衛星測位システム

衛星測位システムとは、航法衛星から発射される信号を用いて位置測定・航法・時刻配信を行うシステムをいう。

海事・航空の分野では、衛星航法システムとも呼ぶ。

1. 概要
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衛星測位システムは、測位衛星からの電波を受信し、位置を測定している。位置とは、地球上の位置であり、衛星のみを用いた単独測位では、衛星を基準点として、地球重心に対する位置を測定している。また、複数の観測地点もしくは既知の地上基準点を用いる用いる相対測位／リアルタイムキネマティック測位では、単独測位よりも大幅に測位精度が向上する。

日本では、国土地理院がGNSS連続観測システムの構成要素として、電子基準点を全国に約1,300点設置しており、得られたデータは、電子基準点データ提供サービスを通して、リアルタイムキネマティック測位等に用いられる。加えて、NTTドコモやソフトバンク等の民間企業も、独自の基準点を設置し、高精度の衛星測位サービスを提供している。

海空交通の分野では、衛星航法システムと呼ぶ。衛星航法とは、複数の航法衛星が航法信号を地上の不特定多数に向けて電波送信し、それを受信する受信機を用いる方式の航法を指す。システムは航法衛星群とそれらを管制する幾つかの地上局から構成される。衛星航法システムの草分けは軍用のトランシット  である。

1.1. 用語
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地理空間情報活用推進基本法の第二条4項に「衛星測位」が定義されている。これによれば「人工衛星から発射される信号を用いてする位置の決定 及び当該位置に係る時刻に関する情報の取得 並びにこれらに関連付けられた移動の経路等の情報の取得をいう」と規定されている。この規定に基づいて日本では「衛星測位システム」と呼ばれることが多い。

2011年4月からは国土地理院では全地球型のシステムを、GNSSと呼称することになった。よく誤解されるが、GPSはあくまでも衛星測位システムの中の1つであり、一般の衛星測位システムそのものを指すものではない。また一般の航法衛星を指して「GPS衛星」と呼ぶことも誤用である。日本の政府文書や産業文書では、「測位衛星」と呼ばれている。

衛星航法のシステムを指す一般的な用語としては「航法衛星システム」"Navigation Satellite System"  が用いられることがある。英語圏では、その衛星を「航法衛星」"navigation satellite" と呼ぶ。日本では「衛星航法システム」"satellite navigation system" も使用される。

また、衛星システムとは、「人工衛星」および「地上系」からなるもので、利用者セグメントは含まれないのが通常である。そのため、「航法衛星システム」には、利用者セグメントが含まれず、インフラ側のシステムを指している。

これに対して、「衛星測位システム」には、利用者セグメントが含まれている。2000年代以降、インフラ側は政府や特定企業が構築することが多くなり、産業上の責任を明確にするため、「衛星システム」と「利用者セグメント」を区別することが重要になってきた。「衛星システム」と「利用者セグメント」を合わせたものが「衛星測位システム」である。

1.2. 全地球航法衛星システム
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Global Navigation Satellite System  という用語が国際的に用いられている。

米国政府は、全地球航法衛星システムを特定地域向けの衛星系も含めた包括的システムと定義し、さらに下記のように分類している：

全地球を利用可能範囲とする衛星系を「全地球衛星系」
特定地域向けに限定したコンステレーションを持つ衛星系を「地域衛星系」
衛星を用いて航法を補強するシステムを「衛星型補強系」これは、QZSSが日本のGNSSである、とする日本の規定とも整合しているdate=2018年11月}}。

国土地理院が定める公共測量に係る作業規程の準則においては、従来の「GPS測量」の用語に代えて、2011年4月からは「GNSS測量」の用語を使用するように改訂された。

なお、Global を「全地球」よりも「全球」などと訳すべきとの異論が出ているdate=2018年11月}}。その理由は、globe/global の本義が「球」であり、その意味で Global Surveyer など火星や月の衛星型測量機の名称にも使用されているからであるdate=2018年11月}}。

