GNSS（GPS）の概要と歴史
かおり
理科っぽい視点で身の回りのことを見てみませんか? そんない理科の時間 第680回 そんない理科の時間をお送りいたしますのは、よしやすと かおりです。
よろしくお願いします。 よろしくお願いします。 今日は、みちびきという 導かれる漢字ですね。どこに?
位置を測定できる衛星の話ね。GPSとかね、最近はGNSSとか言われることもあります。 GNSS?
よしやす
そうなんですよ。GPSっていうのは、アメリカ… グローバルポジショニングシステム?
全世界的ナビゲーション、位置をわかって、方向がわかるような衛星の構成をGNSSって言います。
いわゆる全般的な定義ってことね。
よしやす
というのも、今、このGNSSっていうのは、 アメリカが挙げているGPS衛星だけではなくて、
あっちこっちに実はあってですね、全地球衛星系っていうのは、 アメリカのGPSっていうのと、
欧州、ヨーロッパの国々が連合してやっているガリレオっていうシステム。 あと、ロシアが運用しているグロナスっていうシステム。
あと、中国が運用している北斗っていうのがあって、 4つのシステムがそれぞれ独立して、位置情報を測定できるっていうタイプの衛星を挙げています。
なので、狭い意味で言うとGPSっていうのは、 アメリカが運用しているやつだけをGPSっていうのが狭い意味で。
ただ、さっき川上さんが言った通り、 グローバルポジショニングシステムっていう名前はすごい大きいわけじゃないですか。
グローバルのポジショニングシステムだから。 なので、全部でGPSって言っちゃうこともあるけれども、
正確に言うと、GNSSの中にGPSっていうのがありますよっていうのが構成なんですよ。
GPSっていうのが始められたのは、 1978年ぐらいから実験が始まって、
1994年に全地球上で常時使用になったというのが 歴史としてはあるんですけど、
実際にはその前90年ぐらいに民間でも利用が始まっていて、
世界初のGPS利用カーナビゲーションというのを パイオニアが出していまして、
これが1990年、道は星駅家っていう、 確か売り文句で出していると思います。
それがアメリカのGPSで、 ガリレオっていうのはヨーロッパでやってるやつで、
2002年に導入を合意して、 実際には2012年から運用開始というのがヨーロッパのガリレオ。
旧ソ連がグローナスっていうのを始めたんだけど、 結構右右曲折があって、旧ソ連が上げてたんだけど、
よしやす
ソ連崩壊があって、一時期頓挫して、またロシアで。
かおり
頓挫するだけだったってこと? だってもう衛星は上がっちゃってたんだよね。
よしやす
そうなんです。 だから一部の地域で部分的に運用というのが続いていたんだけど、
ロシアになって、もう一回計画が再開されて、 2005年から再開後の衛星を打ち上げ始めて、
2010年には一応全世界で使えるようになったという感じになっています。
中国は中国で北斗という衛星群を上げて、
2020年からは全地球規模で観測ができるというふうになっています。
ということで、いくつもGNSSの中にはシステムがあって、
皆さんがスマホとかGPSロガーで見られるのは、
モノによるんですけど、ほぼGPSとモノによってグロナス、ロシアのやつね。
両方活用して位置情報を出すようなものも結構多く使われています。
かおり
でも独自、全部が独自企画ってこと?
よしやす
それぞれ独自なんですが、位置情報を取るための機器、
人々が持つやつは誰かがどこかで位置情報を計算して、
緯度系統にするというICとかアンテナとかを作らなければいけないじゃないですか。
なので技術資料さえあれば開発ができるわけです。
例えばアメリカはGPSの中でも、
軍用に使う信号と民間に使う信号をそれぞれ分けていて、
軍用のやつは暗号化がされていて、
これは特別なチップを使わないと複合ができないけど、
民間用のやつは使用が公開されているから、
あちこちの会社からGPSを受けられるICチップとその組み合わせみたいなやつが出ていて、
それを買ってくれば誰でもGPSの受信機が作れたりする。
それにグローナスの機能も入れるのはそんなに難しくなくて。
かおり
なるほど。
よしやす
ポイントの一つは、中国の北都は双方向通信が結構あるらしいんですが、
グローナスとガリレオとGPSは受信機だけ、
つまり手に持っているGPSレシーバーは自分から電波を出さずに、
つまり空から降ってくる電波だけを使って位置情報が計算できるというシステムになっています。
よしやす
みなさん、GPSってどこかと通信している感じがするかもしれませんが、
GPSを使っているときに電波は出していません。
電波が受けられれば大丈夫というシステムになっています。
今、GPSって大体10メートルとか、
正しいところからビルの谷間とかじゃなくて、
全体的に見渡せるようなところでGPSで即位場所を決めると、
大体誤差10メートル以内ぐらいに収まるというのが一般的な精度になっています。
かおり
もっとでも細かくない?
