Google Maps が地図上の正確な位置を特定するために携帯電話を使用した最後のとき、どのように GPS がそれほど正確に機能するのか、立ち止まって考えたことはありますか。
GPS (Global Positioning System) システムは実際には 1973 年に米国国防省 (NAVSTAR として知られる) によって開始されたものです。 1993年までに、24基のGPS衛星が地球を周回し、軍が航行やその他の軍事目的に使用できる軌道と位置のデータを放送していました。 1980年代には、GPS衛星から送信されるデータが一般に公開され、今日のGPSナビゲーション機器の幅広い品揃えのための市場全体が開かれたのです。
この記事を書いている時点では、ロシア、中国、ヨーロッパ、インドが独自のアクティブな GPS システムを持っています。 日本は、2023 年に運用開始予定の独自の GPS システムを開発しています。
How Does GPS Work?
GPS が基づいている衛星技術は非常に高度ですが、システムの運用方法は驚くほど単純です。 GPS衛星：地球の軌道を周回し、現在の時刻と軌道上の位置を、地球の側にあるすべてのGPS受信機に送信します。 コマンドセンターは、軌道上の衛星までの軌道データ、時間補正、および他の衛星の軌道位置を送信します。
GPS 受信機は、自身の位置を計算するために三角測量として知られている数学的原理を利用します。
How Does GPS Triangulation Work
地球上のどの地点からでも、GPS レシーバー（携帯電話のレシーバーなど）を持っていれば、頭上の各 GPS 衛星の同期クロックからタイムスタンプを受信できます。
タイムスタンプの差と、電波の伝わる一定の光速を用いて、GPS レシーバーは現在地からそれぞれの衛星までの距離を決定することができます。
各衛星は地球上を予測可能な軌道で移動するので、受信機はすべての GPS 衛星の現在既知の位置の保存されたアルマナックを使用して、これらの衛星が地球上のどこに現在位置しているかをおおよそ判断することができます。
各衛星の既知の位置と、それらの衛星と自分の位置の間の測定距離を使用して、GPS受信機は、3つの球の交差点が地球表面のどこに来るかを判断して、おおよその位置を計算することができます。
3 つの衛星がおおよその位置を提供し、GPS レシーバーは、三点支持として知られる別の数学的原理を使用して地表の現在の高度を決定するために、別の GPS 衛星から 4 つ目の信号を必要とします。 このチップは、GPS satellites.
Your phone’s clock is not an atomic clock, so its time isn’t synced with the atomic clocks of the satellites in orbit.このチップは、GPS衛星からの無線信号を受信することができ、その時間は軌道上で同期されていません。 しかし、これらの衛星からの信号を使用して位置を計算することになると、これは問題ではありません。
これは、携帯電話のGPS受信機が、衛星から受け取るデータ、および地球上の既知の衛星位置のデータベースに焦点を合わせているためです。 すべての衛星は原子時計を持っているので、各衛星の現在時刻は、任意の時点でまったく同じです。
しかしながら、衛星からの距離と、無線信号が光速で移動するという事実により、受信した各タイムスタンプの差は、携帯電話と各衛星の間の距離を明らかにするのです。
この GPS プロセスの仕組みは次のとおりです。
- 4 つの衛星はすべて、午後 5 時 12 分 14 秒に携帯電話にまったく同じタイムスタンプを送信します。
- 携帯電話は5時12分15秒に衛星1からそのタイムスタンプを受信します。
- それは5時12分16秒に衛星2からタイムスタンプを受信します。
- 最後に、5時12分17秒、衛星3からタイムスタンプを受信します。
これにより、GPS受信機は、衛星1から1秒、衛星2から2秒、衛星3から3秒、無線信号が到達するのにかかったことがわかります。
光の速度は、毎秒299792458mという既知の定数です。
Usinging simple math, the receiver can calculate that its distance is roughly 300 thousand meters from satellite 1, 600 thousand meters from satellite 2, and 900 thousand meters from satellite 3.
Using a lookup table from a GPS satellite database, your phone’ GPS receiver knows the approximate current location over the Earth of all 3 satellites, which provide longitude and latitude coordinates of all three.というように、GPS 衛星データベースからのルックアップテーブルを使って、あなたの携帯電話の GPS 受信機は、3 つの人工衛星の経度と緯度を知っています。
その情報により、携帯電話は地球上の自分の経度と緯度の座標を計算することができます。
既知の座標を使用して、GPS レシーバーは、自分自身と 4 番目の衛星との間で測定した距離を使用して、地球上のどの高度に位置しているかを判断できます。
Assisted Global Positioning System とは？
スマートフォンに GPS 回路を統合するまで、通常は単三電池駆動する手持ち型の GPS レシーバーが使用されました。 または、携帯電話のバッテリに接続して動作する GPS ユニットを自動車にインストールします。
これは、無線通信に多くの電力を必要とするためです。 そのため、GPS レシーバーが、自分の位置を計算するのに十分な GPS 衛星に「ロック」するのに数分待たなければならないことがよくありました。
スマートフォン メーカーは、既存のセルラー三角測量技術を組み合わせることによって、このバッテリの制限を回避しました。 携帯電話が GPS に対応するずっと前から、携帯電話の電波塔から届く信号を使用して、GPS 衛星と同じようなタイムスタンプと距離の三角測量技術を使用して位置を測定することができました。
残念ながら、携帯電話の電波塔は地上にあるため、このナビゲーション計算の精度ははるかに低くなっています。 そのため、スマートフォンの GPS ソフトウェアは、まず携帯電話の信号の三角測量を使っておおよその位置を決定し、衛星 GPS データの準備ができると、その位置を更新します。 このため、より正確なデータが利用可能になると、Google マップ上の自分の位置が時折新しい場所にジャンプするのを目にすることがあります。