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GPSとは?
GPSとは

GPSとは?

全地球測位システム(GPS)は、24機以上の衛星で構成されたナビゲーションシステムです。GPSは、いかなる気象条件下においても世界中のあらゆる場所で24時間常に動作しており、使用料やセットアップ費用が不要です。米国国防省(USDOD)は当初、軍事利用を目的として衛星を軌道に乗せましたが、1980年代には民間で利用できるようになりました。

GPSの仕組み

GPS衛星は1日に2回、地球を精密な軌道で周回します。各々の衛星から独自の信号と軌道パラメータが送信されます。GPSデバイスはこれを利用して、衛星の位置を算出します。GPSデバイスは、この情報を使い三角測量でユーザの位置を算出します。原則として、GPSデバイスは送信信号の受信に要した時間から、各々の衛星までの距離を測定します。さらにいくつかの衛星からも測定した距離を得ることで、受信機はユーザーの位置を特定して電子的に表示し、ランニングルートの距離の計測ゴルフコースのマッピング自宅へのルートあらゆる場所に向かうためのルートを検索することができます。

GPSの仕組み

あなたの2D位置(緯度と経度)を計算して位置を特定するにあたり、GPSデバイスは少なくとも3機の衛星からの信号を受信する必要があります。4機またはそれ以上の衛星が受信できれば、あなたの3D位置(緯度、経度、高度)を特定することができます。通常GPSデバイスは8機以上の衛星を捕捉しますが、これは時間帯や地球上のどこにいるのかによって変わってきます。デバイスの中には、手首で全ての操作を行うことができるものもあります。

あなたの位置が特定された後、GPSデバイスは次のような情報を算出することができます:

  • スピード
  • 方位
  • トラック
  • トリップ距離
  • 目的地までの距離
  • 日の出/日没
  • その他

GPSの精度は?

並列マルチチャンネル設計の効果により、今日のGPSデバイスはとても正確です。当社のデバイスは、電源の初期投入時であっても素早く衛星を捕捉します。密集した木に覆われた樹林帯や、高層ビルが建ち並ぶ都市部でも測位を維持します。一部の電離層やその他の誤差要因が、GPSデバイスの精度に影響を与えることがありますが、通常、当社のGPSデバイスは、10メートル以内の精度を保ちます。水上では更に精度が向上します。

当社の一部GPSデバイスでは、広域補強システム(WAAS:Wide Area Augmentation System)を採用することで精度が向上することがあります。この機能は、電離層の影響等を補正することで誤差を3メートル以内に向上させることができます。WAAS衛星を利用するにあたり、追加の設備や費用は必要ありません。

その他のGPSシステム

世界には他にもGPSに類似したシステムがあり、それらすべてがグローバルナビゲーション衛星システム(GNSS:Global Navigation Satellite System)として分類されています。GLONASSは、ロシアが打ち上げた衛星システムです。欧州宇宙機関(EPA:European Space Agency)はGalileoを打ち上げ、中国はBeiDouを打ち上げています。ほとんどのGarmin受信機はGLONASSとGPSの両方に対応しており、BeiDouに対応したものもあります。捕捉する衛星が多いほど、より信頼性の高いソリューションが期待できます。新たなGarmin製品では、20機近くを捕捉できる可能性があります。

GPS衛星システム

現在GPSスペースセグメントを構成している31基の衛星は、地球上から約12,000マイル上空を周回しています。これらの衛星は絶えず動いており、24時間以内に完全な軌道を2周しています。1時間あたりおよそ7,000マイルの速度で移動しています。小型打ち上げロケットが、各衛星による正しい軌道上での飛行を維持しています。

GPS衛星に関するその他の興味深い情報をいくつかご紹介します:

  • GPSの公式USDOD名はNAVSTARです。
  • 最初のGPS衛星は1978年に打ち上げられました。
  • 1994年には24機の衛星で構成された完全な運用が実現されました。
  • 各衛星は約10年間稼働するように設計されています。交換用の衛星が適宜追加されるために軌道へ打ち上げられています。
  • GPS衛星の重量は約2,000ポンド(907キログラム)で、太陽電池パネルを伸ばすと約17フィート(5.18メートル)になります。
  • GPS衛星の動力源は太陽エネルギーですが、日食に備えてバックアップ用のバッテリーが搭載されています。
  • 送信機電力はわずか50ワット以下です。

信号とは?

GPS衛星は、少なくとも2種類の低電力無線信号を送信します。信号は見通し線を進みます。つまり、雲やガラス、プラスチックなどは通過しますが、建物や山などの非常に固い物質は通過しません。 しかしながら、近年の受信機はより感度が高くなっており、通常は家(木造)の中であっても捕捉する事が可能です。

GPS信号には異なる3種類の情報が含まれています:

  • 疑似ランダム符号は、情報を送信している衛星を識別するIDコードです。デバイスの衛星ページに、信号の受信元の衛星番号が表示されます。
  • エフェメリスデータは、衛星の位置を断定し、衛星の調子や現在の日時に関する重要な情報を提供するために必要な情報です。
  • アルマナックデータは、一日を通してGPSデバイスに各GPS衛星がいるであろう位置を伝え、当該の衛星とシステム内の他のすべての衛星の軌道情報を表示します。

GPS信号の誤差原因

GPS信号とその精度に影響を与える可能性のある要因には以下があります:

  • 電離層と対流層の遅延:大気を通り抜けるにつれ、衛星信号が遅れます。GPSデバイスは、補正ロジックを使用してこのタイプのエラーを部分的に修正します。
  • 信号マルチパス:GPS信号は、受信機に到達する前に高層ビルや大きな岩の表面などの物体に反射することがあり、これにより信号の到達時間が長くなり、誤差が発生します。
  • 受信機側時計の誤差:受信機の内蔵時計はGPS衛星の原子時計よりも精度が低いため、わずかなタイミングのずれで誤差が発生することがあります。
  • 軌道誤差:衛星から送信された位置情報が正確でない可能性があります。
  • 捕捉衛星の数:GPSデバイスは「捕捉」する衛星の数が多いほど、精度が向上します。信号をロストすると、誤差が拡大したり測位が出来なく可能性があります。通常、GPSデバイスは水中や地下では機能しませんが、新しい高感度受信機では建物の中や木に覆われている場所でも、信号を受信できる場合があります。
  • 衛星の配置/陰影:衛星は一か所に固まって配置されるよりも、面的な広がりをもって配置されている方が精度アップします。
  • 利用者の選択:一時期、米国防総省は利用者の選択(SA:Selective Availability)を採用し、「敵」が精度の高いGPS信号を利用できないようにするため、信号の精度を低下させていました。政府は2000年5月にSAを無効にしたため、民間で使用するGPSデバイスの精度が向上しました。