全地球測位システム Global Positioning System (GPS)【教則学習・詳細】
GPSはGlobal Positioning System グローバル・ポジショニング・システムの略で、日本語では全地球測位システムと呼ばれます。世界中で最も広く使用されている衛星ナビゲーションシステムで、位置情報、時間、速度情報などを提供するグローバルナビゲーション衛星システム(GNSS)の1つです。最新のGPS受信機は、30センチメートルの精度で位置情報を提供しています。使用される人工衛星は、正式名称は「ナブスター(NAVSTAR: Navigation Satellites with Time And Ranging)衛星」といいます。初めての衛星ナブスター1が1978年2月22日に打ち上げられ、当初は軍事用として使用されていましたが。1993年から民間にも開放され、世界中で利用されています。GPSシステムは米国政府によって所有され、米国宇宙軍が維持をしています。米国のシステムを利用させてもらっているという性質上避けられない事ですが、過去には米国の事情によりGPSの精度が意図的に落とされることもありました。
GPSシステムの構成概要
GPSは、30機以上の中軌道衛星: Medium Earth Orbit (MEO) satellite(高度20200km)、ナブスター衛星のネットワークです。GPSの仕組みは、衛星から送信される信号を受信機が受け取り、その信号の到達時間と衛星の位置情報を用いて、自分自身の位置を算出することです。複数の衛星から信号を送信しており、受信機はこれらの信号を受信して自分自身の位置を算出します。図の表現の関係から地球を少し傾けております。静止軌道衛星がいる場所が赤道の上空です。
GPSの構成要素
GPSは以下の3つのセグメントから構成されています。
宇宙セグメント
30機以上のGPS衛星からなり、高度約2万kmの軌道を12時間周期で周回しています。これにより世界中を常時カバーしています。
宇宙セグメント(SS)は、中軌道上に24〜32個の人工衛星から構成されています。人工衛星をロケットに搭載して軌道に打ち上げるのに必要なアダプターも含まれています。GPSの当初の設計では、3つの円形に近い軌道にそれぞれ8個ずつ、合計24個の人工衛星が必要とされていました。しかし、これは6つの軌道面にそれぞれ4個ずつの人工衛星を配置するように変更されました。6つの軌道面は、約55度の傾斜角(地球の赤道面に対する傾き)を持ち、上昇ノード(軌道面が赤道面を通過する線)が60度ずつ離れています。公転周期は恒星日の半分の11時間58分で、人工衛星は毎日同じ場所を通過します。軌道面は、地表のどの位置からも少なくとも6個の人工衛星が見えるように配置されています。そのため、各軌道面上の4個の人工衛星は等間隔にはありません。一般的に、各軌道面上の人工衛星の相対的な角度は30度、105度、120度、105度となっていて、合計すると360度になります。
制御セグメント
地上の管制局で、GPS衛星の軌道監視、制御、維持を行い、軌道からの逸脱が許容範囲内にあることを確認しています。
制御セグメント(CS)は、以下で構成されています。
ユーザーセグメント
GPS受信機です。4機以上のGPS衛星からの電波を受信して自身の位置と時刻を取得します。最大12機のGPS衛星が常に受信可能なように軌道が設定されています。衛星からの情報は1.1~1.5GHzの周波数帯域を使用しています。ユーザーセグメントは、安全なGPS高精度測位サービスの数十万人の米国および同盟国の軍事ユーザーと、標準測位サービスの数千万人の民間、商業、科学ユーザーで構成されています。
GPS測位のしくみ
上空のGPS4つの衛星から正確な位置・時間情報を得る。(4つ以上の衛星電波を受信できないと使用できない)
GPS測位のしくみ
GPS測位は、上空にある4つ以上のGPS衛星から送信される情報を使用して、受信機の正確な位置情報を得る技術です。GPS衛星は、極めて正確な原子時計を搭載しており、軌道位置や到着時間などの情報を送信します。
GPS受信機は、この情報を使用して衛星との距離を計算します。3つの固定点までの距離がわかっている場合、受信地点の絶対位置を把握することができます。ただし、時刻と位置を正確に見つけるには、少なくとも4つのGPS衛星が必要です。4番目の衛星との距離は、GPS受信機の時計の時間誤差を補償するために使用されます。
