このＰＤＦは，ＣＱ出版社発売の「GPSのしくみと応用技術」の一部分の見本です．
内容・購入方法などにつきましては以下のホームページをご覧下さい．
<http://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/45/45451.htm>
GPS のしくみと応用技術

Introduction

GPS の応用
ナビゲーション/携帯電話から地上デジタル放送システムまで

GPS 受信機は，地上 2 万 km を飛行する衛星が発射している電波をとらえて，地球上の自分の位置情報を出力してくれます．この電波には，非常に精度の高い時刻情報が乗せられているため，ナビゲーション・システムだけでなく地上デジタル放送システムや携帯電話システムの周波数基準としても利用されています．

「GPS」という言葉を聞くと，カー・ナビゲーションを思い浮かべる人が多いかもしれません．以前は，初めて訪れた地域を移動しながら，助手席で地図を広げて必死に進行方向を案内したものです．道を間違えることもしばしばで，そのうち運転手が怒り出したりしたものです．
小型の液晶ディスプレイに現在地付近の地図とともに自分の位置を表示してくれ
るカー・ナビゲーションは，今や標準的なアクセサリになり，そのような光景が見られることは減りつつあるのでしょう．

1GPS とは◆ 米国が開発した全地球測位システム
GPSは，Global Positioning Systemの略で，衛星を使った測位システムの一つです．
測位システムの一般名称は，GNSS（Global Navigation Satellite Systems）で，「全地球測位システム」と訳されます．
GNSS は，地上約 2 万 km のところを飛んでいる衛星からの電波に乗せられた時
刻情報を受信し計算することで，地球上における位置（緯度，経度，高さ）を知るこ

1 GPS とはIntroduction

13

とのできるスケールの大きなシステムです（図 1）．
GPS は米国が開発した GNSS です．GNSS には GPS 以外に，ロシアのグローナス（GLONASS），欧州のガリレオ（Galileo）といった測位衛星システムもあります．現状，この分野では米国の GNSS，つまり GPS が先行しています．
◆ 三つのブロックで構成された巨大システム
GPS の衛星測位システムは，次の三つのブロック（セグメントという）で構成されています．
（1）GPS 衛星（スペース・セグメント）
GPS 衛星は，約 2 万 km 上空の六つの軌道に 4 基ずつ，計 24 基配置され，約 12 時間で地球を 1 周しています．GPS 衛星の数は保守や予備の関係で増減します．2009
年 1 月現在は 31 基で運用されています．
（2）地上管制（コントロール・セグメント）
地上管制は，GPS 衛星を監視したり制御したりします．衛星の時刻や軌道が許容範囲を超えないように随時，保守を行っています．

GPS衛星（スペース・セグメント）

受信機を搭載した自動車（ユーザ・セグメント）

図 1 GPS（Global Positioning System）は衛星と地上管制塔が連携した地球規模の巨大システム

14Introduction

GPS の応用GPS のしくみと応用技術

第1章

なぜ地球上の自分の位置がわかるのか？
世界標準時と位置がわかる地球規模の巨大システム「GPS」のしかけ

GPS システムの構成や運用のしくみは，とてもエレガントで洗練されたものです．
本章と第 2 章では，できるだけ平易な形で，GPS による測位の原理や実際の受信機の動きなどについて解説します．

1-1

システム全体の概要◆ 軍事用として生まれた地球規模の巨大システム
GPS 関連の民生市場が世界で最初に立ち上がったのは日本だと思います．その図 1-1 GPS 衛星の外観