よしやす
正しい位置からズレが10メートル以内だけど、
正しい位置になるべく寄っているから、一般的にもう少し10メートルよりも小さいことが多いけど、
かおり
10メートルぐらいだったら危機の故障とは言わないということね。
よしやす
そうです。それは計算ではもっと細かく出せるんだけど、
電波が雲の中を通ってくるときにほんのちょっと遅れるとか、
いくつかの原理的な影響で10メートルぐらいはズレちゃうということが分かっていて、
よしやす
実はこれってすごいことなんですよっていうのは本編の頭で言うんだけど、
実はさっきパイオニアが1990年にカーナビを出したっていう、
その時にはGPSなんて使い物にならないよなっていう話になっていた。
アメリカは民間用と軍事用で両方の電波を出しているって話をしたじゃないですか。
一番最初、GPSが運用を始めたときには、アメリカ政府なのかな、軍なのかな、
わざわざですね、一般向け、民間向けの信号には誤差を追加して電波を出すっていうふうにしてました。
これはね、あんまり細かい情報、情報というかね、位置測定をさせちゃうとまずいんじゃないかっていうのがあって、
わざわざ。
かおり
今までそういったもの全然なかったから、新しい技術だしね。
よしやす
そうなんです。
このわざわざ、誤差を乗っけたっていうやつは、
1980年代頃には精度が30メートルから40メートル、わざわざ揺らしてあったのね。
なので国防総省、アメリカ政府は100メートルの中ぐらいには入るものを扱っていいですよ。
ただ、その中の細かいところまでは使えなくても保証しませんよっていう言い方で、わざわざずらす信号を送っていたっていうのがありました。
ただ、そのずらす信号っていうのはずれ量が決まってるわけですよ。
かおり
適当にではなく、5メートルなら5メートルずらすっていうふうに決めてあったわけね。
よしやす
何が言いたいかというと、車で使うときに何十メートルずれると困っちゃうじゃないですか。
かおり
困っちゃうね。よくあるじゃん。今の交差点曲がるの遅いよってやつだよね。
よしやす
誰かがどこかでお家にGPSアンテナを立ててずれを測ると、今これぐらいずらしてるなってのがわかりますよね。
かおり
家の場所はもうわかってるわけだからね。
よしやす
だから少なくともその近所は同じぐらいずれてるはずなわけですよ。
ずらし方が地球上で必ず同じ方向に同じぐらいずれてるわけじゃないけど、
少なくとも例えば何々県ぐらいの広さだったら、たぶんその中で一箇所GPSのアンテナをくっつけて、
よしやす
そこでずれ量を測定して、それがわかりさえすればずれの補正ができるとかっていうのもその頃はすでにわかっていたんですね。
かおり
一般にずれを加えてるっていうのは公開されてた情報なわけ?
よしやす
ずれを加えてるっていうのは公開されてたけど、どれぐらいずらしてるとかどっちにどれぐらいずれてるっていうのは気分次第だった。
かおり
しかも固定ではないってこと?
固定ではないんです。
かおり
気分次第。今日こっち、明日そっちって。
よしやす
この民間向けにずらす信号っていうのは今はないんですよ。
じゃあ今はそのまんまの?