GPS受信機は、3つのGPS衛星で距離を計算することによって位置情報を計算し、補正と精度のために4つ目以上の他のGPS衛星との距離を使用します。少なくとも4つのGPS衛星が受信機に見える場合、それはロックまたは修正中(フィックス)であると言われています。GPS受信機は、少なくとも4つの衛星で距離を計算することで、位置情報(緯度と経度)と現在(UTC)タイムスタンプ(時刻情報)を正確に把握することができます。
GPS信号
GPS(Global Positioning System)信号は、GPS衛星が2つのキャリア周波数で信号を送信していることから始まります。L1(1,575.42 MHz)とL2(1,227.60 MHz)と呼ばれるこれらの周波数により、GPS信号は送信されます。この信号には、一般に公開されている信号波であるC/A(Coarse/Acquisition)コードでエンコードされるものと、米軍のみが使用する信号波であるP(Precise)コードでエンコードされるものがあります。
通常の運用状態では、PコードはYコードによって暗号化されてP(Y)コードを作り、有効な暗号解読鍵を持つ解読機だけが解読できるようになっています。C/Aコードには、各衛星およびナビゲーションメッセージの識別コードが含まれています。GPS衛星からのL1信号は、C/Aコードで位相変調され、C/Aコードはデジタル信号で、0と1は1023パターンの連続したデジタルパルスによって符号化されます。
ナビゲーションメッセージは25フレームで構成され、それぞれに300ビットの5つのサブフレームがあります。したがって、各フレームには1500ビット(0と1)があります。各ビットのデータ長は20ミリ秒であり(つまり、ビットのC/A信号の合計パルス幅は20ミリ秒)、それぞれの衛星はC/Aコードに固有の拡散符号を使っているので、同じ周波数で同時に送信しても受信時に分離することが可能になっています。
各衛星は、荒い精度のC/Aコードと高精度のPコードの少なくとも2種類の信号を、直接拡散スペクトラム・コードによって送信しています。Mコードは、軍用のコードであり、GPS信号に対するスプーフィング(なりすまし)攻撃や妨害電波(ジャミング)に対する耐性が強化されたコードです。2021年中に使用が始まるっています。
GPSの使用周波数
GPSの周波数には、L1、L2、L3、L4、L5の5つがあります。
L1 (1575.42MHz): 1つ目の民用信号で、ナビゲーション・メッセージ、C/Aコード、P(Y)コードを送信しています。また、ブロック2R-MよりMコードを乗せた軍用信号もL1周波数上で送信しています。新しいブロック3衛星からは、L1C(L1より高強度)民用信号を混合して送信することが計画されています。
L2 (1227.60MHz):P (Y) コードを送信しており、ブロック2R-M衛星より2つ目の民用信号L2C(L2より高強度)を混合して送信しています。L2に対してもMコードを乗せて軍用に送信しています。
L3 (1381.05MHz):核爆発探知システム (Nuclear Detonation Detection System, NDS) が使用しています。
L4 (1379.913MHz):電離圏層の情報を収集して研究に使用しています。
L5 (1176.45MHz):2009年に打ち上げられたGPS衛星2R-20Mから試験が開始され、本格的な運用は2010年以降のブロック2F衛星の打ち上げ以降になります。L1/L2に比べて10倍のバンド幅を持ち、3dB(2倍)の尖頭電波強度を持つ民用の3つ目の信号です。10倍の長さの拡散コードを使い、信号体系も向上させたことで、より高精度の位置測定が可能になりました。また、人命救助等にも活用される他、航空関係者もこれによって、L2よりL5で通信妨害や混信に対して効果的に対応できるようになりました。
各衛星の軌道
衛星の軌道情報は、アルマナックと呼ばれる年鑑にも収録されています。アルマナックには、GPSネットワーク内のすべての衛星の粗い軌道とステータス情報が含まれており、GPS受信機が現在の時刻と位置を知るために必要な情報を提供します。受信機は、アルマナックから利用可能な衛星を見つけ、それらを使用して現在位置を計算することができます。
GPSの精度