2. 分類
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2.1. 対象範囲による分類
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対象範囲による分類は、米国の国務省や航空宇宙局による分類、中国や欧州による分類の２つがあり、全世界的には統一されていない。米国は、GNSSのリーダーシップをとる政策をかかげて、前述のとおり、GNSSを1つのシステム・オブ・システムズとよんでいる。これに対して、中国や欧州は、GNSSとは、GPS・GLONASS・Galileo・BDS の４つとし、常に複数形を用いている。

なお国際標準規格は、GNSSは、Global Navigation Satellite System としており、複数形ではない。

GNSS を GPS・GLONASS・Galileo・BDS の4つとし、特定地域向けのシステムを「地域航法衛星システム」 と呼ぶ立場からすると「日本の準天頂衛星システムは、GNSS ではない」ことになる。これにより、数多くの重要な国際文書や規定において、準天頂衛星システムが GNSS から除外されているdate=2018年9月}}。日本国内の多くのサイトや技術資料においても、準天頂衛星システムを RNSS と記載しているものがある。

ここで、RNSS  - 日本

インド地域航法衛星システム- インド

2.1.1. 準天頂衛星システム
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4機の人工衛星からなりGPS等の位置情報を補正して高精度の測位を可能とする日本の準天頂衛星システムは、2018年度から運用が始まった。2023年度を目途に7機体制に拡張される予定である。

かつて、新衛星ビジネス株式会社が2002年に設立され、高速で移動する車輛の内部で精度25cmとされる測位精度を用いた各種事業が検討された。最初の人工衛星は、2008年に打ち上げられる予定であった。予算の都合で、通信・放送との複合機能衛星となっており、それらのサービスのシナジー効果が期待されていたが、採算性の面から2006年3月に放送・通信の事業化が断念され、純粋な測位衛星として利用されることになった。

一方、政府による打ち上げの動きもあり、2005年の第44回衆議院議員総選挙の自由民主党マニフェスト「政権公約2005」の52項目にも「国家基盤としての衛星測位の確立と骨格的空間情報の整備」との記載があった。政府ではその後、内閣官房に測位・地理情報システム等推進会議が設置され、2006年3月には「準天頂衛星システム計画の推進に係る基本方針」を発表した。それによると、国家が衛星測位の重要性を認識し、民間の資金負担がないとしても、国家が衛星測位システムを整備することを宣言した。

2010年9月11日に、準天頂衛星の実用試験機として初号機「みちびき」  が打ち上げられた。2013年に運用が開始され、2016年現在は1機体制でL1-SAIF信号を送出しており、高精度なSBAS的利用が可能である。今後、2017年に衛星3機が追加で打ち上げられ、2018年に4機体制でシステムを運用開始し、さらに2020年に初号機の後継1機と2023年に衛星3機を追加して7機体制で運用することが決定された。

2.1.2. NavIC
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NavIC : Navigation with Indian Constellationは、インド政府の下でインド宇宙研究機関によって現在開発が進められている衛星航法システムである。2006年5月に政府は計画を承認して2014年に完成して運用を始める予定である。7機の航法衛星から構成される。7機の衛星は全て静止軌道から地域の地図情報を送信する。天候に関わらず7.6m以上の精度でインドとその周辺のおよそ1,500   kmの地域を網羅する。最終目標はインド全域で端末も全てインド製になる予定である。

2.1.3. DORIS
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Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite  はフランスの衛星測位システムである。

2.1.4. 北斗 1
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中国の地域衛星系で全地球規模のCompass ナビゲーションシステムへ拡張中。

2.2. 衛星型補強系
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航空機での精度向上を当初目的として、衛星航法補強システム  が運用されている。