1-1 システム全体の概要

第1章

23

きっかけは，90 年代中ごろから本格化したカー・ナビゲーションであり，さらにそれに続く携帯電話への搭載です．これらの民生市場の立ち上がりとともに，GPSはとても身近な存在となり，GPS 関連の書籍も多く出版されています．
GPS（Global Positioning System）
は，米国が運用する軍事用の測位システムです．
湾岸戦争のリアルな映像にあったように，もともとは艦船，戦闘機，軍事車両，さらにはミサイルなどのナビゲーションを行う目的で開発された人工衛星（図 1-1）が送信する電波を使った航法システムです．
古くは，ロラン，オメガ，NNSS といったシステム（後出の図 1-4 参照）が，軍事用/船舶用の電波航法システムとして運用されていました．これらの技術や測位原理を踏襲しつつ，さらに高い次元に進化させた，現在もっとも優れた電波航法システムと言えると思います．
◆ 三つのブロックで構成される
身近なところでは，携帯電話などの小形の受信機にしか GPS の存在を見ることができませんが，その名のとおりグローバルでとても大規模なシステムです．
GPS は次の三つの要素で構成されています．
（1）スペース・セグメント（space segment）：衛星系（2）コントロール・セグメント（control segment）：地上で GPS 衛星をモニタし，GPS 衛星が送信するデータを作る制御部分（3）ユーザ・セグメント（user segment）：カー・ナビゲーションや携帯電話などのユーザ部
カー・ナビゲーションは何気なく位置情報を表示しているように見えますが，その裏側で，上記（1）〜（3）の三つのセグメントが，高度に洗練された形で連携して位置を求めています．
まずはそれぞれのセグメントについて解説します．
① スペース・セグメント
図 1-2 と表 1-1（USCG ホームページ http://www.uscg.mil/から引用）に示
すように，6 面の軌道面 A 〜 F それぞれに 4 個以上の衛星が配備されており，2009
年 1 月現在で 31 個の衛星が稼動しています．
高度 20183 km を 11 時間 58 分で周回しており，地球の自転を加味すると，同じところに 23 時間 56 分後に戻ってきます．
GPS 衛星は，L1 帯（1575.42 MHz）と L2 帯（1227.6 MHz）と呼ばれる二つの周波数で航法用の信号を送信しています．L2 帯の信号は長らく軍事用の信号しか送信されていませんでしたが，GPS の近代化計画のなかで，この L2 帯の民生開放が決定

24

第1章

なぜ地球上の自分の位置がわかるのか？

GPS のしくみと応用技術

第2章

GPS 受信機のハードウェア
高周波回路と CPU の混載モジュール

本章では，実際の受信機を例に，受信機を構成する回路ブロックの働きと動作を説明します．GPS 受信機はアンテナ，増幅回路，フィルタ，RF IC，ベースバンド ICなどで構成されています．

表 2-1 に GPS 受信モジュール GN − 80（写真 2-1）主な仕様を示します．GPS の衛星
信号は，L1 帯（1575.42 MHz）と L2 帯（1227.6 MHz）の 2 波で送信されています．L1
帯には民生用コード（C/A コード）と軍事用コード（P コード）が乗せられています．
GN − 80 は，この民生用コードだけを使用する SPS（Standard Positioning Service）に対応しています．

ベースバンドICアンテナとの接続コネクタ

マイコンなどとの接続用コネクタ

写真 2-1 本章で題材にした実際の GPS モジュール（GN − 80，古野電気）

GPS 受信機のハードウェア

第2章

49

表 2-1 本章で題材にした実際の GPSモジュール（GN − 80）の仕様

2-1

項 目
受信周波数
受信コード
チャネル数
追尾感度
インターフェース
データ・フォーマット
出力更新周期
1PPS 出力
電源電圧
消費電流

仕 様
1575.42 MHz
C/A コード
16 チャネル，パラレル− 141 dBm
3.3 V，CMOSNMEA0183
1秒
1 秒 UTC 同期パルス
DC3.3 V64 m 〜 48 mA

受信機のブロック図

図 2-1 に示すように，GPS の受信機は次の三つのブロックから構成されています．
¡アンテナ¡RF ブロック¡ベースバンド IC
RF 回路とベースバンド回路は IC 化が進み，TCXO，SAW フィルタなどの機能

アンテナ

GPSモジュール
RFブロックSAWフィルタ

LC フィルタ

RFI C

ベースバンドIC

SAWフィルタ
TCXO

図 2-1 GPS 受信機はアンテナ，RF ブロック，ベースバンド IC の三つで構成される

50

第2章

GPS 受信機のハードウェア

測位結果
制御
コマンド

GPS のしくみと応用技術

第3章

受信データの中身と現在地の算出方法
GPS 時刻や衛星の健康状態がわかる

GPS 受信機は複数の衛星から「航法メッセージ・データ」を受け取ります．このデータには，GPS 受信機の位置の算出に必要な衛星の軌道データや各種補正データが含まれています．ここでは GPS 受信機の位置の算出方法や航法メッセージ・データの構成について解説します．

