全地球測位システム

全地球測位システム
.8ピクセル
原産国アメリカ合衆国
オペレーターアメリカ宇宙軍ミッションデルタ31
タイプ軍人、民間人
状態運用
カバレッジグローバル
正確さ30~500 cm(0.98~16フィート)
星座の大きさ
公称衛星24
現在使用可能な衛星31 運用中
最初の打ち上げ1978年2月22日 (1978年2月22日
最後の打ち上げ2026年1月28日 (2026年1月28日
総打ち上げ数81
軌道特性
政権6機のMEO飛行機
軌道高度20,180 km (12,540 マイル)
軌道周期12恒星日または11時間58分
再訪問期間1恒星日
その他の詳細
料金
  • 初期の星座:
  • 運用コスト:
    • 年間18億4000万ドル(2023年)[ 1 ]
Webサイトgps.gov
地球軌道上の GPS ブロック IIIA 衛星の想像図
1990年代後半の民間用GPS受信機(「GPSナビゲーションデバイス」)の海洋用途
2022年、アメリカ宇宙軍の将校が全地球測位システムを操作している。

地球測位システムGPS)は、米国宇宙軍が所有し、ミッションデルタ31によって運用されている衛星ベースの双曲型航法システムです。[ 2 ] [ 3 ]これは、信号品質が許す限り、地球上または地球付近のどこにいてもGPS受信機地理位置情報時刻情報を提供する全地球航法衛星システム(GNSS)の1つです。 [ 4 ]ユーザーがデータを送信する必要はなく、電話やインターネットの受信とは独立して動作しますが、これらの技術はGPS測位情報の有用性を高めることができます。[ 5 ]世界中の軍事、民間、商業ユーザーに重要な測位機能を提供します。米国政府がGPSシステムを開発、管理、保守していますが、GPS受信機を持っている人なら誰でも自由にアクセスできます。[ 6 ]

概要

GPSプロジェクトは1973年に米国防総省によって開始された。 [ 7 ]プロトタイプの宇宙船は1978年に打ち上げられ、24基の衛星からなる完全な衛星群は1993年に運用を開始した。[ 7 ]大韓航空機007便が誤ってソ連の領空に進入して撃墜された後、ロナルド・レーガン大統領は1988年からGPSシステムを民間で利用できるようにすることを決定した。[ 8 ]しかし、当初この民間での利用は選択的可用性(SA)の使用によって平均精度100メートル(330フィート)に制限されていた。SAとは、軍用受信機で補正できるGPSデータに意図的に導入されたエラーである。

民間のGPS利用が増えるにつれ、この誤差を取り除く圧力が高まっていった。湾岸戦争中は、軍用GPS装置が不足していたため、多くの米兵が本国から送られた民間のGPS装置を使用していたため、SAシステムは一時的に無効化された。1990年代には、米国沿岸警備隊連邦航空局、および他国の同様の機関によるディファレンシャルGPSシステムが、ローカルGPS補正を放送し始め、SA劣化と大気の影響(軍用受信機も補正していた)の両方の影響を軽減した。米軍はローカルGPSジャミングを実行する方法も開発しており、システムを世界的に劣化させる能力は不要になった。その結果、米国のビル・クリントン大統領は2000年5月1日に選択的可用性を無効化するよう命じる法案に署名した。[ 9 ]そして2007年、米国政府は次世代のGPS衛星にはこの機能を含めないことを発表した。[ 10 ]

技術の進歩と既存システムへの新たな要求により、GPSを近代化し、次世代のGPSブロックIII衛星と次世代運用管制システム(OCX)[ 11 ]を実装する取り組みが進められており、これは2000年に米国議会で承認されました。選択的可用性が中止されたとき、GPSの精度は約5メートル(16フィート)でした。L5バンドを使用するGPS受信機は30センチメートル(12インチ)とはるかに高い精度を持ち、一方、エンジニアリングや土地測量などのハイエンドアプリケーション向けのGPS受信機は2センチメートル(34 インチ)以内の精度で、長期測定でサブミリメートルの精度を提供することもできます。[ 9 ] [ 12 ] [ 13 ]スマートフォンなどの消費者向けデバイスは、Wi-Fi測位などの支援サービスを使用することで、4.9メートル(16フィート)以上の精度を実現できます。[ 14 ]

2023年7月現在、18基のGPS衛星がL5信号を放送しており、2027年に24基の衛星で放送される前に運用準備段階にあると考えられている。[ 15 ]

歴史

1977年頃、Navstar全地球測位システムを紹介する空軍の映画

GPSプロジェクトは、従来のナビゲーションシステムの限界を克服するために1973年に米国で開始され、[ 16 ] 1960年代の機密扱いの工学設計研究を含むいくつかの先行者のアイデアを組み合わせたものです。米国国防総省は、当初24基の衛星を使用して米国軍用にシステムを開発し、1993年に完全運用を開始しました。民間での使用は1980年代から許可されました。海軍研究所ロジャー・L・イーストンエアロスペースコーポレーションイヴァン・A・ゲッティング応用物理学研究所ブラッドフォード・パーキンソンが発明したとされています。[ 17 ]ダルグレン海軍性能試験場の弾道科学部門グラディス・ウェストによる数学的測地地球モデルの作成に関する研究は、GPSに必要な精度で衛星の位置を検出するための計算技術の開発に重要な役割を果たしたとされています。[ 18 ] [ 19 ]

GPSの設計は、 1940年代初頭に開発されたLORANデッカ・ナビゲーター・システムなど、類似の地上無線航法システムに一部基づいています。1955年、フリードヴァルト・ヴィンターベルクは一般相対性理論の検証として、人工衛星の軌道上に設置した高精度の原子時計を用いて、強い重力場での時間の遅れを検出することを提案しました。特殊相対性理論と一般相対性理論によれば、地球上の衛星から観測されるGPS衛星の時計は、地球上の時計よりも1日あたり38マイクロ秒速く進むと予測されていました。GPSの設計ではこの差を補正します。[ 20 ] [ 21 ]補正しないと、GPSで計算される位置には1日あたり最大10キロメートル(6マイル/日)の誤差が蓄積されてしまうためです。[ 22 ]

先人たち

1957年、ソ連が初の人工衛星(スプートニク1号)を打ち上げた際、ジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所(APL)の2人のアメリカ人物理学者、ウィリアム・ガイアーとジョージ・ワイフェンバッハは、その無線通信を監視しました。[ 23 ]数時間後、彼らはドップラー効果を利用して、衛星が軌道上のどの位置にあるかを正確に特定できることに気付きました。APL所長は、彼らにUNIVAC I型コンピュータへのアクセスを許可し、必要な高度な計算を実行させました。

海軍研究所の Timation プログラム、そしてその後の GPS プログラムの管理者、ロジャー L. イーストン(左) とアル バーソロミュー。

翌年初頭、APL副所長のフランク・マクルーアは、ガイアーとワイフェンバッハに逆問題、すなわち衛星の位置からユーザーの位置を特定するという問題の調査を依頼した。(当時、海軍は潜水艦発射型ポラリスミサイルを開発しており、そのためには潜水艦の位置を知る必要があった。)これが、彼らとAPLがTRANSITシステムを開発するきっかけとなった。[ 24 ] 1959年には、ARPA(1972年にDARPAに改名)もTRA​​NSITに関与した。[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]

TRANSITは1960年に初めて試験に成功しました。[ 28 ] 5機の衛星を使用し、約1時間に1回の航法位置情報を提供することができました。1967年、アメリカ海軍はTimation衛星を開発し、GPSに必要な技術である宇宙に正確な時計を設置することが実現可能であることを証明しました。[ 29 ]

1970年代には、地上局間の信号伝送の位相比較に基づくオメガ航法システム[ 30 ]が世界初の無線航法システムとなりました。これらのシステムの限界により、より汎用的で高精度な航法ソリューションの必要性が高まりました。

軍事および民間部門で正確なナビゲーションに対する幅広いニーズがあったが、それらのほとんどが、ナビゲーション衛星群の研究、開発、展開、運用にかかる数十億ドルのコストを正当化するものとは見なされていなかった。冷戦の軍拡競争の間、米国の存在に対する核の脅威は、米国議会の見解ではこのコストを正当化する唯一のニーズだった。この抑止効果のためにGPSが資金提供された。[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]これはまた、当時の極秘の理由でもあった。核の三本柱は、米国海軍の潜水艦発射弾道ミサイル(SLBM)と米国空軍(USAF)の戦略爆撃機および大陸間弾道ミサイル(ICBM)で構成されていた。SLBMの発射位置を正確に特定することは、核抑止態勢に不可欠であると考えられており、戦力を増強する要因だった。

精密航法によって、米国の弾道ミサイル潜水艦はSLBMを発射する前に正確な位置を把握することができる。[ 34 ]核兵器三本柱の3分の2を保有する米空軍も、より正確で信頼性の高い航法システムを必要としていた。米海軍と米空軍は、本質的に同じ問題を解決するために独自の技術を並行して開発していた。ICBMの生存性を高めるために、移動式発射プラットフォーム(ソ連のSS-24およびSS-25に相当)を使用するという提案があり、発射位置を固定する必要性はSLBMの場合と類似していた。

