslagen verklaarde de Interagency GPS Executive Board dat er geen verandering kwam in het beleid van de Verenigde Staten: geen selectieve beschikbaarheid meer toepassen.

In 2007 accepteerde president George W. Bush een aanbeveling om nog een stap verder te gaan. Op advies van het ministerie van Defensie gaf hij opdracht dat de Navstar III-generatie helemaal niet de mogelijkheid van selectieve beschikbaarheid zou hebben. Nu GPS een miljardenindustrie is, leken commerciële overwegingen een sterke stem te hebben in Washington.

“Hoewel deze actie de prestaties van het systeem niet wezenlijk zal verbeteren,” stond in een verklaring van het Ministerie van Defensie, “weerspiegelt het wel de sterke betrokkenheid van de Verenigde Staten bij de gebruikers door te versterken dat op dit wereldwijde nut kan worden gerekend om vreedzame civiele toepassingen over de hele wereld te ondersteunen.”

In tegenstelling tot de begindagen heeft Navstar nu te maken met concurrentie van andere GPS-achtige systemen die door andere landen zijn gebouwd voor civiel en militair gebruik. De Russen hebben een systeem genaamd GLONASS, terwijl de Europeanen een ander systeem genaamd Galileo hebben dat zich in de vroege stadia van implementatie bevindt.

Met selectieve beschikbaarheid die niet is opgenomen op de nieuwste GPS-satellieten, kunnen de nieuwere systemen locaties voor burgers opsporen tot op slechts één voet, volgens The Verge. Een typische GPS-locater kan tegenwoordig burgerlocaties tot op drie tot negen meter nauwkeurig aanwijzen.