技術のキホン

3分でわかる技術の超キホン 衛星測位システムの種類・方式(GPSなどの基礎知識)

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衛星測位システムの基礎知識を解説(GPS)

今回は「衛星測位システム」を話題に取り上げたいと思います。

皆さんは、日頃スマートフォンなどの携帯端末やカーナビゲーションの車載機器などの使用の際に、「GPS」(Global Positioning System, 全地球測位システム)という言葉をお聞きになっているかと思います。このGPSも衛星測位システムの一つのシステム例です。

このような位置を知らせてくれる機能の活用は、既に私たちの身の回りに浸透していますが、この技術が一体どのような仕組みなのかについて簡単にご紹介します。

1.衛星測位システムとは?

衛星測位システムとは、一般的にGNSSGlobal Navigation Satellite System)と言われており、「全地球測位衛星システム」とも言われます。
複数の衛星より受信する時間情報を含む位置を計測するための情報を利用して、地上において現在の位置を測位するシステムです。

世界の国々に目を向けると、米国がGPS欧州がGalileo(ガリレオ)、中国がBeiDou(北斗)、インドがNAVICロシアではGLONASSなどを開発し、運用されています。

日本においては、当初GPSのみを利用しておりましたが、最近ではこれを補う形でQZSS(Quasi-Zenith Satellite System 準天頂衛星システム みちびき)が加えられて運用中です。GPS互換の受信機であるQZSSが加わることで位置精度が向上しました。

また、これらのGNSS開発の発端は、航空機や船舶の誘導など主に軍事目的で整備されてきましたが、現在は民生用の携帯端末・車載機器をはじめ、国内建機大手では建設機械の車両位置管理システムなどを構築するなどIoTに向け用途がさらに拡がっています。
 

2.衛星測位システムの種類・方式

この衛星測位システムの測位方式には、大きく分けて単独測位相対測位の2種類があります。

(1)単独測位

単独測位は、少なくとも4個以上の衛星から送信された信号を、測位を行いたい地点に受信機を設置して測位を行う方法です。
3個の衛星より時間情報を含む信号を受信して、各衛星からの距離を算出してX,Y,Zの三次元位置情報で地点の計測を行います。その際に、受信機内の水晶時計の精度が衛星内の原子時計より劣るため、もう一つの衛星は時間の誤差補正のために使用されます。また、コードとして民間用のC/Aコードが使用されます。

用途としては、船舶や飛行機それにカーナビゲーションシステムなどで使用され、計測精度は誤差10m~20mが発生すると見込まれます。
 

(2)相対測位

相対測位には、大別してDGPS干渉測位に分けられます。

「DGPS」は、少なくとも4個以上の衛星より送信された信号を、測位を行いたい測定地点と基準となる固定地点の2地点以上で受信し、それぞれの地点が単独測位の手法で計測を行った後、2地点間の誤差を消去する計測方法です。固定地点からの誤差情報を移動地点で受信してリアルタイムに補正を行うことで精度向上を図ります。

「干渉測位」は、受信機と衛星の距離を、搬送波の波数と位相差により求めて受信機の相対位置を決定するものです。

用途としては単独測位と同様に船舶や飛行機、カーナビゲーション、ドローンなどで精度を向上して誘導することに使用され、計測精度としては誤差1㎝~5m程度の発生が見込まれます。

相対測位
【図1 相対測位】

 

3.みちびき(準天頂衛星:QZSS)とは?

日本で運用されている準天頂衛星「みちびき」は、最初の衛星が2010年に打ち上げられ、その後2018年度に4機の体制で運用されています。今後2023年度から2024年度にかけて7機体制となる予定です。

測位上で誤差が発生する要因には、電離圏における電波遅延の問題が大きく占めています。
この誤差解決のために、周波数による遅延の違いを利用して複数の周波数を利用しています。
QZSSやGPSでは、L1C/A信号とL2C信号やL5信号を組み合わせて誤差改善に利用しています。

用途としては前に挙げたもの以外に、測量や防災など広範囲の目的に活用することが求められています。
 

4.海外の衛星測位システム比較

海外の衛星測位システムに関しては、上記1.でも少し触れましたが、以下のような報告がなされています。

GNN方式比較
【表1 GNSS方式比較】

因みに、Galileoは2019年現在26機が打ち上げられており、22機運用中で2021年に残り4機を打ち上げ予定です。また、BeiDou(北斗)は2020年に30機体制が整ったと言われています。
 

5.さらなる高精度へ!技術・サービスの進化に注目

ということで今回は、「GPS」という言葉で知られている衛星測位システムを取り上げました。

相対測位について詳しく記載しませんでしたが、最近では、ソフトバンクやNTTドコモが高精度測位システムを提案しています。
両社は、国土地理院のGNSS連続観測点である電子基準点1300局と独自の基準点を加えて、測位用システムとして位置補正情報配信用のサーバーを構築しモバイル網で補正情報を移動受信機に送り、測位精度を数cmまで向上させるIoTサービスを提案しています。

今後もこのようなサービスの提案が多数なされていくことも予想され、利用の多様化や相互のサービス接続も含め標準化との絡みでどのように変化するか注目されます。

 

(日本アイアール株式会社 特許調査部 T・T)
 

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