グローバル・ポジショニング・システム

仕組み

GPSユニットは、地球を周回する宇宙空間にある人工衛星からの電波を受信する。地球の上空20,200kmに31基の衛星がある。軌道の周期は11時間58分。地球の半径の関係で、それぞれの円の半径は2万6600キロ（1万6500mi）。GPSユニットは、北極や南極から遠く離れた場所で、一度に6〜12個の衛星からの信号を受信することができる。それぞれの衛星には原子時計が搭載されており、NORADが毎日数回、慎重に設定している。

無線信号には、衛星の時刻と位置に関する情報（エフェメリスを含む）が含まれています。GPS受信機は、信号が送られてきた時刻から現在の時刻を引きます。その差が、信号が送られてきた時間である。この時間差に光速をかけたものが衛星までの距離となる。GPSユニットは三角法を使って、各衛星の位置と距離から自分の位置を計算します。通常、幾何学的な方程式を解くためには、少なくとも4つの衛星が必要である。GPS受信機は、1秒間に何度も位置を計算することができる。

安価な民生用受信機の多くは、地球上のほとんどの場所で20メートルの精度を持っています。

GPSユニットは通常、現在の速度を計算することもできます。携帯電話に搭載されているような安価なものは、現在の位置と最近の位置を比較して計算します。航空機に搭載されているような高価なものは、ドップラー効果を利用して非常に正確に計算します。

GPS衛星は4つの平面で地球を周回し、さらに赤道上にもグループがある。この青い衛星は、北緯45度にあるGPS受信機から見える。赤い衛星は地球に遮られています。

沿革

20世紀半ばから、さまざまなラジオ・ナビゲーション・システムが実用化されてきた。1960年代には、人工衛星に無線送信機を搭載する実験が行われた。1970年代にアメリカ空軍が設計した新しいシステムは、当初「Navstar」と呼ばれていました。これがGPSとなり、米軍のみが使用していた。1983年、レーガン大統領の命令で、誰でも使えるようになったが、まだ小さすぎて使い物にならなかった。最高精度の信号は暗号化されており、軍部のみが使用を許されていたが、1990年代には一時的に暗号が解除され、今世紀に入ってからは恒久的に使用できるようになった。

GPS受信機の中には、電源とディスプレイが別々のユニットになっているものがある。20世紀にはそれが主流だった。当時の軍用受信機は、地理的な座標のみを表示するものや、表示はせずに別の機械に座標を伝えるだけのものもあった。

現在、GPS受信機の大半は携帯電話に搭載されており、腕時計や自動車などにも多く搭載されています。携帯電話のGPS部分は小さく、通常は貧弱ですが、携帯電話は携帯基地局やWi-Fi信号も利用しています。

その他のシステム

同じような機能を持つシステムは他にもあります。一つはロシアが宇宙に投入したもので、GLONASSと呼ばれています。もう1つは、まだ完成していないもので、ガリレオと名付けられ、欧州連合が作っています。