WAAS
MSAS
EGNOS
GAGAN
KASS
また、次の地域においてSBASが計画されている。

- 中米、南米
AFI - アフリカ
MALAYSIA - マレーシアを中心とする東南アジア
CWAAS - カナダ民間企業による全地球測位補強サービス

公共のディファレンシャル測位補強サービス

Coast Guard NDGPS
海上保安庁 DGPS
EUPOS DGNSS
- 韓国

2.3. 衛星系の比較
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3. 技術
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3.1. 航法信号
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衛星側から利用者側への情報の流れは、一般的には一方向の電波によるダウンリンクで実現されている。航法信号は、衛星メッセージとコードの2つを重ねて多重化したデジタルデータで搬送波を変調して生成される。このデジタルデータは衛星時刻と高度に同期している。

衛星メッセージ 送信時刻や衛星軌道情報などが含まれる。 コード 周期的に変調されたコードを受信側が航法信号から分別することによって、伝播時間の測定が行われる。 搬送波 搬送波はC, S, Lのバンドが使用される。Cバンドがアップリンクに使用され、SバンドとLバンドが利用者への航法信号の搬送波に使用されているが、将来、Cバンドを航法信号への使用することも考えられている。衛星メッセージはコードを排他的論理和  によって変調することで両者は多重化される。この多重化されたコードを元に搬送波がスペクトル拡散による変調を受けて送信すべき航法信号が生成される。

PRNによるコード生成一般にはコードは擬似ランダム雑音  を使って生成される。擬似ランダム系列の信号は、開始位置の時刻を定めておけば、復調時にその生成時刻を知ることができる。

3.2. 原子時計
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航法衛星は航法信号生成の基準として原子時計を搭載している。航法衛星搭載の原子時計には、時計バイアスの短中期的変動予測が規定誤差内に収まる品質が求められ、宇宙空間で長期に亘る稼働を続ける信頼度が求められる。

一般に航法衛星には複数個の原子時計を搭載し、そのうちの1つを動作させるが、寿命等による信頼度低下が地上局での監視により限界を超えると判断された場合は停止させ、残りの原子時計の一つへ動作切り替えを行う。搭載している全ての原子時計が劣化した場合には、その航法衛星は退役とする。

米国のGPSでは衛星搭載原子時計の高い技術と運用実績を持ち、寿命限界の近くまで原子時計を動作させることも行われている反面、予期せず急速に劣化する事象への対処が遅れ、利用者への通知が遅れるトラブルも発生している。

3.3. ディファレンシャル測位
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ディファレンシャル測位もしくはディファレンシャルGNSS  と呼ばれる。各衛星からの航法信号送信時刻に関わる精度阻害の程度のうち、系統誤差に分類される要因によるものを合わせた寄与はおよそ1から7mに相当する範囲にある。これを補正情報として利用者へ伝送すれば、測位計算の際に系統誤差だけは相殺でき正確な測位に近づけることができる。補正情報は、位置情報が既知である地上に固定された基準局受信機における各衛星の測定値を用いてほぼ実時間的に生成し利用者へ伝送する。陸域では誤差が1cm以下の高精度補正情報を基準局網から生成することが日本国内では既に行われている。なおランダム誤差については補正情報によっては除去できない。

4. 誤差要因
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測位の精度阻害の程度は、各阻害要因からの誤差の総和で決まってくる。誤差の統計的性質は系統誤差とランダム誤差とに分類される。ここでは単独測位の場合の各誤差要因を取り上げる。

4.1. 受信機測定誤差
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受信機は、航法衛星送信時刻を測定するが上記のような測定誤差を持つ。

4.1.1. マルチパス
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航法信号は衛星のアンテナから受信機のアンテナまで直接到達することを前提に衛星航法システムは構築されているが、電波が地面や建物のような面に反射してから受信機のアンテナに到達するマルチパスが起きると、測定精度はさらに大きく低下する。カーナビのような移動体での大きな誤差の主な原因として考えられているが、個別に対処するだけであり容易に解決できない。マルチパスによる誤差はランダム誤差の性質を持つ。受信機及びアンテナの作りによっては、誤差の大きさは数十mを超える場合がある。

