Nieuwe vorm van gps: plaats bepaling via 5G-masten

Janssen bevestigt één van de referentiepunten, waarmee de locatie van de testauto exact wordt bepaald. Hiermee wordt de locatie die superGPS aangeeft vervolgens vergeleken. Het witte hoedje op de foto is de SuperGPS-ontvanger. (Foto: Justyna Botor).

Het is een bekend probleem: soms wijkt je locatie op je telefoon een paar meter af van de plek waar je daadwerkelijk bent, vooral in drukke stedelijke gebieden. Gevaarlijk wordt het wanneer zelfrijdende auto’s op de verkeerde plaats rijden door een verstoord gps-signaal, zegt Christian Tiberius. Hij doet als universitair hoofddocent geoscience and remote sensing aan bij Civiele Techniek en Geowetenschappen onderzoek naar global positioning system (gps). “Als die locatie er een paar meter naast zit, dan krijg je linke dingen. Auto’s die denken dat ze op een andere rijstrook rijden en zichzelf ten onrechte corrigeren, bijvoorbeeld.”

Samen met Gerard Janssen, universitair hoofddocent circuits and systems bij de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica en VU-docent en natuurkundige Jeroen Koelemeij, onderzoekt Tiberius een alternatief voor het huidige systeem: SuperGPS. Het systeem werkt met een signaal vergelijkbaar met dat van 5G-masten, bekend van het mobiele internet op de telefoon. Daardoor is de plaatsbepaling nauwkeuriger: een afwijking van tot wel twintig meter bij gewone gps, wordt gereduceerd tot enkele decimeters.

Reflecties
De onnauwkeurigheid van standaard gps heeft een aantal oorzaken. Zoals reflecties, zegt Tiberius. “Een signaal dat van een satelliet naar je telefoon gaat, botst tegen beton en glas. Daardoor kaatst het terug.” Het signaal is daarom langer onderweg dan normaal het geval is. Omdat uit de reistijd van het signaal de afstand van satelliet tot telefoon wordt berekend, gaat het dus mis. Het gevolg: je locatie klopt niet.

Janssen bevestigt een van de referentiepunten waarmee de locatie van de testauto exact wordt bepaald. Hiermee wordt de locatie die SuperGPS aangeeft vervolgens vergeleken. Het witte hoedje op de foto is de SuperGPS-ontvanger. (Foto: Justyna Botor).

Eén van de plekken waar je dit merkt, is op de Utrechtsebaan in Den Haag, zegt Tiberius. “Die weg ligt verdiept, in een betonnen bak. Dat is een echoput voor gps-signalen.” Een ander voorbeeld is het Weena in Rotterdam, ook een verdiepte weg. “Daar heb ik recent metingen gedaan”, zegt Tiberius. “Terwijl ik netjes rechtdoor reed, verschoof mijn locatie ineens twee rijstroken.”

 

Ook de signalen van 5G-masten kennen reflecties. Toch zorgt het bij de nieuwe 5G-signalen voor minder problemen. Dat komt doordat de gereflecteerde signalen er makkelijker uit te filteren zijn, zegt collega Gerard Janssen. “Reflecties zijn een probleem wanneer het signaal met een gereflecteerde versie van ditzelfde signaal overlapt. Je telefoon kan de ene piek dan niet meer van de andere scheiden, en schat de afstand verkeerd in.” Dat gebeurt vooral wanneer een signaal lang aanhoudt, zoals bij satelliet-gps. Doordat het 5G-signaal korter is, wordt de kans op een overlappend signaal en dus een verkeerde locatie een stuk kleiner.

Atoomklok
Voor nauwkeurige locatiebepaling is van belang dat de verschillende masten qua tijd precies in de pas lopen. Een kleine afwijking kan ervoor zorgen dat de afstand tot de mast fout wordt berekend, waardoor opnieuw de locatie niet klopt. Omdat het signaal vanaf de mast naar de ontvanger met de lichtsnelheid reist, levert een vertraging van een nanoseconde hier een fout in de locatie van 30 centimeter op.

