GPS(Global Positioning System)とは？意味をわかりやすく簡単に解説

text: XEXEQ編集部

GPS(Global Positioning System)とは
GPSの測位原理とその精度
GPSの三角測量による測位原理
GPSの測位精度に影響を与える要因
GPSの測位精度を向上させる技術
GPSの応用例と今後の展望
GPSを活用した様々なサービスと製品
GPSとほかの技術との連携による新たな可能性
GPSの高度化に向けた取り組みと将来展望
GPSの課題と対策
GPSの電波受信における課題と対策
GPSのセキュリティとプライバシーに関する課題
GPSの精度低下要因と対策技術

GPS(Global Positioning System)とは

GPSとはGlobal Positioning Systemの略称で、全地球測位システムを意味します。GPSは地球を周回する複数の人工衛星から発信される電波を受信し、現在位置を特定するためのシステムです。

GPSはアメリカ国防総省が開発・運用しているシステムで、当初は軍事目的で使用されていました。しかし、現在では民生用にも解放され、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など、幅広い分野で活用されています。

GPSの仕組みは地球上の高度約2万kmを周回する24個以上のGPS衛星から送信される電波を、地上のGPS受信機で受信することで成り立っています。GPS受信機は複数のGPS衛星からの電波を受信し、それぞれの衛星までの距離を計算することで、現在位置を特定します。

GPS衛星は地球を周回しながら常に電波を発信しているため、地上のGPS受信機は24時間365日、どこでも現在位置を特定することができます。ただし、建物の中や地下、電波の届きにくい場所ではGPSの電波を受信しにくいため、位置情報の精度が低下する場合があります。

GPSは現在位置を特定するだけでなく、移動速度や移動方向なども計測することができます。そのため、カーナビゲーションでは目的地までの最適なルートを案内したり、スマートフォンでは現在位置を地図上に表示したりするなど、様々な用途で活用されています。

GPSの測位原理とその精度

GPSの測位原理と精度に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

GPSの三角測量による測位原理
GPSの測位精度に影響を与える要因
GPSの測位精度を向上させる技術

GPSの三角測量による測位原理

GPSの測位原理は三角測量の原理を応用しています。GPS受信機は複数のGPS衛星からの電波を受信し、それぞれの衛星までの距離を計算します。この距離は電波が衛星から受信機まで到達するのにかかった時間から算出されます。

GPS受信機は少なくとも4つのGPS衛星からの電波を受信することで、現在位置を特定することができます。3つの衛星からの距離を計算することで、受信機の位置が3次元空間上の1点に絞り込まれます。さらに、4つ目の衛星からの距離を計算することで、時刻のずれを補正し、より正確な位置を特定することができます。

GPSの測位精度に影響を与える要因

GPSの測位精度は様々な要因によって影響を受けます。主な要因としては電離層や対流圏による電波の遅延、GPS衛星の配置状況、受信機周辺の地形や建物による電波の遮蔽などが挙げられます。これらの要因により、GPS測位の誤差は数m～数十mになることがあります。

また、GPSの測位精度は受信機の性能にも依存します。高性能なGPS受信機はより多くのGPS衛星からの電波を受信することができるため、測位精度が向上します。一方、低性能な受信機では測位精度が低下する可能性があります。

GPSの測位精度を向上させる技術

GPSの測位精度を向上させるために、様々な技術が開発されています。代表的な技術としてはDGPS(Differential GPS)やRTK-GPS(Real-Time Kinematic GPS)などがあります。これらの技術は地上の基準局からの補正情報を利用することで、GPSの測位誤差を大幅に減少させることができます。

また、近年では準天頂衛星システム「みちびき」や、ガリレオ、BeiDouなどの衛星測位システムが運用されています。これらのシステムを併用することで、GPSの測位精度を向上させることができます。特に、都市部や山間部など、GPS衛星の電波が受信しにくい環境下でも、安定した測位が可能になります。

GPSの応用例と今後の展望

GPSの応用例と今後の展望に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

GPSを活用した様々なサービスと製品
GPSとほかの技術との連携による新たな可能性
GPSの高度化に向けた取り組みと将来展望

GPSを活用した様々なサービスと製品

GPSは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をはじめ、様々な分野で活用されています。物流や運輸業界ではGPSを用いた車両管理システムが導入され、配送の効率化や安全性の向上に役立てられています。また、農業分野でも、GPSを利用した精密農業が行われ、作物の生育状況の把握や、効率的な農作業の実現に貢献しています。