1960年、空軍はMOSAIC(Mobile System for Accurate ICBM Control:正確なICBM管制のための移動システム)と呼ばれる無線航法システムを提案しました。これは本質的に3次元LORANシステムでした。1963年には後続の研究であるプロジェクト57が実施され、「この研究でGPSのコンセプトが誕生した」とされています。同年、このコンセプトはプロジェクト621Bとして推進され、「現在GPSに見られる多くの特性」[ 35 ]を備え、アメリカ空軍の爆撃機とICBMの精度向上が期待されました。

航法技術衛星 II (Timation IV): NTS-II は、GPS 共同プログラムの資金援助を受けて NRL が全面的に設計・製造した最初の衛星です。1977 年 6 月 23 日に打ち上げられました。

海軍のトランジットシステムからの更新は、空軍の高速運用には遅すぎた。海軍研究所(NRL)は、1967年に最初の衛星を打ち上げ、1969年に2番目の衛星を打ち上げ、1974年には最初の原子時計を軌道に乗せた3番目の衛星を打ち上げ、1977年には4番目の衛星を打ち上げ、Timation(時間航法)衛星の進歩を続けた。[ 36 ]

GPSのもう一つの重要な前身は、アメリカ軍の別の部門から生まれました。1964年、アメリカ陸軍は測地測量に使用される最初のSECOR (Sequential Collat​​ion of Range)衛星を軌道に乗せました。 [ 37 ] SECORシステムには、既知の位置に設置された3つの地上送信機が含まれており、軌道上の衛星トランスポンダーに信号を送信します。位置が不明な4番目の地上局は、これらの信号を使用して正確な位置を特定します。最後のSECOR衛星は1969年に打ち上げられました。[ 38 ]

発達

1960年代のこれらの同時進行により、621B、トランジット、ティメーション、SECORの最良の技術を多国間プログラムで統合することで、より優れたシステムを開発できることが明らかになりました。重力場の変動やレーダー屈折などによって引き起こされる衛星軌道位置の誤差を解決する必要がありました。1970年から1973年にかけてフロリダのパンナム航空宇宙部門のハロルド・L・ジュリー率いるチームは、リアルタイムのデータ同化と再帰推定を用いてこの問題を解決し、系統的誤差と残差誤差を管理可能なレベルまで低減し、正確な航行を可能にしました。[ 39 ]

1973年の労働者の日(レイバーデー)の週末、ペンタゴンで約12名の軍将校が集まり、国防航法衛星システム(DNSS)の構築について議論されました。この会議で、GPSの基盤となる真の統合システムが誕生しました。同年後半、DNSSプログラムはNavstarと命名されました。[ 40 ] Navstarはしばしば「Navigation System using Timing and Ranging(タイミングと測距を用いた航法システム)」の頭字語であると誤解されていますが、GPS統合プログラムオフィスではそのようには考えられていませんでした(TRW社がかつて、この頭字語を使用した別の航法システムを提唱していた可能性があります)。[ 41 ]個々の衛星がNavstarという名前で(前身のTransitやTimationと同様に)関連付けられていたため、Navstar衛星群を識別するために、より包括的な名前であるNavstar-GPSが使用されました。[ 42 ] 1978年から1985年の間に、 10機の「ブロックI」プロトタイプ衛星が打ち上げられました(追加の1機は打ち上げ失敗で破壊されました)。[ 43 ]

電離層が無線伝送に与える影響は、1974年に空軍地球物理学研究所(AFGRL)と改名された空軍ケンブリッジ研究所の地球物理学研究所で調査されました。AFGRLは、 GPS位置に対する電離層の補正を計算するためのクロブシャーモデルを開発しました。 [ 44 ]注目すべきは、1974年にAFGRLでオーストラリアの宇宙科学者エリザベス・エセックス=コーエンによって行われた研究です。彼女は、Navstar衛星から電離層を通過する電波の経路の曲がり(大気の屈折)に関心を持っていました。[ 45 ]

269人を乗せた大韓航空007便(ボーイング747)が、航法ミスにより禁止空域に迷い込んだ後、サハリンおよびモネロン諸島付近でソ連の迎撃機に撃墜された後[ 46 ]、ロナルド・レーガン大統領は、GPSが十分に開発されたら公共財として民間利用に自由に提供するという指令を出した。[ 47 ]最初のブロックII衛星は1989年2月14日に打ち上げられ、[ 48 ] 24番目の衛星は1994年に打ち上げられた。この時点でのGPSプログラムの費用は、ユーザー機器の費用は含まないが衛星打ち上げの費用を含めて50億ドル(2024年には110億ドルに相当)と見積もられている。[ 49 ]

当初、最高品質の信号は軍事用に確保され、民間で使用可能な信号は選択的可用性として知られる政策により意図的に品質が下げられていた。2000年5月1日、これは変更され、ビル・クリントン米大統領は、軍に与えられているのと同じ精度を民間にも提供するため選択的可用性を無効にする政策指令に署名した。この指令は、民間の精度を向上させるために民間企業による差分GPSサービスの広範な成長を考慮して、ウィリアム・ペリー米国防長官によって提案された。さらに、米軍は地域ベースで潜在的な敵対国へのGPSサービスを拒否する技術を開発していた。[ 50 ]選択的可用性はGPS-IIIからGPSアーキテクチャから削除された。

米国はGPSの導入以来、既存のGPS機器との互換性を維持しながら、民間利用のための新しい信号や、すべてのユーザーにとっての精度と整合性の向上など、GPSサービスにいくつかの改善を実施してきました。衛星システムの近代化は、軍、民間、商業市場の高まるニーズを満たすために、一連の衛星調達を通じて米国国防総省による継続的な取り組みでした。2015年初頭の時点で、高品質の標準測位サービス(SPS)GPS受信機は3.5メートル(11フィート)以上の水平精度を提供していましたが、[ 9 ]受信機やアンテナの品質、大気の問題など、多くの要因がこの精度に影響を与える可能性があります。

GPSは米国政府が国家資源として所有、運用している。国防総省がGPSの管理機関である。省庁間GPS執行委員会(IGEB)は1996年から2004年までGPSの政策事項を監督した。その後、2004年に大統領指令により国家宇宙ベース測位、航法およびタイミング執行委員会が設立され、GPSと関連システムに関する事項について連邦政府各省庁に助言し調整を行っている。[ 51 ]執行委員会は国防副長官と運輸長官が共同で議長を務める。委員には国務省、商務省、国土安全保障省、統合参謀本部NASAの同等の職員が含まれる。大統領府の各機関が執行委員会のオブザーバーとして参加し、FCC委員長が連絡役として参加している。

米国国防総省は、法律により「世界中で継続的に利用できる標準測位サービス(連邦無線航法計画および標準測位サービス信号仕様で定義)を維持する」こと、および「民間利用を不当に妨害または低下させることなく、GPSおよびその拡張の敵対的使用を防止する対策を開発する」ことが義務付けられています。

タイムラインと近代化

GPSブロックIIの資格取得車両がサンディエゴで展示されている。一般公開されている唯一の車両である。[ 52 ]
衛星の概要[ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]
ブロック発売期間衛星打ち上げ稼働中

健康で

成功失敗発売計画済み
1978~1985年101000
II1989~1990年90000
IIA1990~1997年190000
IIR1997–2004121005
IIR-M2005–200980007
IIF2010~2016年1200011
32018~2026年80118
IIIF2027年~000220
合計 78212331
(最終更新日:2026年1月29日)より詳細なリストについては、GPS衛星リストをご覧ください。

受賞歴

2018 年 12 月 6 日、空軍宇宙司令官が GPS の功績により空軍宇宙ミサイルパイオニアの殿堂入りを果たしたグラディス・ウェスト氏に賞を授与しました。
AFSPC 副司令官の D.T. トンプソン中将が、空軍宇宙およびミサイルパイオニアの殿堂入りを果たしたグラディス・ウェストに賞を授与しました。

1993年2月10日、全米航空協会(NAA)は、 GPSチームを1992年度ロバート・J・コリアー賞(米国で最も権威のある航空賞)の受賞者に選出しました。このチームは、海軍研究所、米国空軍、エアロスペース・コーポレーションロックウェル・インターナショナルIBMフェデラル・システムズ社の研究者で構成されています。この賞は、「50年前の無線航法導入以来、航空宇宙船の安全かつ効率的な航行と監視における最も重要な開発」に対して授与されました。

2 人の GPS 開発者が2003 年に全米技術アカデミーチャールズ スターク ドレイパー賞を受賞しました。

GPS開発者のロジャー・L・イーストンは、 2006年2月13日に国家技術賞を受賞した。 [ 75 ]フランシス・X・ケイン(退役米空軍大佐)は、プロジェクト621Bの一環として行われた宇宙技術開発とGPSの工学設計コンセプトにおける功績が認められ、2010年3月2日にテキサス州サンアントニオのラックランド空軍基地で米空軍宇宙ミサイルパイオニアの殿堂入りを果たした。1998年には、GPS技術が宇宙財団の宇宙技術の殿堂入りを果たしている。[ 76 ]

