Hoe werkt GPS en wat zijn praktische toepassingen ervan?
Er zijn allerlei van apps en diensten die kunnen vastleggen waar iemand bijvoorbeeld een foto heeft genomen. Of waar een persoon of object zich bevindt of welke route gevolgd werd. De meeste maken daarbij (ook) gebruik van GPS. We leggen kort uit de werking en de weergave uit, maar focussen ons voornamelijk op enkele praktische toepassingen, vooral op een (Windows-)pc.
In dit artikel leggen we uit hoe GPS precies werkt en hoe je het kunt toepassen met handige programma's en producten.
- Hoe werkt GPS?
- Alles over GPS-coördinaten
- Handige programma's
- Wil je een reis vastleggen, lees dan Track je reis met Polarsteps
GPS staat voor Global Positioning System en is een locatiebepalingssysteem op basis van satelliet, dat vanaf 1967 voor het Amerikaanse leger werd ontwikkeld. De officiële naam is eigenlijk NAVSTAR: NAVigation Satellite Time And Ranging. GPS bestaat uit drie onderdelen: het ruimte-, gebruikers- en controlesegment.
Het ruimtesegment is het zendgedeelte dat is opgebouwd uit 32 satellieten, inclusief enkele reservesatellieten, die zich in zes vaste banen bevinden op 20.200 km hoogte en die in een vaste tijd rond de aarde draaien.
Het gebruikerssegment is het ontvangstgedeelte, in de vorm van een GPS-ontvanger. Die moet minstens vier satellieten simultaan moet kunnen ontvangen om de eigen positie en hoogte nauwkeurig te kunnen bepalen ten opzichte van het coördinatenreferentiesysteem WGS 84 (zie paragraaf ‘WGS 84’). Het meetprincipe is gebaseerd op de afstand tussen ontvanger en de zender, waarvan de positie op elk moment bekend is dankzij het gebruik van atoomklokken. Deze afstand wordt afgeleid uit de gemeten looptijden van de radiogolven.
Verder is er nog een controlesegment dat bestaat uit een mondiaal netwerk van volgstations, inclusief een ‘master control station’ in Colorado. Deze stations hebben onder meer als taak de satellieten te volgen om de positie te bepalen en de satellietstatus te monitoren.
Om niet helemaal afhankelijk te zijn van de Verenigde Staten en voor een nog nauwkeurige locatiebepaling werden er inmiddels ook concurrerende systemen ontwikkeld (zie kader ‘GPS-concurrenten’).
GPS-concurrenten
GPS is weliswaar wereldwijd inzetbaar, maar intussen heeft een aantal landen een eigen alternatief ontwikkeld om minder afhankelijk te zijn van deze Amerikaanse technologie. De eerste was Rusland met GLONASS, dat al in 1982 een aantal experimenten opzette. Na enkele jaren geraakte het systeem in verval, maar het werd naderhand weer opgepoetst en is sinds 2014 weer helemaal operationeel. Net als bij GPS worden ook hier twee codetypes op de draaggolven gemoduleerd: SPS (Standard Positioning Service) en PPS (Precise Positioning Service). Deze laatste is alleen bedoeld voor militair gebruik.
China volgde vanaf 2000 met het Beidou-systeem. Bij de eerste versie bleef het dekkingsgebied beperkt tot de regio waar de satellieten zichtbaar waren, maar Beidou-2 (ook wel Compass genoemd) is inmiddels uitgegroeid tot een GNSS (Global Navigation Satellite System).
Uiteindelijk volgde ook de Europese Unie met Galileo, dat een geheel civiel project is. De eerste satelliet werd in 2011 gelanceerd en in 2018 waren er al 26 kunstmanen in de ruimte. Inmiddels is Galileo zo’n vijf jaar operationeel. Galileo werkt overigens nauwkeuriger dan (de civiele toepassingen van) GPS: tot 1 meter voor alle gebruikers (versus 4 meter bij GPS) en tot 20 cm voor commerciële toepassingen.
Het officiële logo Galileo, het Europese plaatsbepalingssysteem via satelliet.
WGS 84
GPS-coördinaten zijn doorgaans gebaseerd op het systeem WGS 84, wat staat voor World Geodetic System. Geodesie is de wetenschap die zich bezighoudt met de bepaling van de vorm en afmetingen van de aarde. WGS 84 is een standaard die reeds vanaf 1960 werd ontwikkeld door het Amerikaanse ministerie van Defensie. De huidige standaard dateert van 1984, maar kreeg wel nog een herziening in 2014.