GPSの位置精度は、様々な要因に影響を受けます。一つは、GPS信号が電離層を通過することによって生じる位置誤差です。また、対流圏でのラジオ反射や、建物や地面などからの反射によっても誤差が生じます。さらに、GPS受信機自体のノイズも位置精度に影響します。GPS位置の精度は、DoP(精度の希薄化)という指標で表されます。DoPは、GPS衛星の配置や追跡される衛星の数によって決まります。追跡される衛星が空に等間隔に配置されている場合、DoPの値が小さく、位置精度が高いことを示します。逆に、衛星の間隔が不釣り合いに離れている場合、位置精度が低下します。
GPS受信機は、少なくとも4つの衛星を追跡する必要があります。受信機は、最初のロックや修正中(フィックス)でアルマナック情報を取得し、他のどの衛星を受信できるかを知ることができます。受信機から見える衛星の数が多いほど、信号強度が高く、位置精度が向上します。最大12個の衛星がGPS受信機から見えるようになります。
アシストGPS Assisted GPS(A‐GPS)
差動GPS Differential GPS (DGPS)
その後、GPSをはじめとするGNSSの精度が格段に向上し、役割を終えたとして、2019年に運用を停止しました。しかし、近年では気象衛星ひまわりなどの静止衛星からも補正データを発信しており、その補正データを受信することにより、どこでも1m程度の測位が可能となっています。DGPS方式は工事や測量といった場面でも広く用いられています。
GPSデータ
GPSデータは、GPS受信機が受信した情報をさまざまな形式で通信するものです。標準データ形式には、すべてのGPS受信機で使用されているNMEAというデータ形式があります。NMEAデータは、メッセージ文字列で構成され、コンマで区切られたデータフィールドで構成されています。GPS受信機は、NMEAデータに加えて、独自のデータ形式を使用することもできます。GPSデータは、一定の間隔で送信されるため、更新レートと呼ばれます。多くのGPS受信機は、1秒ごとにGPSデータを更新しますが、現在は5Hzから20Hzの更新レートを持つGPS受信機もあります。GPSデータには、チェックサム・バイトが含まれ、復帰と改行で終了します。打上げ済みの衛星
ブロックIシリーズ
打ち上げ日:1978-02-22~1985-10-09 運用終了GPS衛星の第1世代シリーズ「ナブスター・ブロックI」これらの衛星は、1978年から1985年にかけて11機が打ち上げられ、10機が成功しました。GPSシステムの実用性を検証するための実験衛星で、航法開発衛星(NDS:Navigational Development Satellite)とも呼ばれていました。打ち上げ時の重量は759kgで、設計寿命は5年間でした。2つの周波数帯(L1とL2)を使用して位置情報を送信していましたが、L1が民生用、L2が軍用と使い分けられていました。ブロックIシリーズは既に運用を終了し、新しい衛星に置き換えられています。
ブロックIIシリーズ
打ち上げ日:1989-02-14~1990-10-01 運用終了BLOCK IIA パブリックドメイン
出典 United States Government
ブロックIIAシリーズ
打ち上げ日:1990-11-26~1997-11-06 運用終了ブロックIIAシリーズのGPS衛星は、ブロックIIと基本設計は同じですが、改良され自律制御機能が加えられました。
これまでの衛星は地上からの監視と制御が必要でしたが、ブロックIIAでは最大180日間、地上からの指令なしで自動運用が可能になりました。衛星の重量は1815kgと、ブロックIIから増加しました。
1990年から1997年にかけてブロックIIAシリーズの衛星が19機打ち上げられ、ブロックIIと合わせてGPSの実用システムが完成しました。
ブロックIIAシリーズもすでに運用を終了し、新しい衛星に置き換えられています。
BLOCK IIR パブリックドメイン
出典 United States Government
ブロックIIRシリーズ
打ち上げ日:1997-01-16~2004-11-06 現在6機運用中ブロックIIRシリーズのRは、補充(Replenishment)を意味しています。
これまでのブロックIからIIAまではロックウェル社が製造していましたが、ブロックIIRはGEアストロ社(のちにロッキード・マーチン社に買収)が受注しました。