2011年10月4日、国際宇宙連盟(IAF)は、IAF加盟団体であるアメリカ航空宇宙学会(AIAA)の推薦により、全地球測位システム(GPS)に創立60周年記念賞を授与しました。IAF栄誉賞委員会は、GPSプログラムの独自性と、人類の利益のための国際協力の構築においてGPSが果たしてきた模範的な役割を高く評価しました。[ 77 ] 2018年12月6日、グラディス・ウェストは、最終的にGPS衛星群の軌道決定に使用された極めて正確な測地地球モデルに関する研究が認められ、空軍宇宙ミサイルパイオニアの殿堂入りを果たしました。[ 78 ] [ 79 ] 2019年2月12日、プロジェクトの創設メンバー4名がエリザベス女王工学賞を受賞し、審査委員会の委員長は「工学は文明の基盤です。彼らは私たちの世界のインフラを大きく書き換えました。」と述べました。[ 80 ]

原則

GPS衛星は非常に安定した原子時計を搭載しており、これらは互いに同期しており、地上管制局の基準原子時計とも同期しています。衛星搭載時計と地上局で維持されている基準時刻とのずれは定期的に修正されます。[ 81 ]電波の速度(光速[ 82 ]は一定であり、衛星の速度とは無関係であるため、衛星が信号を送信してから地上局がそれを受信するまでの時間遅延は、衛星から地上局までの距離に比例します。複数の地上局から収集された距離情報を使用することで、任意の時点における任意の衛星の位置座標を非常に正確に計算することができます。

各GPS衛星は自身の位置と時刻の正確な記録を搭載しており[ 83 ]、そのデータを継続的に送信しています。複数のGPS衛星から受信したデータに基づいて、エンドユーザーのGPS受信機は時空における自身の4次元位置を計算することができます。しかし、4つの未知数(3つの位置座標と自身の時計と衛星時刻の偏差)を計算するには、少なくとも4つの衛星が受信機の視界内にある必要があります。[ 84 ]

より詳細な説明

各 GPS 衛星は、次の内容を含む信号 (変調された搬送波) を継続的に送信します。

  • 受信側が認識している擬似乱数コード(1と0のシーケンス)。受信側で生成されたコードと受信側で測定されたコードを時間的に整合させることで、コードシーケンス内の特定のポイント(エポックと呼ばれる)の到着時刻(TOA)を受信側のクロック時間スケールで特定できます。
  • コードエポックの送信時刻(TOT)(GPS時間スケール)とその時点の衛星位置を含むメッセージ

概念的には、受信機は4つの衛星信号のTOA(時刻)を(自身のクロックに基づいて)測定する。TOAとTOTから、受信機は4つの飛行時間(TOF)値を生成する。これは(光速を仮定すると)、受信機と衛星間の距離に、受信機とGPS衛星間の時間差を光速で乗じた値(擬似距離)を加算したものにほぼ相当する。受信機は4つのTOFから自身の3次元位置とクロック偏差を計算する。[ 85 ]

実際には、TOF を処理する ナビゲーション方程式を使用して、受信機の位置 (地球の中心を原点とする 3 次元直交座標) と GPS 時間に対する受信機クロックのオフセットが同時に計算されます。

受信機の地球中心解の位置は通常、楕円体地球モデルを基準とした緯度経度、高度に変換されます。高度はさらに、ジオイド(基本的には平均海面)を基準とした高度に変換されます。これらの座標は、移動地図表示などに表示されるほか、車両誘導システムなどの他のシステムで記録または使用されることもあります。[ 85 ]

2025年現在、これらの基本原則は、GPS IIIおよびGPS IIIF衛星の導入によるGPSコンステレーションの継続的な近代化によって強化されています。これらの次世代衛星は、より高度な原子時計を搭載し、より高い計時精度を実現し、より強力で安全かつ相互運用可能な信号(L1C、L2C、L5など)を発信します。[ 86 ]これにより、飛行時間(TOF)測定の精度が向上し、信号干渉に対する耐性が向上し、すべてのユーザーにとっての位置計算の信頼性が向上します。[ 87 ]

ユーザー衛星ジオメトリ

通常、受信機の処理では明示的には生成されないものの、概念的な到達時間差(TDOA)は測定の幾何学的形状を定義する。各TDOAは回転双曲面に対応する(マルチラテレーション参照)。関係する2つの衛星を結ぶ線(およびその延長線)が双曲面の軸となる。受信機は3つの双曲面が交差する点に位置する。[ 88 ] [ 89 ]

ユーザーの位置は3つの球面の交点にあると誤解されることがあります。これは視覚的に分かりやすいのですが、受信機のクロックが衛星のクロックと同期している場合(つまり、受信機が衛星までの距離差ではなく真の距離を測定する場合)にのみ当てはまります。ユーザーが衛星と同期したクロックを携帯することで、パフォーマンスに顕著なメリットがあります。最も重要なのは、位置計算に必要な衛星が3基だけであることです。もしすべてのユーザーが同期したクロックを携帯することがGPSのコンセプトの必須要素であれば、配備する衛星の数は少なくて済みますが、ユーザー機器のコストと複雑さは増大します。

受信機の連続動作

上記の説明は、受信機の起動状況を表しています。ほとんどの受信機には、異なる時間に収集された衛星測定値のセットを結合する追跡アルゴリズム(トラッカーと呼ばれることもあります)が搭載されています。これは、連続する受信機の位置が通常は互いに近いという事実を利用したものです。一連の測定値が処理された後、トラッカーは次の衛星測定値のセットに対応する受信機の位置を予測します。新しい測定値が収集されると、受信機は重み付け方式を使用して、新しい測定値をトラッカーの予測と結合します。一般に、トラッカーは (a) 受信機の位置と時間の精度を向上させ、(b) 不良な測定値を拒否し、(c) 受信機の速度と方向を推定することができます。

トラッカーの欠点は、速度や方向の変化が遅延してしか計算できず、2つの位置測定間の移動距離が位置測定のランダム誤差以下またはそれに近い場合、導き出された方向が不正確になることです。GPSユニットは、受信した信号のドップラーシフトの測定値を使用して速度を正確に計算できます。 [ 90 ]より高度なナビゲーションシステムでは、コンパス慣性航法システムなどの追加のセンサーを使用してGPSを補完します。

ナビゲーション以外のアプリケーション

GPSでは、正確なナビゲーションのために4基以上の衛星が視認可能であることが必要である。[ 91 ]ナビゲーション方程式を解くことで、受信機の位置と受信機に搭載された時計の時刻と実際の時刻との差が得られるため、より正確で実用的ではない可能性のある受信機用時計が不要になる。GPSのアプリケーション、例えば時刻転送、交通信号のタイミング、携帯電話基地局の同期などは、この安価で高精度なタイミングを利用している。一部のGPSアプリケーションでは、この時刻を表示に使用したり、基本的な位置計算以外には全く使用しない。

通常の動作には4つの衛星が必要ですが、特殊な場合には必要な衛星数が少なくなります。ある変数が既に分かっている場合、受信機は3つの衛星のみを使用してその位置を特定できます。例えば、外洋上の船舶は通常、高度が0mに近いことが分かっており、航空機の高度も分かっている場合があります。[ a ]一部のGPS受信機は、最後に確認された高度の再利用、推測航法慣性航法、車載コンピュータからの情報など、追加の手がかりや仮定を使用して、視認可能な衛星が4つ未満の場合に(おそらく精度の低い)位置を提供します。[ 92 ] [ 93 ] [ 94 ]

構造

現在のGPSは、宇宙セグメント、制御セグメント、そしてユーザーセグメントという3つの主要なセグメントで構成されています。[ 60 ]アメリカ宇宙軍は、宇宙セグメントと制御セグメントの開発、維持、運用を行っています。GPS衛星は宇宙から信号を発信し、各GPS受信機はこれらの信号を用いて3次元位置(緯度、経度、高度)と現在時刻を計算します。[ 95 ]

宇宙セグメント

1985 年、GPS II は宇宙空間での極度の暑さと寒さに耐えられるかどうかを判定するために、AEDC マーク I 宇宙室で 4 か月にわたる一連の認定テストを受けました。
地球の自転に合わせて24基のGPS衛星群が移動する様子を視覚的に表した例です。地球上の任意の地点から見える衛星の数が時間とともにどのように変化するかに注目してください。この例の地点は、アメリカ合衆国コロラド州ゴールデン(北緯39.7469度、西経105.2108度)です。北緯39度44分49秒 西経105度12分39秒 / / 39.7469; -105.2108

スペースセグメント(SS)は、中軌道上の24〜32基の衛星、またはスペースビークル(SV)で構成され、それらを軌道に乗せるために必要なブースターへのペイロードアダプターも含まれています。[ 96 ] GPSの設計では、当初、3つのほぼ円形の軌道にそれぞれ8基ずつ、合計24基のSVが要求されていましたが、[ 97 ]これは、それぞれ4基の衛星を持つ6つの軌道面に変更されました。[ 98 ] 6つの軌道面は約55°の傾斜(地球の赤道に対する傾き)を持ち、昇交点赤経60° (基準点から軌道交点までの赤道に沿った角度)によって分けられています。 [ 99 ]軌道周期は恒星日の半分、約11時間58分であるため、衛星は毎日同じ場所[ 100 ]またはほぼ同じ場所[ 101 ]を通過します。軌道は、少なくとも6基の衛星が地球上のどこからでも常に視線範囲内にあるように配置されています(右のアニメーションを参照)。 [ 102 ]この目的の結果、4基の衛星は各軌道上で均等間隔(90°)に配置されていません。一般的に、各軌道上の衛星間の角度差は30°、105°、120°、105°であり、合計360°になります。[ 103 ]

