モバイルは今：GPSの仕組み（1）

全文

(1)�� NO.5. GPS の仕組み（1）. 砂原秀樹奈良先端科学技術大学院大学 [email protected]. モバイル環境が普及するにしたがって，従来のアプリ. 取得すると 1 週間程度利用できる．この情報により，各. ケーションが同じように利用できるだけでなく，モバイ. 衛星のおおよその位置を知り，測位に利用する衛星を決. ルらしいアプリケーションが必要となってきた．特に，. 定する．. 位置情報に関連付けられた情報を扱うアプリケーション. Ephemeris Data は，その衛星の詳細な軌道周回情報で，. は，大きな役割を担っている．そうした中で「位置を知. これにより詳細な衛星の位置を求めることができる．. る」仕組みは，より重要な技術となってくる．今回から. GPS 時刻は，1980 年 1 月 6 日 0 時 UTC（協定世界時）. しばらくの間「位置を知る」仕組みの中で代表的なもの. を基準とし，そこからの週の数と各週の日曜日 0 時 UTC. である GPS（Global Positioning System －全地球測位システム）. からの秒数である．これと GPS 時間補正パラメータ，時. について見ていくことにしよう．. 刻同期パターンを送信しており，これにより衛星の時計. ●. と受信機の時計をナノ秒単位で同期させる．なお，GPS. GPS とは，アメリカ国防総省が管理・運用する人工衛. の 2000 年問題として話題になったものは，この GPS 時刻. 星を用いた位置測位システムである．衛星は 24 機あり，. の週数が 10bit しかなく，これがオーバーフローする 1999. 各衛星は高度 20,000km を 11 時間 58 分 2 秒でまわってい. 年 8 月 22 日 0 時 UTC に GPS による測位が正確にできなく. る．これを制御するコントロールステーションが地上に. なるというものであった．現在の受信機のほとんどは対. 設置されており．これによって各衛星の軌道等の制御が. 策がなされておりこの問題は生じない．. 行われている．位置を測位する側では，GPS 受信機を用. 電離層補正パラメータは，電離層による電波遅延の影. い受信される信号から緯度・経度・高度を計算し，受信. 響を計算するための情報で，この情報を用いて電離層の. 機の位置を知る．. 影響を補正している．. GPS 以外にも同様のシステムとして，ロシアが管理す. これらの情報から衛星から受信機までの信号の到達時. る GLONASS ，EU が計画している Galileo がある．日本にお. 間を計測し，これに光速をかけて衛星までの距離を求め. いても GPS を補助する形で衛星を用意し測位精度を高め. る．この作業をレンジングと呼び，3 機の衛星に対して. るという計画がある．. レンジングを行うと 3 機の衛星の位置とそこからの距離. さて，GPS による位置測位の仕組みを見ていくことに. を用いて，図 -1 に示すように三角交差法によって受信. しよう．各 GPS 衛星は，Almanac Data と Ephemeris Data と呼. 機の位置（緯度・経度）を算出することができる．なお. ばれる 2 種類の軌道情報を発信している．同時に，GPS. 実際には 3 次元的な位置関係になるが図では 2 次元に簡. 衛星に搭載された原子時計による GPS 時刻，電離層補正. 略化して示してある．. パラメータを発信し，これらの情報を用いて受信機の位. また，衛星 3 機からでは緯度・経度しか求めることが. 置を計算する．. できないが，衛星 4 機以上を捕捉すれば高度も算出する. Almanac Data は，GPS で利用可能な全衛星（通常 24 個）. ことができるようになる．24 機の衛星が周回している現. の軌道周回情報の概略を送っている．このデータは 1 度. 状では，ビル等の障害物がないかぎり 4 機以上の衛星が. 906. 43 巻 8号情報処理 2002 年 8月. −1−.

(2) 1 つは，SA（Selective Availability: 精度劣. 3つの円(正確には球)の交差点が受信機の位置. 化）と呼ばれるものである．もともとアメリカ国防総省が軍事利用を目的として構築した GPS は，他国が軍事目的に利用できないようにするため意図的に情報を劣化させるということを行っていた．これは，GPS 時刻に揺らぎを与えたり GPS 衛星の軌道情報に揺らぎを与えて行っていた．これによって時には 100m 程度の誤差が生じることもあった．. 図 -1 三角交差法. しかし，この SA は 2000 年 5 月 2 日 0 時 EDT（日本時間 2000 年 5 月 2 日 13 時 JST）に解除され現在に至っている．さらに，GPS には三角交差法を用いているため捕捉されている衛星の位置関係によっては，それによって精度が. ?. 下がるケースがある．図 -2 に示すようにたまたま捕捉された 3 つの衛星が. 体積. 近くになってしまった場合，3 つの衛星を中心とした球の交点を正確に計算することが困難となる．これに対して図 -1 のように衛星が天空上にちらばっている場合には交点の計算は比較的容易である．そのためこの衛星の位置関係をパラメータとして GPS で得られた位置の精度を示している．これが DOP （Dilution Of Precision）と呼ばれるもので，測位に利用している衛星（3 機以上）. 図 -2 DOP 値. と受信機の位置（GPS 計測地点）を直線で結んでできあがる立体（衛星 3 つの場合は三角錐）の体積に基づいて与えられる．この体積が大きいほど DOP 値は小さくなり，. 捕捉できるようになっている． ●. 精度が良いことを示している．. さて，ここで GPS の精度について見てみよう．衛星と. ●. 受信機の間には大気があるため，電離層の影響や大気の. GPS を利用したカーナビが普及し，GPS が携帯電話に. 揺らぎによって電波の伝播時間に揺らぎが生じ，どうし. 組み込まれるようになることで位置情報を扱うモバイル. ても衛星と受信機の距離の計算に誤差が生じてしまう．. アプリケーションは加速の一途をたどっている．こうし. そのため基本的に 25m 程度の誤差が生じると言われて. た中で正確に位置情報を計測することは重要な技術であ. いる．. る．次回は，そのあたりについて見ていくことにしたい．. この影響を補正する仕組みについては次回述べるが，. （平成 14 年 7 月 15 日受付）. これ以外にも誤差に影響する要素がある． IPSJ Magazine Vol.43 No.8 Aug. 2002. −2−. 907.

(3)