ブロックIIRは、これまでの型と比較して大きな進歩を遂げた設計で、電子系統が一新され、自律運用期間が延長されました。また、他のブロックIIR衛星からの電波を受信して自身の軌道を決定する機能も加わりました。重量は2030kgと増加しましたが、寿命は10年に延長されました。
1997年7月の初号機の打ち上げは「デルタ(Delta)II」ロケットの爆発事故で失敗しました打ち上げ直後に爆発し、燃える固体推進剤の破片を大量に地表へばらまくという、宇宙開発史上に残る大事故を起こしましたが、その後は順調に打ち上げが進み、2004年までに12機が軌道に就きました。
出典 United States Government
ブロックIIRMシリーズ
打ち上げ日:2005-09-26~2009-08-17 現在7機運用中ブロックIIRMシリーズのMは、Military(軍用)を意味しています。
元々のロッキード・マーチン社との契約は21機の製造打ち上げでしたが、1機の失敗と12機の打ち上げ後、残り8機がブロックIIRMに改造されました。ブロックIIRMでは、妨害に強い軍用Mコード信号の送信と、民生用のL2C信号の追加が行われました。2005年から2009年にかけてこの8機が全機無事に打ち上げられ、運用を開始しました。
出典 United States Government
ブロックIIFシリーズ
打ち上げ日:2010-05-28~2016-01-26 現在12機運用中ブロックIIFのFは後継(Follow on)を意味しています。製造はボーイング社に変更されました。
ブロックIIFでは、これまでのデルタ2ロケットからデルタ4とアトラスVロケットに切り替わりました。従来のデルタ2では衛星側のアポジモーターを使って軌道投入していましたが、新ロケットではロケット側の第2段が直接目的軌道に投入できるため、アポジモーターが不要となりました。
この結果、打ち上げ時の重量が1630kgに軽量化され、寿命も12年に延長されました。また新周波数のL5で高精度な信号送信が可能になり、搭載原子時計の高精度化によって測位精度が向上しました。2010年から2016年の間に12機のブロックIIFが打ち上げられました。
ブロックIIIシリーズ
打ち上げ日:2018-12-23~2021-6-17 現在6機運用中ブロックIIIシリーズの検討は1995年に開始されました。これは24機のブロックIIA衛星が軌道上に揃い、本格的なGPS運用が始まった年です。開発は2008年に着手されました。つまり、ブロックIIIは長年の経験を踏まえて検討・研究された次世代GPS衛星です。
製造はブロックIIRのロッキードマーチン社が担当します。当初はIII-A、B、Cの3型32機の計画でしたが、開発遅延を受け10機のIII-A相当を優先する計画に変更されました。2018年から打ち上げが開始され、2022年までに10機を投入する予定です。
ブロックIIIは重量3680kgと大型化し、強力な測位信号を発信できるようになりました。ノイズ耐性が向上し、受信が容易になりました。寿命は15年に延長され、高精度な測位が可能です。GPSとガリレオの両システムに互換性を持ち、有事の際には特定地域の上空で地域限定のサービス停止もできます。
現在運用されているGPS衛星の一覧
PRN | SVN | 衛星名 | 打上日(UTC) | 軌 道 | 測位信号 | 時 計 |
---|---|---|---|---|---|---|
13 | 43 | GPS 2R-2 | 1997/7/23 | MEO | L1C/A | RB |
20 | 51 | GPS 2R-4 | 2000/5/11 | MEO | L1C/A | RB |
22 | 41 | GPS 2R-6 | 2000/11/10 | MEO | L1C/A | RB |
16 | 56 | GPS 2R-8 | 2003/1/29 | MEO | L1C/A | RB |
21 | 45 | GPS 2R-9 | 2003/3/31 | MEO | L1C/A | RB |
19 | 59 | GPS 2R-11 | 2004/3/20 | MEO | L1C/A | RB |
2 | 61 | GPS 2R-13 | 2004/11/6 | MEO | L1C/A | RB |