高度約20,200 km(12,600マイル)、軌道半径約26,600 km(16,500マイル)の軌道を周回する衛星[ 104 ]は、各恒星日ごとに2周回して、毎日同じ地上軌道を繰り返す。 [ 105 ]これは開発段階において非常に役立った。なぜなら、衛星が4基しかない場合でも、正しい位置合わせにより、毎日数時間、4基すべてが同じ地点から視認できるからである。軍事作戦においては、この地上軌道の繰り返しは、戦闘地域における良好なカバレッジを確保するために用いられる。

2019年2月現在、[ 106 ] GPS衛星群には31基の衛星があり、そのうち27基が常時使用されており、残りはスタンバイに割り当てられている。32基目は2018年に打ち上げられたが、2019年7月現在まだ評価中である。より多くの退役した衛星が軌道上にあり、スペアとして利用可能である。追加された衛星は冗長な測定値を提供することで、GPS受信機の計算精度を向上させる。衛星数の増加に伴い、衛星群は非均一な配置に変更された。このような配置は精度を向上させることが示されたが、均一なシステムに比べて、複数の衛星が故障した場合のシステムの信頼性と可用性も向上する。[ 107 ]衛星群が拡張されたことで、通常、9基の衛星は地平線が開けた地球上のどの地点からでもいつでも見えるようになり、測位に必要な最小4基の衛星よりもかなりの冗長性が確保される。

制御セグメント

1984年から2007年まで使用された地上監視ステーション。空軍宇宙ミサイル博物館に展示されている。

制御セグメント (CS) は次の要素で構成されます。

  1. マスターコントロールステーション(MCS)
  2. 代替マスターコントロールステーション、
  3. 4つの専用地上アンテナと
  4. 6 つの専用モニター ステーション。

MCSは、衛星管制ネットワーク(SCN)地上アンテナ(追加の指揮統制機能用)とNGA(国家地理空間情報局)監視局にもアクセスできる。衛星の飛行経路は、ハワイ、クェゼリン環礁アセンション島ディエゴガルシア島、コロラド州コロラドスプリングス、フロリダ州ケープカナベラルにある米宇宙軍専用監視局と、イギリス、アルゼンチン、エクアドル、バーレーン、オーストラリア、ワシントンD.C.で運用されているNGA共有監視局で追跡されている。[ 108 ]追跡情報は、コロラドスプリングスの東南東25km(16マイル)にあるシュリーバー宇宙軍基地のMCSに送信され、同基地は米宇宙軍第2宇宙作戦飛行隊(2SOPS)によって運用されている。その後、2つのSOPSが専用または共有(AFSCN)地上アンテナ(GPS専用地上アンテナはクェゼリンアセンション島ディエゴガルシアケープカナベラルに設置)を使用して、各GPS衛星に定期的に航法更新情報を送信します。これらの更新情報は、衛星に搭載された原子時計を数ナノ秒以内の精度で同期させ、各衛星の内部軌道モデルのエフェメリスを調整します。更新情報は、地上監視局からの入力、宇宙天気情報、その他さまざまな情報を用いたカルマンフィルタによって生成されます。 [ 109 ]

衛星の軌道調整中は、その衛星は「不健全」とマークされ、受信機は使用できなくなります。軌道調整後、エンジニアは地上から新しい軌道を追跡し、新しいエフェメリスをアップロードし、衛星を再び「健全」とマークします。現在、運用制御セグメント(OCS)は記録制御セグメントとして機能しています。OCSは、GPSユーザーをサポートし、GPSの運用と仕様範囲内での性能を維持するための運用機能を提供します。

OCS は、2007 年 9 月にシュリーバー空軍基地の 1970 年代のメインフレーム コンピュータに取って代わりました。導入後、このシステムはアップグレードを可能にし、米軍を支援する新しいセキュリティ アーキテクチャの基盤を提供しました。

OCSは、新セグメントである次世代GPS運用管制システム[ 11 ](OCX)が完全に開発され機能するまで、引き続き地上の記録管制システムとして機能します。米国国防総省は、OCXによって提供される新しい機能はGPSのミッション機能を強化するための基礎となり、米宇宙軍が米国の戦闘部隊、民間パートナー、国内外のユーザーに対するGPS運用サービスを強化できるようになると主張しています。[ 110 ] [ 111 ] GPS OCXプログラムは、コスト、スケジュール、および技術的リスクも削減します。効率的なソフトウェアアーキテクチャとパフォーマンスベースのロジスティクスにより、維持費を50%[ 112 ]削減するように設計されています。さらに、GPS OCXは、OCSのアップグレードにかかるコストよりも数百万ドル安く、4倍の機能を提供すると予想されています。

GPS OCX プログラムは GPS 近代化の重要な部分を占め、現在の GPS OCS プログラムよりも情報保証が改善されています。

  • OCX は、あらゆる軍事信号を有効にしながら、GPS レガシー衛星と次世代の GPS III 衛星を制御および管理する機能を備えています。
  • GPS ユーザーのニーズの変化に迅速に適応できる柔軟なアーキテクチャに基づいて構築されており、安全で正確かつ信頼性の高い情報を通じて GPS データと衛星群のステータスにすぐにアクセスできます。
  • より安全で、実行可能かつ予測的な情報を戦闘員に提供し、状況認識を強化します。
  • 新しい近代化された信号 (L1C、L2C、および L5) を有効にし、従来のシステムでは実行できなかった M コード機能を備えています。
  • サイバー攻撃の検出と防止、攻撃中の隔離、封じ込め、および運用など、現在のプログラムに比べて情報保証が大幅に改善されます。
  • より大容量のほぼリアルタイムのコマンドおよび制御機能と能力をサポートします。

2011年9月14日[ 113 ] 、米空軍はGPS OCX予備設計審査の完了を発表し、OCXプログラムが次の開発段階に進む準備が整ったことを確認した。GPS OCXプログラムは主要なマイルストーンを達成できず、当初の期限から5年遅れの2021年に打ち上げが延期された。2019年の会計検査院の発表によると、2021年の期限は不透明だった。[ 114 ]

このプロジェクトは2023年も遅れたままで、当初の予算見積もりを73%超過していた(2023年6月時点)。[ 115 ] [ 116 ] 2023年末、フランク・カルヴェッリ空軍次官補(宇宙調達・統合担当)は、このプロジェクトは2024年夏に稼働する予定であると述べた。[ 117 ]

米宇宙軍は、2025年7月1日に契約業者RTXからOCXブロックIおよびIIの納入を受領したが、モノリシック開発と開発中の機能追加が頻発したため、予定より8年以上遅れ、予算を約40億ドル超過した。現在の会計検査院(GAO)の推計が維持されれば、新システムは2025年12月に運用開始となる。

OCXブロック3Fは現在、GPS IIIF衛星の指揮統制を可能にするために開発中であり、2027年に打ち上げ開始が予定されている。[ 118 ]

ユーザーセグメント

GPS 受信機には、車、電話、時計に統合されたデバイスから、上記のような専用デバイスまで、さまざまな形式があります。
最初のポータブルGPS測量ユニットであるライカWM101は、メイヌースアイルランド国立科学博物館に展示されています。

ユーザーセグメント(米国)は、セキュアなGPS精密測位サービスを利用する数十万人の米国および同盟国の軍事ユーザーと、標準測位サービスを利用する数千万人の民間、商業、科学分野のユーザーで構成されています。一般的に、GPS受信機は、衛星から送信される周波数に同調したアンテナ、受信プロセッサ、そして非常に安定したクロック(多くの場合、水晶発振器)で構成されています。また、ユーザーに位置情報や速度情報を提供するためのディスプレイが搭載されている場合もあります。

GPS受信機には、 RTCM SC-104フォーマットを用いた差分補正用の入力が搭載されている場合があります。これは通常、4,800ビット/秒の速度を持つRS-232ポートの形で提供されます。実際にはデータははるかに低い速度で送信されるため、RTCMを使用して送信される信号の精度が制限されます。[ 119 ] [ 120 ] DGPS受信機を内蔵した受信機は、外部RTCMデータを使用する受信機よりも優れた性能を発揮します。2006年現在、低価格の機器でも広域航法補強システム(WAAS)受信機を搭載することが一般的です。

アンテナを内蔵した典型的なGPS受信機

多くのGPS受信機は、 NMEA 0183プロトコルを使用して、PCやその他のデバイスに位置データを中継できます。このプロトコルは米国海洋電子機器協会(NMEA)によって正式に定義されていますが、[ 121 ]このプロトコルへの参照は公開記録から集められたものであり、gpsdなどのオープンソースツールは知的財産法に違反することなくこのプロトコルを読み取ることができます。SiRFプロトコルMTKプロトコルなど、他の独自プロトコルも存在します。受信機は、シリアル接続、 USBBluetoothなどの方法を使用して他のデバイスとインターフェースできます。

