【技術のことば】GPS：位置は教わるのではなく、4機の衛星から計算する

スマートフォンの地図が現在地を出すとき、空の衛星から居場所を教わっていると思いがちです。けれども実際は、スマホが自分で割り出していました。
私たちが「GPS」と呼んでいるのは、アメリカが運用する衛星です。では、現在地を出すのに衛星はなぜ何機も要るのでしょうか。

この記事の事実と年月は内閣府のみちびき公式サイト「みちびきの必要性」によります。測位の仕組みは同じサイトの衛星測位入門（3）と（4）、衛星測位サービスで確かめました。

手がかりは、電波が届くまでにかかった時間

衛星は、自分の軌道と正確な時刻を信号に乗せて送り続けています。受け取る側がまず測るのは、その信号が届くまでにかかった時間でした。

電波の速さは秒速30万kmなので、かかった時間に掛ければ衛星までの道のりが出ます。いくつかの衛星からの道のりがそろえば、それを満たす1点が今いる場所です。

4機目は、手元の時計のずれを消すため

ところが、この方法には弱点がありました。衛星には原子時計が載っていて、送り出した時刻は10億分の1秒まで正確です。一方、スマホの時計はそこまで正確ではありません。

受け取った時刻が10万分の1秒ずれるだけで、答えは3kmずれます。しかもこのずれは、どの衛星までの道のりにも同じだけ乗ってきます。

だから3機分では、居場所と手元のずれを同時には決められません。内閣府のみちびき公式サイトは、どの距離にも誤差が乗るときは4点からの距離がそろって初めて場所が決まると説明しています。4機目は、手元のずれを割り出すための1機でした。

ビルの谷間では、見える衛星が足りない

GPSの衛星は世界中で共有しているので、ある場所の上空に見える数は十分ではありません。さらにビルや木で空が狭くなると、見える数はもっと減ってしまいました。

しかも建物で跳ね返った信号は、遠回りして遅れて届きます。これをマルチパスと呼び、遅れたぶん実際より遠くにいると見なされます。

真上に居続けるみちびきが、1機を足す

そこで日本が整備したのが、準天頂衛星システム「みちびき」です。みちびきはGPSと同じ信号を送り、時計もGPSにそろえているので、GPSの衛星が増えたのと同じ扱いで使える仕組みでした。

そして軌道に工夫があります。1機は日本付近から見て、地平線から20度以上の高さに1日約16時間とどまります。そして4機体制になってからは、いつもほぼ真上に1機がいる状態になりました。真上に近い衛星なら、ビルのあいだの細い空からでも電波が届くわけです。

体制	いつ	何が変わるか
4機体制	2018年11月から運用	GPSと合わせて見える数が増え、都市部や山間部でも測位が安定する
7機体制	整備中	日本周辺で常時4機以上。みちびきだけで位置を出せる

表の7機体制で「常時4機以上」とあるのは、まさに現在地を出すのに要る数です。4機そろえば、GPSに頼らずみちびきだけで割り出せます。

まとめ

• スマホは衛星から居場所を教わるのではなく、電波が届くまでの時間から道のりを出している
• 手元の時計のずれがどの道のりにも乗るので、現在地を出すには4機が要る
• 私たちが使うGPSはアメリカの衛星で、世界中で共有するため見える数は十分ではない
• ビルで跳ね返った信号（マルチパス）は遅れて届き、実際より遠くに見せる
• みちびきはGPSと同じ信号と時計を持ち、4機体制でいつもほぼ真上に1機がいる
• 7機体制になると日本周辺で常時4機以上が見え、みちびきだけで位置を出せる

スマホの現在地は、衛星までの道のりから割り出されていました。手元の時計のずれまで解くには4機が要ります。そしてビルに囲まれた街でその数をそろえるために、みちびきは真上に居続ける軌道を選んでいました。