Zo’n geodetisch systeem beschrijft de relatie tussen de aarde en een specifiek coördinatensysteem. Dit is minder evident dan het lijkt, omdat de vorm van de aarde, een zogenoemde geoïde, niet exact wiskundig uit te drukken is. Daarom gaat WGS 84, net als de meeste andere systemen, uit van een referentie-ellipsoïde, die wel mathematisch uit te drukken valt. De relatie tussen deze ellipsoïde en de geoïde wordt via parameters uitgedrukt, waaronder de grootte (straal) en vorm (afplatting) evenals de positionering, schaalfactor en ligging van de ellipsoïde ten opzichte van de aarde.
Ook WGS maakt gebruik van een referentie-ellipsoïde voor de weergave van posities op de aarde (afbeelding: Commonwealth of Australia, Intergovernmental Committee on Surveying & Mapping, CC BY 4.0,).
GPS-coördinaten
De isolijnen van de berekende coördinaten op basis van WGS 84 vormen een denkbeeldig net, met zowel noord-zuidlijnen (meridianen) die van pool tot pool lopen, als oost-westlijnen (breedtecirkels oftewel parallellen) die evenwijdig zijn met de evenaar.
Wel is het zo dat GPS-coördinaten in verschillende notaties kunnen worden uitgedrukt, waaronder in decimalen (DD.dddddd°); in graden, minuten en decimale minuten (DD° MM.mmm’); en in graden, minuten, seconden en honderdsten van seconden (DD° MM’ SS.ss’’). Om slechts één voorbeeld te geven: als je Google Maps opent en met rechts klikt op een locatie in je browser of die wat langer ingedrukt houdt in de app, dan verschijnt een notatie in decimale graden, bijvoorbeeld 52.372230, 4.652046.
Er zijn trouwens ook diverse converters beschikbaar, zowel via apps als online (bijvoorbeeld https://geo.javawa.nl, klik op Zoeken op adres of coördinaten). En bij heel wat GPS-toestellen kun je ook zelf de notatie instellen.
Er zijn verschillende (online) conversietools voor GPS-coördinaten, zoals javawa.nl.
Geotagging
Smartphones leggen automatisch de GPS-coördinaten vast in fotobestanden (tenzij je dat om bijvoorbeeld privacyredenen hebt uitgeschakeld): het zogeheten geotaggen. Dit werkt heel handig in bijvoorbeeld de app Google Foto’s: wanneer je hier Zoeken selecteert en bij Locaties op Je kaart tikt, krijg je automatisch alle foto’s te zien van de geselecteerde kaartregio. Het vastleggen van deze coördinaten gebeurt in de vorm van EXIF-data, waarin ook allerlei cameragegevens kunnen worden opgeslagen, zoals belichtingstijd, brandpuntsafstand en ISO-snelheid.
Op een Windows-pc kun je vanuit Verkenner eenvoudig nagaan of er GPS-coördinaten aan een foto zijn toegevoegd. Klik met rechts op het fotobestand, kies Eigenschappen en open het tabblad Details. Als het goed, is zie je hier bij GPS zowel Hoogte als de Breedtegraad en Lengtegraad (in de notatie DD° MM’ SS.ss”).
Nog handiger voor het analyseren van (GPS-)metadata is de gratis tool XnView MP (beschikbaar voor Windows, macOS en Linux). De miniatuurweergaven krijgen hier automatisch de indicatie GPS wanneer er geografische coördinaten zijn opgenomen. Die vind je dan terug in het Info-venster, op de tabbladen EXIF en ExifTool. Open het tabblad GPS als je op een Google Maps-kaart wilt zien waar de foto precies genomen is. XnView toont trouwens ook andere bekende metadata-types, namelijk IPTC en XMP. Sommige camera’s kunnen in XMP bijvoorbeeld ook een azimut-waarde opslaan (een van de coördinaten uit het horizon-coördinatenstelsel), wat handig kan zijn bij panoramafoto’s.
XnView MP toont je de GPS-coördinaten en zet die meteen uit op een kaart.
Aanpassing
In XnView kun je metadata als GPS-coördinaten niet alleen opvragen, maar ook toevoegen of wijzigen. Dat doe je vanuit het menu Hulpmiddelen / Metadata / GPS-gegevens bewerken. Hier kun je dan handmatig de nieuwe coördinaten in twee verschillende notaties invullen of aanpassen. Ook de hoogte is aanpasbaar. Je kunt deze waarden via knoppen ook in één keer naar het Windows-klembord kopiëren en plakken. Heb je meerdere foto’s geselecteerd, dan kun je via de pijlknoppen snel navigeren tussen deze foto’s. Je legt je aanpassingen vast met Schrijven of met Alles schrijven indien je dezelfde GPS-data op de hele fotoselectie wilt toepassen.
In het menu Hulpmiddelen vind je verder nog de optie GPS locatie openen in Google Earth, zodat Google Earth een kaartmarkering zet op de plaats waar de foto is genomen. De optie GPS locatie openen in GeoHack opent weliswaar de site https://geohack.toolforge.org, met links naar diverse online kaartservices, maar helaas worden de GPS-coördinaten niet correct doorgegeven.