アプリケーション

GPS はもともと軍事プロジェクトでしたが、二重使用技術であると考えられており、民間でも重要な用途があります。

GPSは、商業、科学研究、追跡、監視など、広く普及し、有用なツールとなっています。GPSの正確な時刻は、銀行業務、携帯電話の操作、さらには同期したハンドオフ切り替えを可能にすることで電力網の制御といった日常的な活動を容易にします。[ 95 ]

民間人

このアンテナは、正確なタイミングを必要とする科学実験を行う小屋の屋根に設置されています。
インドネシアの南タンゲランにおける GPS およびその他の GNSS 衛星の使用状況を示す GPSTest アプリケーションのスクリーンショット(2025 年)

多くの民間アプリケーションでは、絶対位置、相対移動、時間転送という GPS の 3 つの基本コンポーネントの 1 つ以上が使用されます。

民間使用の制限

米国政府は一部の民生用受信機の輸出を規制している。海抜60,000フィート(18km)以上、速度1,000ノット(500m/s、2,000km/h、1,000mph)以上で作動可能なGPS受信機、あるいは無人ミサイルや航空機での使用を目的として設計または改造されたGPS受信機はすべて軍需品(兵器)に分類され、国務省の輸出許可が必要となる。 [ 152 ]この規則は、L1周波数とC/A(Coarse/Acquisition)コードのみを受信する、純粋に民生用の機器にも適用される。

これらの制限を超える動作を無効にすることで、受信機は軍需品としての分類から除外されます。ベンダーによって解釈は異なります。この規則は目標高度と速度の両方での動作を指しますが、一部の受信機は静止状態でも動作を停止します。これは、定期的に30km(10万フィート)に達するアマチュア無線気球の打ち上げで問題を引き起こしています。これらの制限は、米国から輸出されるユニットまたはコンポーネントにのみ適用されます。他国からのGPSユニットを含む様々なコンポーネントの取引が増加しています。これらはITARフリーとして明示的に販売されています。

軍隊

AN/PRC-119F SINCGARS無線機は、他の無線機との周波数ホッピング操作を可能にするために、外部GPSシステムから供給される正確なクロック時間を必要とします。
2003年3月、無誘導爆弾にGPS誘導キットを取り付ける
M982エクスカリバーGPS誘導砲弾

2009 年現在、軍用 GPS アプリケーションには次のようなものがあります。

GPSによるナビゲーションは、1995年にGPSが完全に開発される前の1991年の湾岸戦争で初めて実戦に使用され、連合軍のナビゲーションと機動を支援するために使用されました。この戦争では、イラク軍が標的候補に妨害装置を設置し、無線ノイズを発することで微弱なGPS信号の受信を妨害したことで、GPSが妨害を受けやすいことも明らかになりまし[ 161 ]

GPSの妨害に対する脆弱性は、妨害機器と経験が増えるにつれて、ますます脅威となっている。[ 162 ] [ 163 ] GPS信号は、長年にわたり軍事目的で何度も妨害されてきたと報告されている。ロシアはこの方法に、近隣諸国を威嚇しながらアメリカのシステムへの依存に対する信頼を損なわせること、GLONASSの代替システムを宣伝すること、西側諸国の軍事演習を妨害すること、ドローンから資産を守ることなど、いくつかの目的があるようだ。[ 164 ]中国は、領有権が争われている南沙諸島付近でアメリカの偵察機を阻止するために妨害を行っている。[ 165 ]北朝鮮は、韓国との国境付近や沖合で大規模な妨害活動を複数回行い、航空、船舶、漁業活動を妨害している。[ 166 ]イラン軍は、民間航空機PS752便を撃墜した際に、同機のGPSを妨害した。[ 167 ] [ 168 ]

露露戦争において、NATO諸国がウクライナに供給したGPS誘導弾は、ロシアの電子戦活動の影響で、高い不発率を記録した。ロシアが電子戦活動に適応するにつれ、エクスカリバー砲弾の命中率は70%から6%に低下した。[ 169 ]

計時

うるう秒

ほとんどの時計は協定世界時(UTC)を基準としていますが、衛星搭載の原子時計はGPS時刻に設定されています。違いは、GPS時刻は地球の自転に合わせて補正されないため、UTCに定期的に追加されるうるう秒などの補正が含まれないことです。GPS時刻は1980年にUTCに合わせて設定されましたが、その後ずれが生じています。補正が行われないため、GPS時刻は国際原子時(TAI)と常にずれた状態(TAI - GPS = 19秒)を維持しています。搭載時計は定期的に補正され、地上時計との同期が保たれています。[ 93 ]:セクション1.2.2

GPSナビゲーションメッセージには、GPS時刻とUTCの差が含まれます。2017年1月現在、2016年12月31日にUTCに追加されたうるう秒により、GPS時刻はUTCより18秒進んでいます。[ 170 ]受信機は、このオフセットをGPS時刻から差し引いてUTCおよび特定のタイムゾーン値を計算します。新しいGPSユニットは、UTCオフセットメッセージを受信するまで正しいUTC時刻を表示しない場合があります。GPS-UTCオフセットフィールドは、255うるう秒(8ビット)を格納できます。

正確さ

GPSの時刻は、GPS送信機に搭載されている原子時計が国際原子時に対して持つ時計のずれにより、理論的には約14ナノ秒の精度があります。 [ 171 ]ほとんどの受信機は信号の解釈において精度が多少低下し、約100ナノ秒の精度しかありません。[ 172 ] [ 173 ]

相対論的補正

GPSは相対論的効果に対する2つの主要な補正を時間信号に実装しています。1つは特殊相対性理論を用いた衛星と受信機の相対速度の補正、もう1つは一般相対性理論を用いた衛星と受信機の重力ポテンシャルの差の補正です。[ 20 ]衛星の加速度も目的に応じて補正として独立して計算できますが、通常は最初の2つの補正で既にその効果に対処しています。[ 174 ] [ 175 ]

形式

グレゴリオ暦の年、月、日形式とは異なり、GPS日付は週番号と週の秒数で表されます。週番号はC/AおよびP(Y)航法メッセージで10ビットフィールドとして送信され、1,024週(19.6年)ごとに0に戻ります。GPSの週番号0は、1980年1月6日UTC 00:00:00(TAI 00:00:19)に始まり、1999年8月21日UTC 23:59:47(TAI 1999年8月22日00:00:19)に初めて0になりました。 2度目の発生は、2019年4月6日23時59分42秒(UTC)でした。現在のグレゴリオ暦の日付を決定するには、GPS受信機におおよその日付(3,584日以内)を提供し、GPS日付信号を正しく変換する必要があります。将来的にこの問題に対処するため、近代化されたGPS民間航法(CNAV)メッセージでは、8,192週(157年)ごとに繰り返される13ビットのフィールドが使用され、2137年(GPSのゼロ週から157年後)まで持続します。

コミュニケーション

GPS衛星から送信される航法信号は、衛星の位置、内部時計の状態、ネットワークの健全性など、様々な情報を符号化しています。これらの信号は、ネットワーク内のすべての衛星に共通の2つの異なる搬送周波数で送信されます。2つの異なる符号化方式が使用されています。1つは低解像度の航法を可能にする公開符号化方式、もう1つは米軍が使用する暗号化符号化方式です。[ 176 ]

メッセージ形式

GPSメッセージ形式
サブフレーム説明
1衛星時計とGPSの時間関係
2~3エフェメリス(正確な衛星軌道)
4~5アルマナックコンポーネント(衛星ネットワーク概要、エラー訂正)

各GPS衛星は、 L1(C/AおよびP/Y)およびL2(P/Y)周波数で、50ビット/秒(ビットレートを参照)の速度で航法メッセージを継続的に送信します。各メッセージの送信には750秒(12+送信には約1⁄2かかります。メッセージ構造は、1500ビット長のフレームを基本フォーマットとし、5つのサブフレームで構成されます。各サブフレームの長さは300ビット(6秒)です。サブフレーム4と5はそれぞれ25回サブコミュテーションされるため、完全なデータメッセージには25個のフルフレームの送信が必要です。各サブフレームは10ワードで構成され、各ワードの長さは30ビットです。したがって、サブフレームの300ビット×フレームの5つのサブフレーム×メッセージの25フレームで、各メッセージの長さは37,500ビットになります。50ビット/秒の伝送速度で、アルマナックメッセージ(GPS)全体を送信するのに750秒かかります。30秒の各フレームは、各衛星の原子時計が示す分または30秒に正確に始まります。 [ 177 ]

各フレームの最初のサブフレームには、週番号と週内の時刻[ 178 ] 、および衛星の状態に関するデータがエンコードされています。2番目と3番目のサブフレームには、衛星の正確な軌道パラメータであるエフェメリスが含まれています。4番目と5番目のサブフレームには、衛星群内の最大32個の衛星の大まかな軌道とステータス情報、およびエラー訂正に関するデータを含むアルマナックが含まれています。したがって、この送信メッセージから正確な衛星の位置を取得するには、受信機はソリューションに含まれる各衛星からのメッセージを18〜30秒間復調する必要があります。送信されたすべてのアルマナックを収集するには、受信機はメッセージを732〜750秒間、つまり12秒間復調する必要があります。+1⁄2 [ 179 ]

