De sterrenhemel als GPS

Meer dan twee eeuwen geleden was het al mogelijk om je positie op aarde zeer nauwkeurig te bepalen met behulp van satellieten.

De mens navigeert al duizenden jaren over de aardbol met behulp van satellieten. Alleen waren dat tot in de helft van de twintigste eeuw geen GPS-kunstmanen, maar sterren. We weten ondertussen dat de zon en de sterren niet rond de aarde draaien (en dus geen satellieten van de aarde zijn), maar sterrennavigatie is gebaseerd op een precopernicaans wereldbeeld. Hoe ouderwets dat ook klinkt, het systeem werd in de loop van de geschiedenis zodanig geperfectioneerd dat het in de tweede helft van de achttiende eeuw bijna even accuraat werd als het huidige GPS-systeem. Bovendien was het veel robuuster. (Foto sextant: © Peter Ifland)

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Satellietnavigatie rukt op. Door GPS gestuurde navigatietoestellen zijn op een decennium tijd een onmisbaar instrument geworden in auto’s, en de technologie is nu begonnen aan de verovering van de mobiele telefoon. Satellieten sturen ook de navigatie van schepen, treinen, vliegtuigen, ruimteschepen, onderzeeërs, tanks en (daar werd het systeem oorspronkelijk voor ontworpen) bommen.

Hoe essentieel satellietnavigatie vandaag ook lijkt, het dertigtal satellieten van het door de Amerikanen gecontroleerde GPS-netwerk werd pas tussen 1989 en 1994 de ruimte in geschoten. Ook Rusland beschikt over een eigen navigatiesysteem (dat evenwel op apegapen ligt) en China heeft uibreidingsplannen voor het nu relatief beperkte Beidou-systeem. Europa tracht al jaren voldoende geld bij elkaar te schrapen voor een eigen systeem: Galileo.

Resolutie

Tot 2000 werd het GPS-signaal door de Amerikaanse Defensie opzettelijk gedegradeerd tot een nauwkeurigheid van 100 meter. Sindsdien is het commerciële systeem accuraat tot op een afstand van 10 tot 30 meter (horizontaal) en 20 tot 60 meter (verticaal). De Amerikaanse strijdkrachten hebben nog altijd een betere resolutie tot hun beschikking, nu minder dan 3 meter. In combinatie met andere technieken kan de accuraatheid van het systeem verhoogd worden tot minder dan 1 centimeter. Met de nauwkeurigheid neemt ook het aantal mogelijke toepassingen toe.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

"Met behulp van de sterren en een aantal instrumenten kon eeuwen geleden al een nauwkeurige plaatsbepaling worden bereikt, maar dat vroeg wel vakmanschap en tijd."

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Het GPS-systeem informeert gebruikers in een oogwenk over hun driedimensionale positie op aarde: lengtegraad (de positie ten opzichte van de nulmeridiaan in Greenwich), breedtegraad (de positie ten opzichte van de evenaar) en de hoogte (de positie ten opzichte van de zeespiegel). Botweg gezegd, kan de grootste idioot vandaag zijn positie op aarde bepalen door een druk op een knop. Met behulp van de sterren en een aantal instrumenten kon eeuwen geleden echter al een bijna even nauwkeurige plaatsbepaling worden bereikt, maar dat vroeg wel vakmanschap en tijd.

De mens heeft niet gewacht op GPS om de hele aarde te verkennen. Zeereizen worden al sinds een paar duizend jaar voor het begin van onze tijdrekening ondernomen, en op land ging de mens al veel vroeger aan het zwerven. Navigatie op land is relatief eenvoudig. Een landschap telt meestal vele oriëntatiepunten, zoals bergketens of rivieren, die mondeling of via primitieve kaarten kunnen worden overgeleverd. Maar op zee (of in een uitgestrekte woestijn) zijn die referentiepunten er meestal niet.

Sterrennavigatie

De eerste zeevaarders bleven dicht bij de kust of roeiden en zeilden van eiland naar eiland. Gaandeweg leerden ze gebruik te maken van de verborgen sleutels in meteorologische gegevens, zoals wolken, stromingen, wind en golven. Lang voor de Europese zeevaarders staken de Polynesiërs op die manier al duizenden kilometers oceaan over.