測量用に用いられる受信機及びアンテナではマルチパス誤差軽減の技術が進んでおり、ほぼ数m以下に軽減されている。しかし普及型の受信機及びアンテナではこのような技術の採用は困難とされている。

4.2. 衛星クロック誤差
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信号基準である衛星クロックの時刻ずれは、その中長期的変動値の情報が航法衛星から送信され、利用者側で補正計算を施す。しかし、このバイアス補正値には多少の誤差が含まれ、また短期的変動については補正されない。最終的には、ほぼ確実に5 ns以内にバイアスは補正される。

4.3. 衛星軌道誤差
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航法衛星から送信される、その天体暦の情報には、多少の誤差が含まれる。これの誤差は視線方向成分がほぼ1.5m以下となる。

4.4. 電離圏遅延誤差
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大気の屈折率は大気中を伝播する衛星電波信号の伝播遅延を生じ、これを大気遅延と呼んでいる。衛星航法システムではおおよその推定値を利用者へ伝送し、利用者はこれを用いて大気遅延の影響を取り除く測位計算の処理をおこなう。また大気遅延の大きさは衛星視線方向が低仰角になるほど増大するが、この遅延量は通常は、天頂方向遅延に仰角依存性係数を乗じた形を用いてモデル化される。大気遅延の推定誤差は測位座標へ誤差を生じさせる。

この大気の屈折率を決める大きい要因は、大気を構成する気体中の電離電子の量である総電子数  であり、電離電子は主に電離圏及びプラズマ圏に存在する。電離電子に起因する伝播遅延を指して習慣上、電離圏遅延と呼んでいる。TECは太陽黒点活動、季節変化、日変化、高度と位置による変化があり、これを高精度に推定することは容易ではない。GPSで利用者へ伝送される電離圏天頂遅延値の推測値に含まれる誤差は距離に換算しておおよそ1.5 m以下であるが、これを超えることもある。電離圏遅延の傾斜係数は仰角30度ではおよそ1.7、仰角20度ではおよそ2.1の値となる。

4.5. 対流圏遅延誤差
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中性大気とは大気中の電離電子を排除して考えた大気成分を言い、主に対流圏及び成層圏に存在する。この中性大気成分も屈折率を生ずる。中性大気に起因する衛星電波信号の伝播遅延を指して習慣上、対流圏遅延と呼んでいる。

中性大気はさらに気体としての水とそれ以外の気体成分とへ二分でき、湿潤成分及び乾燥成分と呼ばれる。対流圏遅延のうち湿潤成分による伝播遅延はおよそ10%以下であり、すなわち天頂方向遅延は0mから0.2mの範囲にある。利用者受信機においては乾燥成分に比べ湿潤成分の屈折率を高精度に推定することは容易ではなく、測位座標へ誤差を生じさせる。これらの対流圏遅延の傾斜係数は仰角30度ではおよそ2.0、仰角20度ではおよそ2.9の値となる。

4.6. アンテナ位相中心の位置
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受信アンテナの形状に応じてアンテナ平均位相中心が変わるため、精密な測量を行う場合には、キャリブレーションが必要になる。

5. 安全保障に関する製品・技術の取引規制
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5.1. 安全保障輸出管理
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ワッセナー・アレンジメントなど、旧ココム規制を継承する安全保障輸出管理規制がある。

高度以上、速度1,900km/h以上では大陸間弾道ミサイルのような用途への搭載を防ぐために輸出できない。

また、慣性航法装置を複合したGNSS測位端末は規制されている。

5.2. 国際武器取引規則
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米国製の武器関連品目・技術の取引を規制する米国の行政規則の一つで、国務省の武器取引管理局が所管している。