すべての衛星は同じ周波数で放送し、受信機が個々の衛星を識別できるように、独自の符号分割多元接続(CDMA)方式を用いて信号を符号化します。このシステムでは、2つの異なるCDMA符号化方式が用いられます。1つは一般公開されている粗捕捉(C/A)コード、もう1つは暗号化され、暗号コードへのアクセスを許可された米軍および他のNATO加盟国のみがアクセスできる精密(P(Y))コードです。[ 180 ]

エフェメリスは2時間ごとに更新され、4時間は十分に安定しています。ただし、異常気象時には6時間ごと、あるいはそれ以上の頻度で更新される場合もあります。アルマナックは通常24時間ごとに更新されます。さらに、送信更新によりデータのアップロードが遅れる場合に備えて、数週間後のデータもアップロードされます。[ 181 ] [ 182 ]

衛星周波数

GPS周波数の概要[ 183 ] : 607
バンド頻度説明
L11575.42 MHz粗取得 (C/A) コードと暗号化精度 (P(Y)) コード、および Block III 以降の衛星の L1 民間 ( L1C ) コードと軍事 (M) コード。
L21227.60 MHzP(Y) コード、およびブロック IIR-M 以降の衛星の L2Cコードと軍事コード。
L31381.05 MHz核爆発(NUDET)検出に使用されます。
L41379.913 MHz追加の電離層補正について研究中。
L51176.45 MHzBlock IIF 以降の衛星では民間人の生命安全 (SoL) 信号として使用されます。

すべての衛星は同じ2つの周波数、1.57542GHz(L1信号)と1.2276GHz(L2信号)で放送しています。衛星ネットワークはCDMA拡散スペクトル技術[ 183 ] ​​:607 を使用しており、低ビットレートのメッセージデータは各衛星ごとに異なる高レート疑似ランダム(PRN)シーケンスでエンコードされます。受信機は実際のメッセージデータを再構成するために各衛星のPRNコードを認識する必要があります。民生用のC/Aコードは1秒あたり102万3000チップでデータを送信し、米軍用のPコードは1秒あたり1023万チップで送信します。衛星の実際の内部基準は10.22999999543MHzであり、地球上の観測者が軌道上の送信機に対して異なる時間基準を認識する相対論的効果[ 184 ] [ 185 ]を補正しています。 L1搬送波はC/AコードとPコードの両方で変調されますが、L2搬送波はPコードのみで変調されます。[ 103 ] Pコードは、適切な復号鍵を持つ軍事機器でのみ利用可能な、いわゆるP(Y)コードとして暗号化できます。C/AコードとP(Y)コードはどちらも、ユーザーに正確な時刻を伝えます。

1.38105GHzの周波数を持つL3信号は、衛星から地上局へのデータ送信に使用されます。このデータは、米国核爆発(NUDET)検知システム(USNDS)によって、地球の大気圏および近宇宙における核爆発(NUDET)の検知、位置特定、報告に使用されます。[ 186 ]用途の一つとして、核実験禁止条約の執行が挙げられます。

1.379913GHzのL4帯域は、追加の電離層補正のために研究されている。[ 183 ] ​​:607

1.17645GHzのL5周波数帯は、GPS近代化の過程で追加されました。この周波数は航空航法において国際的に保護されている帯域に属し、あらゆる状況下で干渉がほとんどないか全くないことが期待されます。この信号を提供する最初のブロックIIF衛星は2010年5月に打ち上げられました。[ 187 ] 2016年2月5日には、12番目で最後のブロックIIF衛星が打ち上げられました。[ 188 ] L5は、互いに直交位相にある2つの搬送波成分で構成されています。各搬送波成分は、別々のビット列によって二位相偏移変調(BPSK)されます。「3番目の民間GPS信号であるL5は、最終的には航空の人命安全アプリケーションをサポートし、可用性と精度を向上させるでしょう。」[ 189 ]

2011年、LightSquared社はL1バンド付近で地上ブロードバンドサービスを運営するための条件付き免除を受けました。LightSquared社は2003年初頭に1525~1559バンドでの運用ライセンスを申請し、パブリックコメントにかけられていましたが、FCCはLightSquared社に対し、GPSコミュニティと共同で研究グループを結成し、GPS受信機の試験を行い、LightSquared社の地上ネットワークからの高出力信号によって発生する可能性のある問題を特定するよう指示しました。GPSコミュニティは、LightSquared社(旧MSV社およびSkyTerra社)の申請に異議を唱えていなかったものの、2010年11月にLightSquared社が地上補助コンポーネント(ATC)認可の変更を申請しました。この申請(SAT-MOD-20101118-00239)は、地上基地局向けに同じ周波数帯域で数桁も高い電力を運用することを求めるものであり、宇宙からの信号のための「静かな地域」とされていた場所を、携帯電話ネットワークに相当するものとして再利用するものである。2011年上半期の試験では、低周波数帯域10MHzのGPSデバイスへの影響は最小限であることが実証されている(影響を受けるGPSデバイスは全体の1%未満)。LightSquared社が使用を予定している高周波数帯域10MHzは、GPSデバイスにいくらかの影響を与える可能性がある。多くの消費者向け用途において、GPS信号が著しく劣化する可能性があるという懸念がある。[ 190 ] [ 191 ] Aviation Week誌は、最新の試験(2011年6月)でLightSquared社のシステムによるGPSへの「重大な妨害」が確認されたと報じている。[ 192 ]

復調と復号

粗/取得ゴールドコードを使用したGPS衛星信号の復調とデコード

すべての衛星信号は同じL1搬送周波数で変調されているため、復調後に信号を分離する必要があります。これは、各衛星にゴールドコードと呼ばれる固有のバイナリシーケンスを割り当てることで実現されます。復調後、受信機が監視する衛星に対応するゴールドコードを加算することで信号が復号されます。[ 193 ] [ 194 ]

アルマナック情報が既に取得されている場合、受信機はPRN(1~32の範囲の一意の番号)に基づいて、受信する衛星を選択します。アルマナック情報がメモリにない場合、受信機はいずれかの衛星のロックを取得するまでサーチモードに入ります。ロックを取得するには、受信機から衛星まで遮るもののない見通し線が必要です。受信機はその後アルマナック情報を取得し、受信する衛星を決定します。受信機は各衛星からの信号を検出すると、その固有のC/Aコードパターンによって衛星を識別します。エフェメリスデータを読み取る必要があるため、最初の位置推定までに最大30秒の遅延が生じる場合があります。

航法メッセージの処理により、送信時刻とその時の衛星位置を特定できます。詳細については、「復調とデコード、上級編」をご覧ください。

問題の説明

受信機は、衛星から受信したメッセージを使用して、衛星の位置と送信時刻を決定します。衛星の位置のx、y、 z成分と送信時刻 ( s ) は、[ x i、 y i、 z i、 s i ]で示されます。ここで、下付き文字i は衛星を示し、値は 1、2、...、n です( n  4)。受信機のオンボードクロックによって示されるメッセージ受信時刻が である場合、実際の受信時刻は です。ここで、bは、衛星で使用されているはるかに正確な GPS クロックからの受信機のクロックバイアスです。受信機のクロックバイアスは、受信したすべての衛星信号で同じです (衛星クロックがすべて完全に同期していると仮定)。メッセージの通過時間は です( s iは衛星時刻です)。メッセージが光速cで移動したと仮定すると、移動距離は です。

n 個の衛星の場合、満たすべき方程式は次のようになります。

ここで、d iは受信機と衛星i間の幾何学的な距離または範囲です(下付き文字のない値は受信機の位置のx、y、 z成分です)。

擬似距離をと定義すると、それが真の範囲の偏りのあるバージョンであることがわかります。

. [ 195 ] [ 196 ]

これらの方程式には4つの未知数(x, y, z, b)(GPS受信機の位置の3つの要素とクロックバイアス)があるため、これらの方程式を解くには少なくとも4つの衛星からの信号が必要です。これらの方程式は代数的または数値的手法で解くことができます。GPS解の存在と一意性については、AbellとChaffeeによって議論されています。[ 88 ] nが4より大きい場合、このシステムは過剰決定系となり、フィッティング法を使用する必要があります。

結果の誤差量は、受信衛星の天空における位置によって異なります。これは、受信衛星が天空で互いに接近している場合など、特定の構成では誤差が大きくなるためです。受信機は通常、計算された位置の誤差の暫定的な推定値を計算し、受信機の基本解像度に、使用される衛星の相対的な天空の方向から計算される幾何学的位置希釈係数(GDOP係数)と呼ばれる値を乗じることによって行われます。 [ 197 ]受信機の位置は、 WGS 84測地基準系または各国固有のシステムを用いた緯度と経度などの特定の座標系で表されます。 [ 198 ]