GPS 受信機は，3 基以上の GPS 衛星が送信した電波を受信して，時刻と現在位置を測定する装置です．この装置はカー・ナビゲーション・システムに広く利用され，車の位置を地図上に表示する目的に利用されています．
本章では，位置を計算するために必要な疑似距離の測定方法や航法メッセージ・データの内容について解説します．

3-1

GPS 受信データの復調◆ GPS 受信機の構成
図 3-1 に示すように，GPS 衛星から送信された電波は，一般にロー・ノイズのプリアンプ（LNA）を内蔵した GPS アンテナで受信します．受信された信号は，GPS受信機内部の LNA（高周波増幅器）で増幅され，一般の無線機と同様に局部発振器と混合されて中間周波数（IF）信号に変換されます．
IF 信号は中間周波数増幅部で増幅され，A − D 変換器を通してディジタル信号となります．この A−D 変換器は，1 〜 2 ビットのディジタル信号に変換するものが一般に使用されています．

3-1 GPS 受信データの復調

第3章75

GPS衛星電波の周波数・1575.42MHz（L1帯）
・1227.6MHz（L2帯）
・1176.5MHz
（L5帯）

電波

アンテナ
ミキサ（周波数変換器）

中間周波増幅部
A-D変換器
高周波増幅部

局部発振器

コード相関部（C/Aコードの復調）

CPU処理部（航法データの復調，衛星の軌道演算，位置演算）

シリアル・データ出力（位置，速度，時刻）

図 3-1 GPS 受信機の内部構成

ディジタル化した信号は，1.023 MHz の周波数で 1023 個の乱数（疑似ランダム・コード）で構成される C/A コードです．主にハードウェアで構成されたコード相関
部で各衛星固有の C/A コードと比較され，コード復調が行われます．各 GPS 衛星には衛星の登録数の 1 〜 32 までの固有のコードが割り振られています．
C/A コードを復調すると，C/A コードで 180 °位相反転された航法メッセージ・データが現れます．この復調は CPU 処理部で行います．この航法メッセージ・データには，GPS 受信機で位置の算出に必要な衛星の軌道データや各種補正データが含まれています．
◆ キャリア信号と C/A コードの関係
C/A コードの変調波形の例を図 3-2 に示します．
L1 帯の GPS 電波のキャリア周波数 1575.42 MHz で，各 GPS 衛星固有の C/A コー

76

第3章

受信データの中身と現在地の算出方法

GPS のしくみと応用技術

第4章

数 mm〜数 cm の高精度測位の方式とそのしくみ
二つの受信機でGHz搬送波の位相差を測定し誤差を除去する

本章では第 1 〜 3 章で紹介した方法よりも数千倍，精度の高い位置の算出方法について説明します．

◆ 1.9 mm の高精度測定が可能
GPS による測位は，通常使われる疑似雑音コードの C/A コード以外に，GPS 搬送波の位相を利用する方法があります．これは，受信機内部で発生させた信号と受信した GPS 信号の搬送波を，図 4-1 のように比較して位相差を測定するものです．実際の受信機では GPS 信号の位相をロックして追尾し，エポック（サンプリング間隔）ごとに受信機の基準信号との位相差をとり，その変化分を扱います．従って受信機で発生する搬送波は存在しないのですが，便宜上，搬送波の位相比較を考えます．
位相差には GPS 衛星と受信機との距離の情報が含まれているため，複数の衛星との位相差を測定することで，受信機の位置を算出できます．搬送波の位相を利用すると 1 波長（約 19 cm）の 1/100 程度（1.9 mm）の距離分解能が得られます．C/A コー
ドの到達時間差を利用する方法（10 m 程度の精度）に比べ，約 5000 倍も高精度です．
信号強度

受信機の信号

GPSの搬送波時間（位相）

図 4-1 受信機の内部信号と GPS の搬送波との位相を比較する

数 mm 〜数 cm の高精度測位の方式とそのしくみ

第4章

91

4-1

GPS を使った高精度測位のコモンセンス

GPS による測位には，単独測位と相対（ディファレンシャル）測位があります（図4-2）．
◆ 単独測位
単独測位は一つの受信機で測位するもので，GPS 電波をスペクトル拡散する疑似雑音コードの伝搬遅れを計測して，GPS 衛星からの距離を求めて受信機の位置を求めます．測位精度は 10 m 程度（2 drms ： 95 ％の測位結果が入る範囲）ですが，航空機や船舶，そしてカー・ナビゲーション・システムに広く用いられています．
◆ 相対測位相対測位は，基準点を設けて基準点の誤差と計測点の誤差は同じと仮定して，基準点の誤差を補正値として計測点に送り，計測点の誤差補正に使用する方式です．
従って基準点は動きのない固定点に設置され，補正に用いる基準点のデータは計測点のデータとリンクさせる必要があります．
GPS 衛星は地上から 2 万 km 上空にありますので，基準点と計測点の距離（基線長・10m程度
SPS
・民生用に多く用いら（C/A code）
れている