6. コンステレーションの統合運用
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全地球コンステレーションとして、GPS、GLONASS、ガリレオ、北斗の4つがあり全てが稼働すると100機以上の航法衛星が運用されることになる。また、地域コンステレーションとして準天頂衛星システムやインド地域航法衛星システムがある。このような航法衛星システムの構築と維持には多額の経費が掛かるため、特定の国家や軍が関与する割合が高い。

利用者側の立場から考えれば、GPSに限らず複数の航法衛星システムを1つの安価な受信機で測位に使用できれば可用性もしくは利便性や冗長性が向上が期待できる。具体的には、空が開けていない場所等の条件下でも、利用者受信機が可視衛星を4機以上受信できる可能性が増大することになる。

また利用者にとって、特定の1つの航法衛星システムだけに頼って永続的なサービスの受益を期待することには不安が付きまとう。例えば、GPSは、航法衛星の長期運用の優れた技術を有しているが、その反面、寿命リスクが高まるぎりぎりまで衛星の更新を遅らせる傾向も見られ、利用者の立場では信頼度低下及び衛星数減少の不安も若干生じている。

ただし上記の複数の航法衛星システムは互いに独立して運用されており、軍用/民間用の種別や有料/無料の種別や使用周波数帯を含めた電波特性や基準系、時系、信号構造、コードも含めて、ほとんどが異なる仕様に基づいているため、共用受信機の設計においてはそれぞれの仕様を取り込む必要がある。

しかし、今後計画されているGPS Block III 衛星及びガリレオ衛星については、そのL1C信号の仕様について相互運用性が確保されており、共用受信機の設計は容易である。したがって両システムが稼働すれば利用者にとってあたかも現状の2倍すなわち50機以上の航法衛星を持つ全地球航法衛星システムとして利用できることが期待され、特に都市ビル街など天頂方向しか空が開けていない場所での可視衛星数の増加に劇的に寄与する。なお準天頂衛星システムの航法衛星はGPSと統合運用を前提に設計されており、従って共通化されたL1C信号を送信するので上記の衛星群に加えて利用できる。

ただし信号共通仕様化がそれほど完全でなくても、各国の航法衛星システムの航法信号は中心周波数の共通化、共存性の確保、CDMA方式の採用、変調帯域幅のおおよその共通化、及びこれらの信号の民生使用開放が行われる見通しであり、多数の航法衛星システム信号に対応し100機以上の航法衛星に対応可能な安価な受信機も作り易く、将来は普及することが見込まれている。

最近では一般向けのGPS受信機もGPS, GLONASS, SBAS, QZSS対応のICチップの発表が始まっている。iPhone 4S にもQualcommの MDM6610 が搭載され、衛星測位の受信機機能を担っている。

7. NEYRPIC ACS 450
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NEYRPIC ACS 450はアルストム社が開発した衛星追跡システムでLバンドからKuバンドの帯域の周波数をカバーする。走行中の車両から正確に赤道上に位置する任意の静止衛星にパラボラアンテナを向ける事が可能である。

8. Enhanced GPS
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GSMとW-CDMA携帯電話でGPS信号を組み合わせることによってより高精度に短時間で位置情報を提供する事が出来るシステム。

9. ハイブリッド測位システム
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異なる規格の複数の測位システムを使用してより高精度に測位する。

10. ローカルエリア航法補強システム 
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GPS信号を受信することによって着陸を支援するシステム。着陸支援設備の整備されていない空港で視界の悪い状態で従来であれば着陸を断念しなければならなかったような気象状況においても従来よりも高精度で進入、着陸することが出来る。また、着陸支援設備が災害等で被害を受けた場合や未整備の地域でも効果を発揮する。

11. 脚注
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11.1. 注釈
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11.2. 出典
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12. 関連項目
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宇宙型測位政策
衛星システム
測量
最小二乗法
電波伝播
PND 
ディファレンシャルGPS
リアルタイム・キネマティック・ポジショニング
衛星航法補強システム
GPS Block IIIA

13. 外部リンク
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