Je kunt dezelfde GPS-coördinaten in één keer naar meerdere geselecteerde foto’s wegschrijven.
GeoSetter
Een gratis tool die nagenoeg helemaal draait rond GPS-coördinaten, maar tevens overweg kan met andere EXIF-data en IPTC/XMP, is GeoSetter. Bij de eerste opstart verschijnt automatisch het venster Instellingen waar je op het tabblad Bestand opties onder meer kunt instellen of aanpassingen moeten worden bewaard in (de metadata van) het fotobestand zelf, dan wel in een XMP-sidecar-bestand zodat het originele bestand ongewijzigd blijft. GeoSetter kan trouwens ook met heel wat raw-formaten overweg.
Om foto’s te geotaggen, selecteer je een of meer foto’s en verschuif je het Google Maps-kaartje tot op de fotolocatie. Klik op deze plek en vervolgens op de pin Verbind markering aan de geselecteerde foto’s. Je legt de aanpassingen definitief vast met het diskette-icoontje.
Een andere manier is door met rechts op je foto(selectie) te klikken en Bewerk gegevens te kiezen. Op het tabblad Locatie kun je de GPS-coördinaten en hoogte invullen of wijzigen. GPS-data weghalen, doe je met Remove all location data. Batchbewerkingen zijn mogelijk met Stel huidige waarden in voor alle geselecteerde foto’s. Of je kiest Opslaan als sjabloon, je duidt (alleen) de locatiegegevens aan en je legt de waarden vast in een sjabloon, dat je altijd weer kunt oproepen met Laden uit sjabloon om zo snel ook andere foto’s te geotaggen.
Gaat het om meerdere foto’s van dezelfde route, dan kun je die via Bestand / Exporteer to GPX Track File als trackbestand bewaren en bijvoorbeeld uploaden naar een handheld GPS-toestel.
Je plaatst de markering op de kaart en je koppelt die aan de gewenste foto’s.
Tracks
Stel, je neemt foto’s met een camera die niet van een GPS-module is voorzien, maar je beschikt wel over een handheld GPS-apparaat dat tracks kan bijhouden (zoals Garmin-modellen). Activeer dan de trackfunctie en stem bij voorkeur de klok van de GPS en de camera op elkaar af. Na afloop upload je de foto’s en het trackbestand naar je pc.
In GeoSetter ga je vervolgens naar Beeld / Tracks. Open rechtsonder het map-icoontje en navigeer naar het trackbestand. GeoSetter kan met diverse trackformaten overweg, waaronder uiteraard ook GPX. Als het goed is, wordt de track op de kaart uitgezet en krijg je via het icoon Toon lijst van track punten een overzicht van alle punten inclusief GPS-coördinaten op je track te zien.
Open vervolgens de map met foto’s, selecteer de foto’s en kies Bewerk / Synchroniseer met GPS gegevens bestanden. In het dialoogvenster kies je dan Synchroniseer met zichtbare tracks. Je vindt hier tevens enkele opties om het tijdstip van de foto’s aan je tracklog aan te passen, mocht dat nodig zijn.
Je kunt je foto’s, inclusief de track, ook naar Google Earth overbrengen. Ga hiervoor naar Bewerk / Exporteer naar Google Earth. Duid de gewenste opties aan, zoals Inclusief tracks. Druk op OK om het KMZ-bestand op te slaan.
Geen ingebouwde GPS? Koppel je foto’s dan aan een trackbestand via een handheld GPS.
Windows Locatieservices
GPS mag dan de belangrijkste techniek zijn voor locatiebepaling, het is niet de enige. Zo kan Windows een combinatie gebruiken van GPS, zendmasten, IP-adres, de zogenoemde standaardlocatie en draadloze toegangspunten. Wil je dit laatste niet, dan moet je je wifi-netwerk op basis van het MAC-adres van je draadloze toegangspunt afmelden via https://kwikr.nl/lsoptout.
Met ingeschakelde Windows-locatieservices zend je computer locatiegegevens naar Microsoft, weliswaar geanonimiseerd, zodat ze niet aan een specifiek apparaat gekoppeld kunnen worden. Wel deelt Microsoft deze data met partners als HERE en Skyhook. Ook kunnen allerlei apps en services technologieën als bluetooth, wifi en mobiele modem inzetten voor locatiebepaling (zelfs als dergelijke functies zijn uitgeschakeld).
Je kunt de locatiebepaling globaal, maar ook per app, in- of uitschakelen via Instellingen / Privacy & beveiliging / Locatie. Desktopprogramma’s die je zelf downloadt en installeert, verschijnen echter niet in dit overzicht en vragen evenmin om je toestemming voor de locatiebepaling.