全世界がサービス・エリア
単独測位・10m程度PPS（P（Y）code）・軍および許可された者のみ使用可能

コード

基準局データが必要
相対（ディファレンシャル）・高精度化が目的
・基準局が必要・サービス・エリアは基準局の周辺のみ

・1m程度
・海上保安庁が提供している・アシストGPS

キネマティック
搬送波・cm以下の精度
・L1のみの1周波方式とL1，L 2を使う2周波方式がある

移動

図 4-2 GPS による測位には単独測位と相対測位がある

第4章

後処理

［後処理キネマティック］
1cm程度
測量（実時間配信不要）

スタティック ・数mm程度
・高精度の測量
静止・地盤変位監視
姿勢検出

92［リアルタイム・キネマティック（RTK）］
1cm程度
リアルタイム 測量
ネットワーク型方式が普及

通信手段必要数 mm 〜数 cm の高精度測位の方式とそのしくみ

二つ以上のアンテナを使用し，アンテナ相互の位置を計算して姿勢を検出する．3次元ジャイロ

GPS のしくみと応用技術

第5

章

1GHz 高感度
フロントエンドの試作
GPS 衛星の微弱電波を増幅しフィルタリング

高度 2 万 km の上空から飛んでくる電波は，− 130 dBm 〜− 150 dBm と微弱です．
これを復調用の信号処理 IC に渡すために，受信性能の良好なフロントエンドが求められます．

携帯電話，無線 LAN，GPS，Bluetooth，WiMAX など，1 GHz 以上の超高周波信号を利用したさまざまな携帯型のワイヤレス機器が普及しました．高い周波数を利用すれば，アンテナを小形化でき，携帯性が良くなります．携帯性の良さと移動のしやすさは，どんなワイヤレス機器にも求められます．
ワイヤレス機器の入り口には，アンテナや微弱で周波数の高い信号を増幅する低雑音増幅回路（LNA ： Low Noise Amplifier），搬送波を抽出する BPF など，繊細なアナログ信号を処理する回路（フロントエンド）が組み込まれています（図 5-1）．

アンテナ
フロントエンド

図 5-1 ワイヤレス機器のアンテナの後段には低雑音増幅回路（LNA）や BPF などの高周波アナログ回路がある
これをフロントエンドと呼ぶ

復調用の信号処理 I C
LNA

BPF

1 GHz 高感度フロントエンドの試作第5章

113

送信機との距離が大きい場合や，利用者が移動して電波が障害物でさえぎられても通信が途絶えないようにしたい場合には，受信性能の良好なフロントエンドが必要です．
今回は，携帯電話やカー・ナビゲーションに組み込まれている 1 GHz 以上の超高周波アナログ回路の一つの設計過程をお見せします．取り上げるのは，GPS 衛星の送信信号（1.57542 MHz）をアンテナで受信したあとのアナログ信号処理回路（LNA と BPF）です．

5-1

低雑音増幅回路の試作■ 働き
GPS 衛星から送られてくる電波は，とても微弱です．
この信号を安定して受信するためには，アンテナで受信した微弱な信号をアンプで十分に増幅してから，復調用のディジタル IC に入力する必要があります．
アンプの設計が悪く，アンプ自体から発生する雑音レベルが増幅後の信号レベルよりも大きいと，受信した信号が雑音に埋もれてしまいます．
アンテナで受信した信号はとても微弱で雑音に埋もれやすいため，雑音の発生が小さい LNA が使われます．LNA で信号を増幅すると，後段に接続されるフィルタやミキサなどで発生する雑音の影響も受けにくくなります．もちろん，復調用のディジタル IC にも，高い受信感度を実現するためのさまざまな工夫が施されています．