幾何学的解釈

GPS方程式は数値的手法と解析的手法によって解くことができます。幾何学的解釈は、これらの解法の理解を深めます。

球体

2次元直交座標の真範囲多辺測量(三辺測量)シナリオ

擬似距離と呼ばれる測定距離には、クロック誤差が含まれます。距離が同期された単純化された理想化では、これらの真の距離は、送信衛星の1つを中心とする球の半径を表します。受信機の位置の解は、これらの球面の交点にあります。三辺測量(より一般的には、真の距離のマルチラテレーション)を参照してください。少なくとも3つの衛星からの信号が必要であり、それらの3つの球は通常2点で交差します。[ 199 ] 1つの点は受信機の位置であり、もう1つの点は連続した測定で急速に移動するため、通常は地球の表面上にはありません。

実際には、クロックバイアス以外にも、ランダム誤差や、球の中心が比較的近い場合に近い数値を減算することで精度が低下する可能性など、不正確さの原因は数多く存在します。つまり、3つの衛星から計算された位置だけでは十分な精度が得られない可能性が高いということです。より多くの衛星からのデータがあれば、ランダム誤差が打ち消される傾向があり、球の中心間の広がりも大きくなるため、精度向上に繋がります。しかし同時に、球が複数あっても通常は一点で交差することはありません。そのため、通常は最小二乗法を用いて、近い交点を計算します。利用可能な信号が多いほど、近似値はより正確になる可能性が高くなります。

双曲面

3つの衛星(「ステーションA」、「ステーションB」、「ステーションC」と表記)の位置は既知です。各衛星から受信機まで無線信号が到達するまでの実際の時間は不明ですが、実際の時間差は既知です。そして、それぞれの時間差に基づいて、受信機は衛星に焦点を合わせた双曲線の枝上に位置し、受信機は2つの交点のいずれかに位置します。

受信機と衛星i間の疑似距離と受信機と衛星j間の疑似距離を減算するとp ip j、共通受信機クロックバイアス(b)が打ち消され、距離の差d id jが生じる。2点(ここでは2つの衛星)までの距離が一定である点の軌跡は、平面上の双曲面と3D空間における回転双曲面(より具体的には2枚双曲面)である(マルチラテレーションを参照)。したがって、4回の疑似距離測定から、それぞれ2つの衛星に焦点を持つ3つの双曲面の面の交点に受信機を配置することができる。衛星を追加すると、複数の交点は必ずしも一意ではなく、最適な解が求められる。[ 88 ] [ 89 ] [ 200 ] [ 201 ] [ 202 ] [ 203 ]

内接球

小さい円()が他の円()に内接し、接しているが、必ずしも互いに接している必要はない。

受信機の位置は、受信機のクロックバイアスb(光速cでスケール)によって与えられる半径bcの内接球(内球)の中心として解釈できる。内球の位置は他の球に接する。外接球はGPS衛星を中心とし、その半径は測定された疑似距離p i に等しい。この構成は、球の半径が偏りのない距離または幾何学的な距離d iであった前述の構成とは異なる。[ 202 ] : 36–37 [ 204 ]

ハイパーコーン

受信機のクロックは通常、衛星のクロックと同じ品質ではなく、衛星と正確に同期されません。これにより、衛星までの実際の距離と比較して大きな差がある疑似距離が生成されます。したがって、実際には、受信機のクロックと衛星の時刻の時間差は、未知のクロックバイアスbとして定義されます。次に、方程式を受信機の位置とクロックバイアスについて同時に解きます。解空間 [ x, y, z, b ] は 4 次元時空と見なすことができ、少なくとも 4 つの衛星からの信号が必要です。その場合、各方程式はハイパーコーン(または球面コーン) [ 205 ]を記述し、その先端は衛星に位置し、底面は衛星の周りの球です。受信機は、このようなハイパーコーンの 4 つ以上の交差点にあります。

解決方法

最小二乗法

4 つ以上の衛星が利用可能な場合、受信機のチャネル数、処理能力、および幾何学的精度低下(GDOP) に応じて、計算では最適な 4 つの衛星を使用することも、4 つ以上 (最大ですべての可視衛星) を同時に使用することもできます。

4つ以上を使用すると、一意の解を持たない過剰決定方程式系になります。このような系は、最小二乗法または加重最小二乗法で解くことができます。[ 195 ]

反復的

4基の衛星に対する方程式、あるいは4基以上の衛星に対する最小二乗方程式はどちらも非線形であり、特別な解法が必要です。一般的なアプローチは、ガウス・ニュートン法などの線形化された方程式の反復法です。

GPS は当初、数値最小二乗解法の使用を前提として開発されました。つまり、閉じた形式の解が見つかる前のことでした。

閉じた形式

上記の方程式の閉じた解の1つはS.バンクロフトによって開発された。[ 196 ] [ 206 ]その特性はよく知られている。[ 88 ] [ 89 ] [ 207 ]特に、支持者は反復最小二乗法と比較して、低GDOP状況ではそれが優れていると主張している。 [ 206 ]

バンクロフト法は数値的ではなく代数的であり、4機以上の衛星に使用できます。4機の衛星を使用する場合、主要な手順は4x4行列の逆行列と1変数二次方程式の解です。バンクロフト法は未知数に対して1つまたは2つの解を提供します。未知数が2つの場合(通常はそうなります)、地球近傍で実用的な解は1つだけです。[ 196 ]

受信機が4基以上の衛星を用いて解を求める場合、バンクロフトは一般化逆問題(擬似逆問題)を用いて解を求める。過剰決定非線形最小二乗問題を解くためのガウス・ニュートン法などの反復法は、一般的により正確な解を与えるという主張もある。[ 208 ]

Leickら(2015)は、「Bancroft(1985)の解法は、最初のものではないにしても、非常に初期の閉形式解法である」と述べている。[ 209 ] その後、他の閉形式解法が発表されたが、[ 210 ] [ 211 ]実際に採用されたかどうかは不明である。

エラーの原因と分析

GPS誤差解析では、GPS結果の誤差源とその誤差の予測値を調べます。GPSは受信機のクロック誤差やその他の影響を補正しますが、一部の残差誤差は補正されません。誤差源には、信号到着時刻測定、数値計算、大気の影響(電離層/対流圏遅延)、天体暦とクロックデータ、マルチパス信号、自然干渉と人工干渉などがあります。これらの原因による残差誤差の大きさは、精度の幾何学的希薄化に依存します。人工誤差は、妨害装置によって発生し、船舶や航空機に脅威を与える可能性があります[ 212 ]。また、選択的可用性による意図的な信号劣化によっても発生する可能性があります。選択的可用性により精度は6~12m(20~40フィート)程度に制限されますが、2000年5月1日以降は無効化されています[ 213 ]。[ 214 ]

精度向上と測量

GNSS拡張とは、航行に使用される衛星ネットワークである全地球測位システム(GPS)やその他の全地球航法衛星システム( GNSS)によって提供される位置情報の精度を向上させる技術を指します。精度向上のための拡張方法は、計算プロセスに外部情報を統合することに依存します。このようなシステムは数多く導入されており、一般的にGPSセンサーが情報を受信する方法に基づいて名称または説明が付けられています。一部のシステムは、誤差の原因(クロックドリフト、エフェメリス、電離層遅延など)に関する追加情報を送信し、他のシステムは過去の信号のずれ量を直接測定します。さらに、計算プロセスに統合される追加の航行情報や車両情報を提供するシステムもあります。

GPS受信機に関する規制スペクトル問題

アメリカ合衆国では、GPS受信機は連邦通信委員会(FCC)のパート15規則に基づいて規制されています。アメリカ合衆国で販売されているGPS対応機器のマニュアルに記載されているように、パート15機器であるGPS受信機は、「望ましくない動作を引き起こす可能性のある干渉を含め、受信するあらゆる干渉を受け入れなければならない」とされています。[ 215 ]特にGPS機器に関して、FCCはGPS受信機メーカーに対し、「割り当てられたスペクトル外の信号の受信を合理的に識別する受信機を使用しなければならない」と規定しています。[ 216 ]過去30年間、GPS受信機はモバイル衛星サービス帯域の近傍で動作し、インマルサットなどのモバイル衛星サービスの受信を問題なく識別してきました。

FCC によって GPS L1 用に割り当てられたスペクトルは 1559~1610 MHz であるが、衛星対地上用に LightSquared が所有するスペクトルはモバイル衛星サービス帯域である。[ 217 ] 1996 年以来、FCC はバージニア州の会社LightSquaredに 1525~1559 MHz の GPS 帯域に隣接するスペクトルの使用を認可してきた。 2001 年 3 月 1 日、FCC は LightSquared の前身であるMotient Services から、統合衛星地上サービスに割り当てられた周波数を使用するための申請を受け取った。[ 218 ] 2002 年、米国 GPS 業界協議会は LightSquared と帯域外放射 (OOBE) 協定を結び、LightSquared の地上局からの送信が隣接する 1559~1610 MHz の GPS 帯域に送信を放出しないようにした。[ 219 ] 2004年、FCCは、LightSquared社に対し、衛星システムに補助的な地上ネットワーク(補助タワーコンポーネント(ATC)として知られる)を展開することを認可するにあたり、OOBE協定を採択した。FCCは、「追加された地上コンポーネントが主要なMSSサービスに補助的なものであることを保証する条件の下で、MSS ATCを認可する。我々は、地上コンポーネントがスタンドアロンサービスになることを意図しておらず、また許可するつもりもない。」と述べている。 [ 220 ]この認可は、米国農務省、米国宇宙軍、米国陸軍、米国沿岸警備隊連邦航空局、米国航空宇宙局(NASA)、米国内務省米国運輸省を含む米国省間無線諮問委員会によって審査され、承認された。[ 221 ]