17 | 53 | GPS 2R-14M | 2005/9/26 | MEO | L1C/A, L2C | RB |
31 | 52 | GPS 2R-15M | 2006/9/25 | MEO | L1C/A, L2C | RB |
12 | 58 | GPS 2R-16M | 2006/11/17 | MEO | L1C/A, L2C | RB |
15 | 55 | GPS 2R-17M | 2007/10/17 | MEO | L1C/A, L2C | RB |
29 | 57 | GPS 2R-18M | 2007/12/20 | MEO | L1C/A, L2C | RB |
7 | 48 | GPS 2R-19M | 2008/3/15 | MEO | L1C/A, L2C | RB |
5 | 50 | GPS 2R-21M | 2009/8/17 | MEO | L1C/A, L2C | RB |
25 | 62 | GPS 2F-1 | 2010/5/28 | MEO | L1C/A, L2C, L5 | RB |
1 | 63 | GPS 2F-2 | 2011/7/16 | MEO | L1C/A, L2C, L5 | RB |
24 | 65 | GPS 2F-3 | 2012/10/4 | MEO | L1C/A, L2C, L5 | CS |
27 | 66 | GPS 2F-4 | 2013/5/15 | MEO | L1C/A, L2C, L5 | RB |
30 | 64 | GPS 2F-5 | 2014/2/21 | MEO | L1C/A, L2C, L5 | RB |
6 | 67 | GPS 2F-6 | 2014/5/17 | MEO | L1C/A, L2C, L5 | RB |
9 | 68 | GPS 2F-7 | 2014/8/2 | MEO | L1C/A, L2C, L5 | RB |
3 | 69 | GPS 2F-8 | 2014/10/29 | MEO | L1C/A, L2C, L5 | RB |
26 | 71 | GPS 2F-9 | 2015/3/25 | MEO | L1C/A, L2C, L5 | RB |
8 | 72 | GPS 2F-10 | 2015/7/15 | MEO | L1C/A, L2C, L5 | CS |
10 | 73 | GPS 2F-11 | 2015/10/31 | MEO | L1C/A, L2C, L5 | RB |
32 | 70 | GPS 2F-12 | 2016/2/5 | MEO | L1C/A, L2C, L5 | RB |
4 | 74 | GPS 3-1 | 2018/12/23 | MEO | L1C/A, L2C, L5 | RB |
18 | 75 | GPS 3-2 | 2019/8/22 | MEO | L1C/A, L2C, L5 | RB |
23 | 76 | GPS 3-3 | 2020/6/30 | MEO | L1C/A, L2C, L5 | RB |
14 | 77 | GPS 3-4 | 2020/11/5 | MEO | L1C/A, L2C, L5 | RB |
11 | 78 | GPS 3-5 | 2021/6/17 | MEO | L1C/A, L2C, L5 | RB |
23 | 79 | GPS 3-6 | 2023/1/18 | MEO | L1C/A, L2C, L5 | RB |
RB=ルビジウム原子時計、CS=セシウム原子時計
参考
https://www.navcen.uscg.gov/gps-constellation
GPS.gov:宇宙セグメント
https://www.gps.gov/systems/gps/space/#generations
GPS衛星 |ロッキードマーチン
https://www.lockheedmartin.com/en-us/products/gps.html
GPSのジャミング、スプーフィング・ミーコニングについて詳しくは
アンチドローンシステムの高度な手法 GPSジャミング(Jamming )、スプーフィング(Spoofing)・ミーコニング(Meaconing)
GPSジャミングが影響しているエリアについて詳しくは以下にまとめています。
GPSジャミングマップ(GPS jamming map) 現在のジャミングを地図上に表示