“De tijd wordt daarom bijgehouden met behulp van een atoomklok”, aldus Tiberius. “Die staat op grote afstand, maar het signaal wordt via glasvezelkabels naar de masten gestuurd.” Dat is betrouwbaarder dan het verzenden van de tijd via radiosignalen, zoals bij de satellieten gebeurt. Het grote voordeel: de glasvezelkabels naar de 5G-masten liggen er al.

Hacken
Daarnaast is het signaal van 5G-masten sterker dan dat van satellieten. Masten staan op veel kortere afstand en zenden hun signaal vanaf het aardoppervlak uit, zegt Tiberius. ‘’Satellieten zitten juist duizenden kilometers van ons af. Zij hebben af en toe last van zonnestormen: geladen deeltjes afkomstig van de zon. Die deeltjes komen soms terecht in de ionosfeer, op een paar honderd kilometer boven het aardoppervlak, waar ze het gps-signaal verstoren.”

De data worden in de testauto uitgelezen door postdoc Cherif Diouf (links) en promovendus Han Dun (rechts). (Foto: Christian Tiberius).

Het 5G-signaal is complexer dan het satellietsignaal en is daardoor moeilijker na te bootsen en te hacken. Dat het hacken van gps-signalen een reëel risico is, bewijst een filmpje dat Tiberius laat zien. Door het onderscheppen en aanpassen van het satellietsignaal, kan een Tesla worden ‘wijsgemaakt’ dat hij niet op een polderweg, maar op de naastgelegen snelweg rijdt. Het gevolg: de auto denkt harder te mogen rijden, en houdt bij het inhalen alleen rekening met auto’s die van achteren komen, en niet met eventuele tegenliggers.

 

Het klinkt misschien als sciencefiction, maar deze vorm van auto’s hacken kan echt, denkt Tiberius. “Als jij een paar duizend euro investeert in een radiosysteem, en een er een paar briljante studenten op zet, dan moet dat lukken. Al is het natuurlijk niet legaal.”

Baanbrekend
Het gps-onderzoek is zo baanbrekend dat het een publicatie in Nature opleverde. Collega-onderzoekers van de Universiteit Göteborg in Zweden reageerden enthousiast. Het enthousiasme heeft onder andere te maken met de relatief eenvoudige toepasbaarheid. “5G-masten staan er al”, zegt Janssen. “En je kunt makkelijk meeliften met het signaal dat mobiele providers uitzenden. Een deel van de geschikte signalen worden zelfs al uitgezonden.”

Hoe het uiteindelijke signaal er precies gaat uitzien, is onderdeel van een tweede onderzoek dat in 2023 van start gaat. “Het signaal mag niet overlappen met de mobiele gegevens die de masten nu al uitzenden”, zegt Tiberius. “Daarom kunnen we niet de hele bandbreedte van de mast gebruiken.”

Zwarte magie
Dat hoeft ook niet. “Ook als we een paar kleine stukjes van de heel brede band gebruiken, hebben we nauwelijks verlies van nauwkeurigheid van de gps”, zegt Tiberius. “En we zitten de providers niet in de weg.” Hoe dat precies werkt, is een beetje zwarte magie, lacht hij. “Het is best ingewikkeld. Maar je kunt het zo zien: als je maar 2 procent van de hele bandbreedte gebruikt, dan haal je toch nog 98 procent nauwkeurigheid. Dat is ruim voldoende.”

Toepassingen voor een extreem nauwkeurige plaatsbepalingssysteem zijn er genoeg. Niet alleen kunnen zelfrijdende auto’s een stuk veiliger worden, ook bezorging van pakketjes door drones is een stap dichterbij. En door de koppeling van de zendmasten met een atoomklok kan je telefoon geldtransacties van een tijdsstempel voorzien, om ze te beveiligen tegen wijzigingen door criminelen.

Mobiele providers hebben interesse, zegt Tiberius. “KPN heeft twee patenten van ons overgenomen om verder te ontwikkelen. En ze werken mee aan ons vervolgonderzoek.”