Die kennis werd aangevuld door primitieve navigatietechnieken gebaseerd op de beweging van de zon en andere sterren. Scheepsvaarders noteerden de informatie over natuurelementen en sterrenhemel in scheepsjournalen, zodat hun opvolgers in de loop van de geschiedenis over steeds meer navigatie-informatie beschikten.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

"Het lezen van de sterren bleef tot halverwege de twintigste eeuw de basis van navigatie op zee en in de lucht."

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Navigatie met behulp van de sterren wordt vermeld in de werken van Homerus en Herodotus, in de Bijbel en in de Noorse sagen. Daarmee is het een van de meest succesvolle technologieën die de mens ooit heeft voortgebracht. Het systeem werd sinds het begin van de Europese ontdekkingsreizen steeds verder geperfectioneerd en het bleef tot halverwege de twintigste eeuw de basis van de navigatie op zee en in de lucht. In mindere mate werd het ook op land ingezet. Pas na de Tweede Wereldoorlog werd het verdrongen door radionavigatie en later satellietnavigatie.

Poolshoogte nemen

Om je positie op aarde te bepalen, moet je zowel de lengtegraad (oost-west) als de breedtegraad (noord-zuid) zien te achterhalen. De breedtegraad (de afstand tot de evenaar of de polen) is het eenvoudigst te bepalen: door de hoek van de zon ten opzichte van de horizon te meten. Je kan daar ook andere sterren voor gebruiken, zoals de poolster op het noordelijk halfrond (vandaar de uitdrukking “poolshoogte nemen”). De positie kan vervolgens worden berekend of in een almanak opgezocht.

Er werden doorheen de geschiedenis verschillende instrumenten ontworpen voor het “schieten” van sterren, instrumenten die steeds accurater en praktischer werden: het astrolabium (vanaf de vierde eeuw) het kwadrant (vanaf de dertiende eeuw) de jacobsstaf (zeventiende eeuw), het octant en de sextant (beide in de achttiende eeuw).

Sextant

Het sextant is (afhankelijk van de kwaliteit van het instrument en de ervaring van de waarnemer) nauwkeurig tot op 100 tot 200 meter en wordt ook vandaag nog verkocht. Het instrument is daarmee even accuraat als het commerciële GPS-netwerk in 2000. Er werden ook sextants ontwikkeld voor gebruik op land, onder water (duikboten) en in de lucht (luchtballonnen en later vliegtuigen en zelfs de eerste ruimtevlucht). Het sextant beschikte voor al deze toepassingen over een artificiële horizon.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

"Om de lengtegraad te achterhalen moet je weten hoe laat het is op de plaats waar je vertrok."

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Het bepalen van de lengtegraad (oost of west ten opzichte van de nulmerdiaan) was eeuwenlang een veel moeilijker klus. Om die te achterhalen moet je immers weten hoe laat het is op je plaats waar je vertrok (omdat de aarde om zijn as draait). Vandaag is dat eenvoudig. Je stelt je klok in op de nulmeridiaan in Greenwich en vergelijkt die tijd met de plaatselijke tijd.

De zon draait in 24 uur rond de aarde (in werkelijkheid is het zoals vermeld andersom), wat betekent dat ze zich elk uur 15 graden verplaatst (360 graden gedeeld door 24 uur). Als het op je schip drie uur later is dan in Greenwich, dan ben je dus 45 graden ten westen van de nulmeridiaan. Het probleem was dat er pas nauwkeurige scheepsklokken kwamen in de tweede helft van de achttiende eeuw.

Kompas

De tijd bepalen op het schip was geen probleem: dat kon nauwkeurig met een sextant of een ander instrument gemeten worden. Maar de zeevaarders konden voor de komst van de betrouwbare scheepschronometers onmogelijk weten hoe laat het was op de plaats van vertrek. Daarom maakten ze gebruik van een gegist bestek. Met behulp van een kompas (dat in de westerse wereld sinds de dertiende eeuw in gebruik was) en een scheepslog tekenden ze hun vermoedelijke koers uit vanuit hun vertrekpunt.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

"De snelheid van het schip werd bepaald door een voorwerp overboord te gooien."

