SuperGPS - supernauwkeurige plaatsbepaling via optisch netwerk

18-12-2020

Inmiddels kunnen wij niet meer zonder ‘Global Navigation Satellite Systems’ (GNSS), zoals Galileo, GPS of Glonass, voor plaatsbepaling, navigatie en voor de distributie van tijd- en frequentiesignalen. Hoewel GNSS veel kansen biedt, zijn er ook enkele beperkingen waarmee rekening gehouden moeten worden. Om deze reden is VSL actief in diverse ontwikkelprojecten rondom nauwkeurige en betrouwbare tijddistributie.

Eén van die projecten waar VSL bij betrokken is, is het SuperGPS project. Dit is een project dat wordt gecoördineerd vanuit de TU Delft. Hierin is samen met SURF, VSL en het Nederlandse bedrijfsleven, een hybride infrastructuur ontwikkeld voor nauwkeurige plaatsbepaling ten behoeve van autonoom rijden. VSL is betrokken in dit project als leverancier van betrouwbare tijd, alsmede met haar ervaring op het gebied van betrouwbare tijddistributie. Onderstaande tekst is eerder verschenen op de website van SURF, de ICT-coöperatie van onderwijs en onderzoek in Nederland.


Use case: SuperGPS - supernauwkeurige plaatsbepaling via optisch netwerk

GPS is goed in plaatsbepaling in grote open ruimtes zonder obstakels, zoals oceanen en woestijnen. Maar in stedelijk gebied, met al zijn hoge gebouwen, is een nauwkeurige plaatsbepaling met satellietsignalen lastiger. SuperGPS kiest voor een andere oplossing: een combinatie van een optisch glasvezelnetwerk en radiozenders aan gebouwen en langs straten.
 

superGPS Snelweg

Christian Tiberius is universitair hoofddocent aan de faculteit Civiele techniek van de TU Delft. Vanuit die functie is hij een van de projectleiders van SuperGPS. “We zijn in 2016 gestart met dit project, in samenwerking met de VU, waar Jeroen Koelemeij al veel deed aan tijd- en frequentiedistributie via glasvezel. Wij hadden al veel kennis over het gebruik van breedbandige radiosignalen. Die twee expertises konden we mooi combineren. Inmiddels ligt het project helemaal bij ons, en leid ik het samen met collega Gerard Janssen van Elektrotechniek.”
 

SuperGPS  - Het glasvezelnetwerk, waarop een atoomklok is aangesloten, wordt weergegeven door de blauwe lijn. In de groene kaders bevinden zich de radiozenders die aangesloten zijn op het netwerk. Ze zenden tijdsignalen draadloos uit naar bijvoorbeeld zelfrijdende auto’s. - beeld: TU Delft
 

Schepen op oceanen

Het basisidee van SuperGPS is dat je positiebepaling niet doet met radiosignalen van satellieten, maar met een combinatie van een optisch glasvezelnetwerk en radiozenders aan gebouwen en langs straten. Tiberius legt uit wat daar het voordeel van is. “De Amerikaanse defensie heeft GPS ooit bedacht voor het bepalen van de plaats van schepen op oceanen, militaire voertuigen in de woestijn en vliegtuigen in de lucht. Daar werkt het ook prima. Doordat er nauwelijks obstakels zijn, heb je altijd direct zicht met de satellieten. Inmiddels gebruiken consumenten GPS ook voor veel toepassingen, waaronder navigatie. En straks hebben we het ook nodig voor zelfrijdende auto’s.”
 

Zelfrijdende auto’s en verkeersveiligheid

En bij die toepassing zie je een nadeel van GPS: met name in stedelijk gebied zijn er wel veel obstakels. Een GPS-apparaat ontvangt dan zowel directe als via gebouwen weerkaatste radiosignalen van satellieten. Gevolg: de plaatsbepaling wijkt soms honderden meters af. Tiberius: “Voor navigatiedoeleinden is dit nog niet zo erg: je Tomtom corrigeert die afwijking wel, met behulp van de geïnstalleerde kaart. Maar als we de plaatsbepaling voor zelfrijdende auto’s willen doen, moet dat een stuk nauwkeuriger. Daarbij staat de verkeersveiligheid op het spel.”
 

Atoomklok bij VSL

Met SuperGPS lukt het om de plaats van een voertuig tot op 1 à 2 decimeter te bepalen, genoeg om het veilig aan het verkeer te laten deelnemen. Hoe gaat dat in zijn werk? Tiberius: “De basis van SuperGPS is een optisch netwerk dat aangesloten is op een atoomklok (in ons geval een van metrologie-instituut VSL in Delft), waardoor het netwerk zeer nauwkeurig tijdpulsen kan uitzenden. Op dat netwerk zijn zenders aangesloten. Die staan langs wegen, of hangen aan gebouwen en sturen radiosignalen naar de objecten waarvan je de plaats wilt bepalen, in ons geval zelfrijdende auto’s”.

SURF heeft, door zijn netwerk uit te breiden, voor deze technologie een rol gespeeld bij het beschikbaar krijgen van de tijddistributie van VSL’s atoomklok voor de TU Delft. SURF heeft ook de apparatuur geplaatst die communiceert met de atoomklok en de tijdpulsen doorgeeft aan de radiozenders die bijvoorbeeld langs de weg staan, zoals te zien in de afbeelding.
 

Tot op 100 picoseconden nauwkeurig

Inmiddels zijn er experimenten uitgevoerd met SuperGPS. Tiberius: “Veel projecten hebben papers, artikelen of ander documenten als resultaat. Wij zeiden bij het begin: wij willen dit ook echt praktisch laten werken. Daarom hebben we in The Green Village – een bestaande proeftuin van de TU Delft – de proef op de som genomen. We hebben aan 6 lantarenpalen een zenderkastje gehangen. Elke zender was gekoppeld aan het glasvezelnetwerk waarop de atoomklok de tijd distribueerde. Vervolgens hebben we een auto laten rijden die voorzien was van een ontvanger, en gekeken of het systeem de positie van de auto nauwkeurig genoeg kon bepalen, namelijk tot op 1 à 2 decimeter nauwkeurig. Dat bleek zo te zijn!

Het optisch netwerk leverde het tijdsignaal van VSL tot op 100 picoseconden nauwkeurig bij iedere radiozender af. De radiozenders zonden vervolgens hun signalen uit, waarmee de auto zijn positie bepaalde. Een afwijking van 100 picoseconden (1 picoseconde = 1 biljoenste seconde) komt overeen met een fout in de gemeten afstand van 3 centimeter. In het systeem zitten echter nog andere foutbronnen (bijvoorbeeld thermische ruis in de elektronica), waardoor de nauwkeurigheid uiteindelijk op 1 à 2 decimeter uitkomt.”

Serieuze interesse

Uiteraard kent SuperGPS op dit moment nog geen eindgebruikers: het betreft nu nog een prototype, en dan is er nog een hele weg te gaan voordat er geschikte apparatuur is voor de eindgebruiker. Maar Tiberius verwacht wel dat SuperGPS echt ingezet gaat worden. “We hebben bij NWO, dat het project gefinancierd heeft, een grote gebruikerscommissie met daarin grote bedrijven en instituten als KPN en TNO. Dat geeft aan dat er serieuze interesse is voor SuperGPS.”