GPSを搭載したウェアラブルデバイスも普及しつつあります。スマートウォッチやフィットネストラッカーなどのデバイスはGPSを利用してユーザーの位置情報や移動距離を記録し、健康管理や運動管理に役立てられています。さらに、GPSを内蔵したペットの首輪などもあり、愛犬の居場所を確認することができます。

GPSとほかの技術との連携による新たな可能性

GPSは他の技術と連携することで、新たな可能性を生み出しています。例えば、GPSとビーコン技術を組み合わせることで、屋内での位置情報サービスが実現されています。GPSは屋内では電波が届きにくいため、屋内専用の位置情報技術であるビーコンと併用することで、シームレスな位置情報サービスを提供することができます。

また、GPSとAI技術を組み合わせることで、より高度な位置情報サービスが可能になります。AIを用いて、ユーザーの位置情報や行動パターンを分析することで、ユーザーに最適な情報やサービスを提供することができます。例えば、ユーザーの現在位置や嗜好に合わせて、近くのお勧めのレストランを提案するなどのサービスが実現されています。

GPSの高度化に向けた取り組みと将来展望

GPSは今後もさらなる高度化が期待されています。現在、アメリカ国防総省は次世代のGPSシステムであるGPS III計画を進めています。GPS IIIではより高精度な測位が可能になるだけでなく、信号の強度や信頼性が向上し、電波妨害に対する耐性も強化される予定です。

また、各国が独自の衛星測位システムを開発・運用することで、GPSと併用することでより高精度な測位が可能になります。日本の準天頂衛星システム「みちびき」はGPSを補完し、山間部や都市部でも安定した測位を実現しています。今後、多くの衛星測位システムが連携することで、グローバルな高精度測位インフラの構築が期待されています。

GPSの課題と対策

GPSの課題と対策に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

GPSの電波受信における課題と対策
GPSのセキュリティとプライバシーに関する課題
GPSの精度低下要因と対策技術

GPSの電波受信における課題と対策

GPSは衛星からの電波を受信することで位置情報を取得するため、電波の受信状況によって測位精度が大きく影響を受けます。特に、建物内や地下、都市部の高層ビル街など、電波の受信が困難な環境では測位精度が大幅に低下したり、測位できなくなったりする可能性があります。

この課題に対応するため、GPSと他の測位技術を組み合わせるハイブリッド測位が効果的です。例えば、Wi-FiやBluetoothなどの無線通信技術を用いた屋内測位システムと組み合わせることで、屋内でも継続的な測位が可能になります。また、慣性航法装置(INS)と組み合わせることで、短時間のGPS電波遮断時でも、一定の測位精度を維持することができます。

GPSのセキュリティとプライバシーに関する課題

GPSは個人の位置情報を取得・送信するため、プライバシー保護とセキュリティ確保が重要な課題となっています。GPSを利用したサービスやアプリケーションではユーザーの位置情報が第三者に収集・悪用されるリスクがあります。また、GPSの電波が妨害されたり、偽の電波が送信されたりすることで、測位結果が改ざんされる可能性もあります。

これらの課題に対しては暗号化技術や匿名化技術を用いたセキュリティ対策が重要です。例えば、位置情報の送信時に強力な暗号化を適用することで、第三者による傍受や改ざんを防ぐことができます。また、位置情報を匿名化処理することで、個人の特定を困難にし、プライバシー保護に役立てることができます。さらに、GPSの電波を認証し、偽の電波を排除する技術も開発されています。

GPSの精度低下要因と対策技術

GPSの測位精度は様々な要因によって低下することがあります。電離層や対流圏による電波の遅延、マルチパス(電波の反射)による誤差、衛星の配置状況などが主な要因です。これらの要因により、測位誤差が数m～数十mに達することがあります。

GPSの精度低下を抑えるために、様々な対策技術が開発されています。代表的な技術としてはDGPS(Differential GPS)やRTK-GPS(Real-Time Kinematic GPS)などがあります。これらの技術では地上の基準局で観測されたGPSの誤差情報を利用して、移動局(ユーザー)側のGPS測位精度を向上させます。また、複数のGNSS(全球測位衛星システム)を併用することで、衛星の可視状況が改善され、測位精度の向上が期待できます。