GPS（全地球測位システム）
GPS（全地球測位システム）とは、地球上のあらゆる場所で高精度の位置情報や時刻情報を取得するために運用されている衛星測位システムである。もともとはアメリカの国防総省が軍事目的で開発を進めてきたが、今日では民生利用に大きく広がり、カーナビゲーションやスマートフォンの位置情報サービス、物流トラッキングなど、幅広い分野の基盤技術を支えている。24機以上の人工衛星が地球を周回し、それらから送られる電波を受信機が分析することで、現在位置を緯度・経度・高度の3次元で素早く割り出すことが可能である。近年は性能向上や補正システムの充実により、数センチから数ミリレベルまでの精密な測位を実現する技術が確立され、各国が競合する形で独自の衛星測位網を整備している。
仕組みと原理
基本的な測位原理は衛星からの信号伝播時間を利用するものである。複数の衛星が正確な時刻情報と軌道データを載せた電波を発信し、地上の受信機がその到達時間差から衛星との距離を算出する。4機以上の衛星との距離がわかれば3次元位置と時刻を同時に解決できる仕組みである。ここで不可欠なのが高精度な原子時計であり、衛星側にはセシウム原子時計やルビジウム原子時計が搭載されている。これらが正確な周波数と時刻を提供することで、GPS（全地球測位システム）の測位誤差を極めて小さく抑えられる。
衛星コンステレーション
中軌道(MEO)と呼ばれる高度約2万kmの軌道上に24機以上の衛星を配置し、地球全体をカバーするように設計されている。各衛星の配置バランスによって、地球上のどの地点でも最低4機以上の衛星が視界に入るように計算されている。複数衛星からの信号を組み合わせるため、衛星同士の位置関係が重要になる。より強固な測位を実現するには、GPSだけでなく、GLONASS(ロシア)、Galileo(EU)、BeiDou(中国)といった他国の衛星測位システムとの併用も効果的である。
信号と周波数
GPS衛星はL1、L2、L5など複数の周波数帯を使い分けており、それぞれに異なるコードが重畳されている。軍事用途と民生用途では使用できる信号が分かれており、軍用はさらに暗号化された精密コードが利用される。民生向けに開放されているC/Aコードは周波数帯がL1中心であったが、近年は誤差低減のためL2CやL5帯の信号も追加され、高精度測位を狙うアプリケーションに対応している。これらの複数周波数を活用することで、大気の影響やマルチパスの影響を補正しやすくなる利点がある。
誤差要因と補正技術
GPSの測位精度を左右する主な誤差要因として、電離層や対流圏による電波の屈折、受信機内部クロックのズレ、マルチパス干渉などが挙げられる。これらを補正するために、衛星の軌道情報を高精度にアップデートするシステムや、地上局の観測データを活用するDGPS(Differential GPS)、RTK(Real-Time Kinematic)などの手法が利用されている。特にRTKは基地局と移動局の位相差をリアルタイムに比較する方式で、数センチ程度の精度を実現することが可能である。
測位以外の応用分野
高精度な位置情報に加え、正確な時刻情報を得られる利点が多岐にわたる産業分野へと波及している。金融機関の高頻度取引（HFT）システムではミリ秒レベルのタイムスタンプを同期するために、GPSの時刻信号が活用される。電力網では同期送電のために標準時刻を確立し、社会インフラ全体のタイミング制御を行う。加えて、農業や建設業界でも自動運転トラクターやマシンガイダンスを目的とした精密測位が普及しており、作業効率と精度の向上に貢献している。
民生利用と課題
現在ではほとんどのスマートフォンにGPS受信機能が搭載され、地図アプリや位置情報SNSなど多彩なサービスに不可欠な存在となっている。一方でトンネルや屋内、都市部の高層ビル街など、電波が届きにくい場所では測位精度が著しく低下することが課題とされる。そこでBluetoothビーコンやWi-Fi測位、さらには慣性センサーと組み合わせたハイブリッド測位が研究・実用化されており、屋内外を連続してシームレスに捉える技術が今後の焦点といえる。
今後の開発方向
近年は自動運転技術やドローンの自律飛行など、高精度な位置情報を前提としたシステムの重要性が高まっている。GPSを補完するため、準天頂衛星システム(QZSS)などの地域衛星や地上局の拡充が進められ、センチメートル級の高精度測位がいつでもどこでも利用できる環境が整備されつつある。欧米だけでなく、アジアやその他の地域でも独自の衛星測位インフラを構築する動きが活発化しており、国際的な競争と協力が同時並行で進んでいる状況である。