Je vindt hier tevens een optie om de standaardlocatie van je systeem (op een kaart) te bepalen voor de momenten waarop je locatie niet nauwkeurig kan worden vastgesteld. Houd er eveneens rekening mee dat Windows je locatiegeschiedenis 24 uur bijhoudt. Je kunt die altijd wel verwijderen via de knop Wissen, maar ben je aangemeld met een Microsoft-account, dan wordt deze geschiedenis tevens in de cloud bewaard. Die kun je dan verwijderen via https://account.microsoft.com/privacy, bij Locatieactiviteit.
Google Earth
De extensie .kmz staat voor Keyhole Markup language Zipped (KMZ) en is een gecomprimeerde versie van KML, een variant van het GPX-formaat (zie ook de volgende paragraaf). Zo’n bestand kun je bijvoorbeeld met 7-Zip uitpakken, waarna je zowel het XML-bestand als de fotobestanden te zien krijgt.
Heb je het programma Google Earth Pro geïnstalleerd (beschikbaar voor Windows en macOS), dan worden na een dubbelklik de locaties met foto’s op een kaart getoond. Je kunt zo’n KMZ- of KML-bestand ook uploaden naar de webapplicatie op https://earth.google.com. Klik hier links op Projecten / Openen / KML-bestand importeren vanaf computer en verwijs naar het bestand. De diverse onderdelen van je bestand zijn nu ook bereikbaar vanuit het linkervenster.
De desktopversie heeft wel enkele leuke extra’s. Zo kun je je track met foto’s in de vorm van een geanimeerde tour bekijken. Selecteer je track in de rubriek Plaatsen, bij Tijdelijke plaatsen en klik op het mapicoon met pijltje (rechtsonder Plaatsen) om de tour te starten.
Die tour kun je desgewenst ook naar een videobestand omzetten. Zorg dat het besturingspaneel van je tour is afgesloten en kies Extra / Movie Maker. In het dialoogvenster kun je de uitvoer nu met allerlei parameters bijstellen, waaronder bestandstype, resolutie en framerate. Via de optie Custom kun je zelfs 3840 × 2160 pixels met 60 fps instellen. Bevestig met Film maken.
Upload je eigen KMZ-bestanden (met foto’s en track) naar Google Earth.
GPX-formaat
Wanneer je ook buiten Google Earth creatief met tracks en routes aan de slag wilt, kun je moeilijk om het GPX-formaat heen. GPX staat voor GPS Exchange Format en is een open XML-schema, ontworpen voor het opslaan van GPS-data. Het wordt door tal van apps, services en handheld GPS-apparaten gebruikt. Wanneer je zo’n GPX-bestand bekijkt, bijvoorbeeld met je browser, dan zie je typische mark-up-tags zoals <wpt>, <trk> en <rte>. Die staan respectievelijk voor waypoint (met WGS84-coördinaten), track en route. Conceptueel zijn routes suggesties voor een te volgen traject, terwijl tracks de opgeslagen locaties zijn die daadwerkelijk werden gevolgd.
Op heel wat wandel- en fietssites kun je vaak gratis GPX-bestanden downloaden, bijvoorbeeld na een gratis registratie op www.route.nl, met naar eigen zeggen zo’n 135.000 wandel- en fietsroutes. Je kunt natuurlijk ook GPX-tracks uit je handheld GPS-apparaat ophalen en die met anderen uitwisselen. Bij de meeste Garmin-toestellen hoef je die alleen met een usb-kabel met je pc te verbinden, waarna je automatisch toegang hebt tot de GPX-bestanden, doorgaans in de map \Garmin\GPX. Je actuele route bevindt zich normaliter in de submap \Current. Of je stelt je eigen routes samen, bijvoorbeeld vanuit Google Maps.
Het GPX-formaat is een op XML-gebaseerde standaard opmaaktaal voor geografische data
Google Maps
Ga in Google Maps naar https://mymaps.google.com en klik op +Nieuwe kaart maken. Klik linksboven bij Naamloze laag op Importeren en verwijs naar je GPX-bestand. Als het goed is, zet Google Maps nu de punten en route uit op de kaart.
Je kunt de route vervolgens delen of je kiest bijvoorbeeld via het menu de optie Exporteren naar KML/KMZ. Met de knopjes in de werkbalk bovenaan is het ook mogelijk je eigen routes te maken en ook die te delen of te exporteren.
Ook in Google Earth Pro kun je GPX-bestanden importeren, via Bestand / Openen, waarna je in het uitklapmenu bij Bestandnaam de optie Gps (*.gpx *.loc […]) kiest.
Verder bestaan er ook diverse online converters, zoals het zeer flexibele MyGeodata Cloud waar je kunt kiezen uit honderden geografische dataformaten, zowel vector als raster. De app ondersteunt bovendien diverse coördinatenreferentiesystemen, waaronder uiteraard WGS 84.