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Het kompas gaf de richting aan, met de scheepslog kon de snelheid van de boot berekend worden. Dat gebeurde door een voorwerp over de boeg van het schip te gooien en te noteren hoe lang het duurt eer dat voorwerp (meestal aan houten balk aan een touw) de achtersteven passeert. Met de informatie van het kompas en de scheepslog werd dan de vermoedelijke koers uitgetekend op een kaart. Deze methode werd ook toegepast voor het bepalen van de breedtegraad als de sterrenhemel verstopt zat achter een dik wolkendek – het belangrijkste nadeel van sterrennavigatie.

(map: Atlas Coelestis)

Stroming, wind en kleine onnauwkeurigheden in de metingen konden over langere afstand echter grote afwijkingen opleveren, waardoor nog altijd veel schepen met man en muis vergingen. Wel kon de positie gecorrigeerd worden bij het passeren van een referentiepunt, zoals een eiland, dat vervolgens als nieuw startpunt voor de uitgetekende koers wordt genomen. Een alternatief voor het bepalen van de lengtegraad was de berekening via maantabellen, een methode die voor de komst van de scheepschronometers door astronomen werd uitgedacht. Die metingen vroegen echter meerdere uren tijd, waardoor de informatie altijd gedateerd was.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

"Als de Chinezen op een dag het GPS-systeem uit de hemel schieten, raken alle schepen, vliegtuigen, auto’s, onderzeeërs, rugzaktoeristen en precisiebommen hun weg kwijt."

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

De uitvinding van de scheepschronometer rond 1760 was de ‘missing link’ in het navigatiesysteem. Nu ook de lengtegraad nauwkeurig kon worden bepaald, konden er ook zeer nauwkeurige zeekaarten gemaakt worden, die dan weer meer houvast gaven bij bewolkt weer. Daarbij werd een netwerk van vuurtorens, boeien en lichtschepen uitgebouwd, die de scheepvaart waarschuwden voor gevaarlijke
zandbanken of rotspartijen.

Vuurtorens

De eerste vuurtorens werden al meer dan 2000 jaar geleden gebouwd, maar door het vervangen van open vuren door lampen op het einde van de achttiende eeuw werden ze efficiënter en makkelijker te bedienen. Schepen maakten ook gebruik van gongs, bellen en explosieven om elkaar te waarschuwen in mist – in de helft van de negentiende eeuw werden die technieken vervangen door de misthoorn.

Aan het eind van de negentiende eeuw was mariene navigatie geëvolueerd tot een betrouwbaar systeem, steunend op de kennis van astronomen, wiskundigen, cartografen en instrumentenbouwers. Dat hele systeem werd vervolgens met de komst van radionavigatie en kort daarop satellietnavigatie in sneltreintempo ontmanteld. Vuurtorens en lichtschepen zijn bijna allemaal uit dienst genomen, en alleen oude koppige scheepsvaarders of liefhebbers gebruiken nog een sextant.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

,,Het systeem kon onmogelijk vernietigd worden, omdat het niet centraal werd gecontroleerd. Niemand kan de sterrenhemel uitschakelen."

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Het is nochtans belangrijk dat de kennis niet verloren gaat. GPS heeft navigatie nog een stuk nauwkeuriger en vooral sneller en handiger gemaakt, waardoor er veel nieuwe toepassingen zijn ontstaan.

Maar het niet te onderschatten nadeel is dat we een navigatienetwerk afbouwden dat onmogelijk vernietigd kon worden, omdat het niet centraal werd gecontroleerd. Terwijl we nu vertrouwen op een infrastructuur van een dertigtal satellieten in de ruimte waarvan het beheer in handen is van een aantal specialisten.

Als de Chinezen op een dag het GPS-systeem uit de hemel schieten (en dat zouden ze kunnen), of als er iets mis gaat, raken alle schepen, vliegtuigen, auto’s, onderzeeërs, rugzaktoeristen en precisiebommen hun weg kwijt. Op het gebied van navigatie worden we dan terug gekatapulteerd, niet naar de 18e eeuw, maar naar de oudheid.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Meer hightech uit vervlogen tijden :