衛星測位システム（ＧＰＳ）

衛星測位システムの概要

衛星測位システムの正式名称

現在位置（緯度・経度）を、人工衛星からの電波で測り知るシステムです。
　巷では「ＧＰＳ」といわれていますが、ＧＰＳとは米軍が管理している測位衛星のことであり、他国でも測位衛星をもっているので公式名称ではありません。広く使われていることによるデファクトスタンダードだといえます。
　正式には「衛星測位システム」あるいは「衛星航法システム」といいます。歴史的に天体による位置確認は船舶や航空機などのナビゲーションシステムとして発展してきたからです。

衛星測位システムには、地球全体をカバーする全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ：Global Navigation Satellite System）と一部の地域を対象にする準天頂衛星システム（ＱＺＳＳ：Quasi-zenith satellite system）があります。ＧＰＳはＧＮＳＳの代表例であり、日本の「みちびき」は、日本及びアジア太平洋地域のＱＺＳＳです。

位置測定の大まかな説明

衛星測位システムの構成

　　衛星測位システム
　　　├─衛星システム
　　　│　　├─ スペースセグメント（測位衛星）
　　　│　　└─ コントロールセグメント（地上管制局）
　　　└──── ユーザセグメント（受信機器）

衛星からの時刻による現在位置の測定

測位衛星は、原子時計をもっており正確な時刻を絶えず発信しています（受信機器から衛星に問い合わせるのではありません）。
受信機器が受信したときの受信時刻と衛星からの時刻の差を知れば、それに光速をかけることにより、衛星と現在位置との距離が計算できます。
受信機器と三つの衛星との距離がわかれば、受信機器の位置（緯度・経度・高さ）がわかります。
衛星の時計は正確ですが、受信機器の時計の精度は高くありません。それを第４の衛星からの信号で補正します。
受信機器には、このような計算をする機能が必要です。

地上管制局の役割

地上管理局は、衛星の位置や姿勢、搭載している機器が正しく機能しているかどうかを確認し、状況や計画に応じて、衛星に対して指令電波を送信します。
位置を計算するために必要な情報の元を作り衛星に送ります。
時計精度が悪くなれば補助の時計に切替え、それも悪くなればこの衛星をシステムから除外して他の衛星に切り替えます。

測位衛星の軌道

上述のように、測位には最低４個の測位衛星が必要ですが、電波の直進性から可視衛星（空中の見通せる範囲内の衛星）であり、さらに互いの角度が離れているほうが精度がよくなります。

ＧＮＳＳ測位衛星の軌道

測位衛星は、地上の一点の上にとどまっている静止衛星であるのが理想ですが、それでは赤道上に限定されてしまいます。赤道から傾いた周期１２時間、高度約２万ｋｍの円軌道に最低４個の衛星を等間隔で公転させること、そのような軌道を最低６個設定することが必要だとされ、２４個の衛星で基本となる衛星コンステレーションを形成します。
　実際には、一つの軌道にも予備の衛星が必要ですし、自国の領域を細かくカバーできるように軌道を追加するので、衛星の数は増大しています。

ＱＺＳＳ測位衛星（みちびき）の軌道

「みちびき」は日本が運用している準天頂衛星です。準天頂衛星とは地上からの衛星の位置がほぼ天頂に見えると意味です（静止衛星なら天頂衛星です）。軌道そのものは楕円軌道ですが、地球の自転との関係で、日本とオーストラリアの上空を８の字形に移動する軌道になっています。
　東京付近から一つの衛星を見た場合、仰角７０度以上に８時間、５０度以上に１２時間、２０度以上に１６時間留まります。現在４個（将来７個）の「みちびき」があるので、少なくとも１個は仰角７０度以上にあります。
　天頂近くに衛星があることにより、山やビルの谷間からも見えるので、位置把握困難地域が少なくなる、精度が向上するなどの利点があります。

位置精度を高める工夫

一般的にはＧＰＳでの精度は数ｍといわれています。これでは実用上困ることが多いので、多様な工夫をして精度を高めています。近年では数ｃｍの精度が見えてきました。その代表的な方式にＰＴＫ方式とＰＰＰ方式があります。また日本では、特に「みちびき」の応用が期待されています。

電子基準点

地上の正確な位置を測定したポイントです。日本では国土交通省国土地理院が整備を進めています。これは、衛星の正確な位置、近傍の受信機器の精度の良い位置測定に役立っています。

ＲＴＫ（Real Time Kinematic）

通常のＧＰＳのように、４個の衛星からの情報を受信機器だけで位置測定する（単独測位）のでは、電離層遅延や軌道誤差など様々な誤差がそのまま位置の誤差になってしまいます。それに対して、電子基準点（あるいはそれから派生して設けられた固定局）と受信機器が同時に衛星からの信号を受信したとき、両者の距離が短いならば、同じ影響を受けるので、誤差は相殺されます。双方の信号の違いを分析してズレを補正すれば、受信機器と電子基準点の相対位置関係がわかります。電子基準点の絶対位置は既知なのですから、受信機器の絶対位置も確定します。このような方法を相対測位といいます。

ＰＰＰ（Precise Point Positioning）

ＲＴＫでは固定局の近くでないと使えません。ＰＰＰは干渉法（搬送波位相測位）という方法で１０ｋｍ以上離れていても使えます。しかし、計測を始める初期化時間が長いという大きな欠点があります。その解決のために、両者を組み合わせたＰＰＰ－ＰＴＫ法もあります。

「みちびき」への期待

「みちびき」のコントロールセグメントは次の構成になっています。
　　・　追跡管制局＝衛星の制御（軌道・姿勢修正）
　　・　主管制局　＝統合管制、補正データ作成、メッセージ通信
　　・　監視局　　＝GNSS,QZSSデータ収集（誤差データなど）

ＣＬＡＳ

ＣＬＡＳ（Centimeter Level Augmentation Service：センチメータ級測位補強サービス）は「みちびき」の国内向けの方式です。用語の示すように数センチ誤差での測位ができます。
　　　　　　　水平　　　　垂直
　　静止　　≦６ｃｍ　　≦１２ｃｍ
　　移動体　≦１２ｃｍ　≦２４ｃｍ

高精度な衛星測位を行うため、国土交通省国土地理院が全国に整備している電子基準点のデータを利用して電子基準点を用いて補正情報を計算し、現在位置を正確に求めるための情報（センチメータ級測位補強情報）をみちびきから送信します。センチメータ級測位補強を送信するＬ６信号は、ＧＰＳから配信している信号ではないため、専用の受信機が必要になります。
　ＰＰＰ－ＰＴＫ法とほぼ同じですが、各地域の電離層と対流圏の遅延データが送られません。（通信速度の関係で全ての地域情報送信が困難。）そのため受信側で電離層・対流圏遅延の補正を行う必要があります。

高精度測位システムの用途

ＲＴＫ、ＰＰＰ、ＣＬＡＳは固定局との連携が必要で、アンテナや受信機のサイズも大きくなり制御システムも複雑になります。そのため、スマートフォンやカーナビなどのモバイル機器には適用できません。
　次のような分野での利用が期待されています。
　・測量・施工分野で、建設機械など高精度に自動操作
　・農機を高精度に操作した農地管理
　・ドローンの自動航行