2011年1月、FCCはBest BuySharpC SpireなどのLightSquaredの卸売顧客に対して、LightSquaredから統合衛星地上ベースサービスのみを購入し、LightSquaredに割り当てられた1525〜1559MHzの周波数を使用する地上ベースの信号のみを使用するように装備されたデバイスでその統合サービスを再販売することを条件付きで許可しました。[ 222 ] 2010年12月、GPS受信機メーカーはFCCに対して、LightSquaredの信号がGPS受信機デバイスに干渉するのではないかとの懸念を表明しましたが、 [ 190 ] 2011年1月の命令に至るまでのFCCの政策検討には、地上ベースのLightSquared局の最大数やこれらの局が動作できる最大電力に対する提案の変更は含まれていませんでした。2011年1月の命令では、最終的な許可は、GPS業界と連邦政府機関の参加とともにLightSquaredが主導するワーキンググループによって行われるGPS干渉問題の研究を条件としています。 2012 年 2 月 14 日、FCC は、現時点では潜在的な GPS 干渉を軽減する実際的な方法はないという NTIA の結論に基づいて、LightSquared の条件付き免除命令を取り消す手続きを開始しました。

GPS受信機メーカーは、GPSに割り当てられている帯域を超えるスペクトルを使用するようにGPS受信機を設計している。場合によっては、GPS受信機は1575.42MHzのL1周波数のどちらの方向にも最大400MHzのスペクトルを使用するように設計されているが、これは、それらの地域のモバイル衛星サービスが宇宙から地上に放送されており、電力レベルがモバイル衛星サービスに見合ったものであるためである。[ 223 ] FCCのパート15規則で規制されているように、GPS受信機はGPSに割り当てられているスペクトル外の信号からの保護は保証されていない。[ 216 ]これが、GPSがモバイル衛星サービス帯域の隣で動作し、モバイル衛星サービス帯域がGPSの隣で動作する理由である。スペクトル割り当ての共生関係により、両方の帯域のユーザーが協力して自由に動作できることが保証される。

FCCは2003年2月、LightSquaredなどのモバイル衛星サービス(MSS)免許保有者が、免許帯域内に少数の地上補助基地局を建設し、「地上無線帯域のより効率的な利用を促進する」ことを認める規則を採択した。[ 224 ] 2003年の規則において、FCCは次のように述べている。「予備的な事項として、地上(商用移動無線サービス(CMRS))とMSS ATCは、価格、サービスエリア、製品の受け入れ状況、流通形態が異なることが予想されるため、両サービスは、せいぜい、主に異なる市場セグメントで運営される、不完全な代替サービスであると考えられる。…MSS ATCが地上CMRSと同じ顧客基盤を巡って直接競合する可能性は低い…」。 2004年、FCCは地上の塔が補助的なものであることを明確にし、「我々は、追加された地上コンポーネントが主要なMSSサービスに補助的なものであることを保証する条件の下で、MSS ATCを認可する。我々は、地上コンポーネントがスタンドアロンサービスになることを意図しておらず、また許可するつもりもない」と述べた。[ 220 ] 2010年7月、FCCは、ライトスクエアードが統合衛星地上サービスを提供する権限を使用して、「地上のモバイルプロバイダーが提供するものと同様のモバイルブロードバンドサービスを提供し、モバイルブロードバンド部門の競争を促進する」ことを期待していると述べた。[ 225 ] GPS受信機メーカーは、2003年と2004年のFCC ATC裁定で補助タワーコンポーネント(ATC)が実際には主要衛星コンポーネントの補助的なものであると明確にされたことを根拠に、LightSquaredが認可した1525~1559MHzの周波数帯域が高速無線ブロードバンドに使用されることは想定されていなかったと主張している。[ 226 ]モバイル衛星サービス帯域における単純な地上ベースのLTEサービスではなく、LightSquaredの補助地上コンポーネントに対する2004年のFCC認可を継続する取り組みに対する国民の支持を高めるため、GPS受信機メーカーのTrimble Navigation Ltd.は「Coalition To Save Our GPS」を結成した。[ 227 ]

FCCとLightSquaredはそれぞれ、ネットワークの運用が許可される前にGPS干渉問題を解決することを公約している。[ 228 ] [ 229 ]航空機所有者およびパイロット協会のクリス・ダンシー氏によると、影響を受けるタイプのシステムを搭載した航空機のパイロットは「コースを外れても気づかない可能性がある」とのことだ。[ 230 ]これらの問題は、連邦航空局の航空管制システムのアップグレード、米国国防総省のガイダンス、911を含む地元の緊急サービスにも影響を与える可能性がある。[ 230 ]

2012年2月14日、FCCは、軍やその他の連邦政府機関の周波数利用を調整する連邦機関である国家電気通信情報局(NTIA)から「現時点では潜在的な干渉を軽減する実際的な方法はない」と通知された後、ライトスクエアードが計画している全国ブロードバンドネットワークを禁止する措置を取った。[ 231 ] [ 232 ]ライトスクエアードはFCCの措置に異議を唱えている。

類似のシステム

クリック可能な画像。地球を周回する中高度軌道を強調表示。[ b ]低高度地球から最低の高高度地球軌道静止軌道とその墓場軌道、月の軌道距離の9分の1 )まで、[ c ]ヴァン・アレン放射線帯地球のスケールを表示。

米国のGPS導入に続き、他の国々も独自の衛星航法システムを開発しました。これらのシステムには以下が含まれます。

  • ロシアの全地球航法衛星システム(GLONASS)はGPSと同時に開発されたが、2000年代半ばまでは地球を完全にカバーしていなかった。[ 233 ] GPSに加えてGLONASSの受信を受信機に組み込むことで、追加の衛星を利用でき、位置の決定を高速化し、精度を2メートル(6.6フィート)以内に向上させることができる。[ 234 ] [ 235 ] 2011年10月、24機の衛星による完全な軌道配置により、地球を完全にカバーすることが可能になった。GLONASS衛星の設計は数回のアップグレードを経ており、最新バージョンのGLONASS-K2は2023年に打ち上げられた。 [ 236 ]
  • 中国の北斗衛星測位システムは2018年に全世界でサービスを開始し、2020年に全面展開を完了した。北斗衛星測位システムは、中円軌道(全世界をカバー)の衛星24機、傾斜静止軌道(アジア太平洋地域をカバー)の衛星3機、静止軌道(中国をカバー)の衛星3機の3つの異なる軌道の衛星で構成されている。[ 237 ]
  • 欧州連合(EU)と他のパートナー国が開発中の地球規模のシステムであるガリレオ航法衛星システムは、2016年に運用を開始し、[ 238 ] 2020までに全面展開されました。2018年11月、FCCは米国でのガリレオの使用を承認しました。[ 239 ] 2024年9月現在、25機の衛星が打ち上げられ、衛星群で運用されています。[ 240 ] [ 241 ] [ 242 ]次世代の衛星は2026年以降に運用を開始し、第1世代の衛星を置き換え、バックアップ機能として使用することが期待されています。
  • 日本の準天頂衛星システム(QZSS)は、アジア・オセアニア地域におけるGPSの精度を向上させるためのGPS衛星ベースの補強システムであり、2023年にはGPSに依存しない衛星航法が予定されている。[ 243 ]
  • インドが配備しているインド地域航法衛星システム(運用名「NavIC」、インドの衛星群による航法)。

バックアップシステム

宇宙天気の悪化やGPSに対する対衛星兵器の配備といった事態が発生した場合、米国は地上のバックアップシステムを備えていない。こうした事態が発生した場合、米国経済への潜在的な損失は1日あたり10億ドルと推定されている。LORAN -Cシステムは、北米では2010年に、欧州では2015年に停止された。米国の地上バックアップシステムとしてeLoranが提案されているが、2024年時点で承認も資金提供も得られていない。[ 244 ]

中国はLORAN-C送信機の運用を継続しており[ 245 ] 、ロシアはCHAYKA (「かもめ」)と呼ばれる同様のシステムを有している。

参照

注記

  1. ^実際、船舶が正確に0mにある可能性は低いです。これは、潮汐やその他の要因によって平均海面と実際の海面との間に差異が生じるためです。外洋では、満潮と干潮の差は通常約0.6mですが、陸地に近い場所では15m以上になることもあります。詳細と参考文献については、潮汐差をご覧ください。
  2. ^軌道周期と速度は、4π 2 R 3  =  T 2 GMV 2 R  =  GMの関係式を用いて計算される。ここで、 Rはメートル単位の軌道半径、 Tは秒単位の軌道周期、 Vはm/s単位の軌道速度、 Gは重力定数であり、およそ6.673 × 10 −11  Nm 2 /kg 2 ; Mは地球の質量で、およそ 5.98 × 10 24  kg (1.318 × 10 25  lb) です。
  3. ^月が最も近いとき(つまり、363,104 km/42,164キロから、月が最も遠いとき(つまり、405,696 km/42,164キロ )

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