■ 求められる性能
LNA に求められる性能は次の三つです．
① 低雑音特性の IC やトランジスタを使って低雑音指数を実現すること② ゲインが高いこと③ 入力部のインピーダンス整合が最適であること◆ 低雑音
もっとも大切な性能は低雑音です．指標になるのが，増幅回路で一般的に利用されている雑音指数（NF ： Noise Figure）です．
雑音指数は，回路を通過した信号の S/N の悪化量を表します．雑音指数が大きい回路ほど，その内部で発生する雑音が大きいことを意味します．

114

第5章

1 GHz 高感度フロントエンドの試作

GPS のしくみと応用技術

第6章

GPS 用アンテナの試作
1.5 GHz の電波を−150 dBm 超の高感度で捕らえる

カー・ナビゲーション・システムなどに利用されている GPS 受信モジュールにおいては，軽薄短小を実現するためにマイクロストリップ・アンテナを用いることが多いようです．ここではマイクロストリップ・アンテナの特性や設計例を紹介します．

GPS のシステムを動作させるためには，はるか上空の GPS 衛星からやってくる電波（中心周波数： 1575.42 MHz）をしっかり受信する必要があります．そのための受信アンテナは，とても重要な設計要素です．ここでは，GPS 衛星から送られてくる電波の受信に適したアンテナ特性を調べて試作してみました．

6-1

電波の強さとアンテナの要件◆ 地上に届く電波の強さは理想条件下でも−132 dBm と微弱
GPS の衛星は，地球の中心から約 25000 km，地表から約 20000 km の高度を飛んでいます．また，その衛星から送信される電波の出力は 50 W 以下です．50 W というと非常に大きな送信出力のように思われるかもしれませんが，皆さんの家の近くにある携帯電話の基地局からも同じくらいの出力の電波が送信されています．
皆さんが持っている携帯電話と基地局との距離はせいぜい数 km です．ところが
GPS の場合，その 1 万倍前後の距離から送信された電波が地表付近に届くので，電波のレベルは非常に低くなります．それでは，地表にはどの程度の強さの電波が到来しているのでしょうか．

6-1 電波の強さとアンテナの要件

第6章

133

仮に GPS 衛星の送信アンテナのゲイン G が 2 倍（理想的な半波長ダイポール・アンテナ比），アンテナの効率ηを 100 ％，送信出力 PTX を 50 W，衛星から地表までの距離 d を 20,000 km，GPS 衛星が天頂方向（真上）にあり，大気等での減衰がゼロ，そして地面の影響もないとすると，地表での電界強度 E［V/m］は，

E＝7 ×√￣￣ηG P￣￣
7 ×√￣￣1 × 2×￣￣
50TX＝＝ 3.5 × 10 − 6 …………………………
（6−1）
d20000 × 103になります．
GPS 衛星から到達したこの電波を，理想的な半波長ダイポール・アンテナで受信したとすると，受信電力 PRX は次式で求まる電力 P［W］の 1/2 になります（GPS 衛星からは円偏波の電波が送信され，半波長ダイポール・アンテナは直線偏波アンテナのため受信電力は 1/2 になる）．

P＝

λEπ2

……………………………………………………………………
（6−2）

4R

ただし，λ：受信電波の波長［m］，R ：半波長ダイポール・アンテナの放射抵抗（73.13 Ω）
GPS の電波の自由空間における波長λ［m］は，

c 300000 × 103
λ＝ ＝＝ 0.19 …………………………………………………（6−3）
f 1575.42 × 106［m/s］，f ：周波数［Hz］
ただし，c ：自由空間における光の速度となり，従って受信電力 PRX［W］は，PRX ＝

0.19
3.5×10−6× π
4×73.13

2………（6 −4）＝7.66×10−14［mW］
÷2＝7.66×10−17［W］になります．これは非常に小さな電力です．高周波回路で一般に使われているdBm 単位で表すと，PRX［dBm］＝ 10log10（7.66 × 10 − 14）＝− 131.16 ……………………………（6−5）になります．
実際，上記の計算で仮定した条件よりも悪い条件での受信になると予想されるので，受信レベルはもっと低くなってしまいます．屋内やビルの陰に入ってしまうと，GPS 衛星から直接届く電波の受信は期待できず，あちこちで反射して届いた電波の受信になってしまうので，さらに低いレベルになります．そのため，GPS 受信機には− 159 dBm といった非常に高い受信感度が必要になります．

134

第6章

GPS 用アンテナの試作