よしやす
そう、実力違い。わざわざ誤差情報は出していません。
これちょっとだけ歴史的な話があって、アメリカのクエート信号、いやイラクのクエート信号にアメリカが対応した。正しくはね。
なのでフセイン大統領がイラクっていうところにいて隣のクエートに信号した。
これを防がなきゃいけないっていうので各地から軍隊が中東に派遣されたわけ。
その時にこの誤差情報は30メートルか40メートルぐらいっていう話だったのが、一時期100メートルぐらいまでわざわざずらすっていうのが行われたことが分かっていて。
で、その後急にですね、1991年に即位制度が10メートルになった。
つまり誤差情報が送られなくなった。誤差をゼロにして送られるようになったっていうことが起こったんです。
で、この誤差情報がなくなった2日後に多国籍軍がイラクに侵攻するっていうことが起きました。
で、よくよく調べると、軍向けの細かいGPSシステムは作るのが大変だし高いんで、多国籍軍向けに民間用のGPSでシステムを作るっていうのをやってくれって言って。
で、つまり民間用のやつを使わざるを得ないっていう状況になったんで、誤差情報ゼロにして、多国籍軍の兵士たちが50メートルとか100メートルずれるんじゃなくて、10メートル以内ぐらいに位置上が分かるようにしたりとか。
あとは軍事目標ね、ここ爆撃しろって言った移動経路を50メートルずれるんじゃなくて、10メートル以内にするとかっていうのができるようにっていうのがあったっていう話と。
もう一個、ダイカン航空機追撃事件っていうのがあって、ダイカン航空の飛行機がソ連の領空内にちょっとだけ入ってしまったときに、離れなさいって言われたんだけど正しい位置通ってるはずだっつって撃たれて落ちてしまったっていうのがあって。
かおり
そこでそんな実害があったわけ?
よしやす
そんなこともあって、そこがどれだけ影響したかわからないけど何はともあれ、ちなみにアメリカのイラクに送った多国籍軍が落ち着くのが1991年の3月、何ヶ月か続くんですけど、それが落ち着くと誤差情報もすごく大きくなっちゃった。
かおり
また?
よしやす
そう。
かおり
じゃあもう明らかにってことね?
よしやす
その時はそうだっていうことで、結局いくつかの話があって、ダイカン航空機で飛行機が落ちてしまうってGPSの精度が上がればちょっとずれちゃう飛行機はなくなるだろうっていう話とかね。
だって100mずれたら飛行機はGPSだけでは着陸するの怖いよね。
でも10mだったらGPSだけでもなんとか頑張れそう。
もちろん目視で見たり、空港から出てくる電波を受信してずれを補正したりするんだけど。
最後はそういうのは必要だろうけどね。
かおり
でもそれまでの分圧はいけそうね。
よしやす
なんだかんだありまして、さっき1991年の話をしたんですけど、2000年くらいからはGPSの衛星がだんだん古くなるので交代してあげるじゃないですか。
これからの衛星には誤差情報を追加する機能を入れないであげますっていうのが始まったりして、みたいなことがあってどんどんなくなっていったのと。
もう一つ、さっき言ったカーナビみたいなやつは固定局が誤差情報を計算して、今これぐらいずれてるよって送ってあげれば50mずれたのが10m以内になるっていうことができるようになりました。
よしやす
あとは誤差情報が多いときにはマップマッチングって言って、少しずれても道に沿ってるはずだから、道に無理矢理合わせ込むっていうのでいろいろ頑張ってシステムを作ってたんですけど。
かおり
あったあった、マップが新しくないから新しくできた道を通ってたら無理矢理既存の道を通らされてるナビになって、そこじゃない、今ここに道があるのっていうね。
よしやす
さっき言った固定局で撮ったやつの誤差情報を送るってなかなか大変じゃないですか、車に。だってその頃は全部の車にネットワークが入ってるわけじゃないんで。
かおり
だから上からのGPSプラス地上の固定局っていう2つの電波というか情報を集めなきゃいけなくなっちゃうわけね。
よしやす
日本では1997年にGPSというかカーナビを作ってるメーカーが共同で、FMラジオに情報を乗っけて、今GPSこれぐらいずれてますよっていうのを送って、それを車で受信して補正するっていうのとかがあって、
要するにそのズレ情報がわざわざ入っていても位置の精度が上がるっていうのが実現できて、裏を返すとアメリカがわざわざ誤差情報を入れても意味がなくなっちゃったわけですよ。
かおり
もう解析されちゃってたわけね。
よしやす
対応策がわかっちゃうっていうのとかもあって、誤差情報はなくなって、今やGPSがちゃんと受けられる。
要は空がたくさん見えて、ビルの谷間とかじゃなくて衛星がたくさん見えるところであれば補正とかをしなくても10メートル以内に収まるような測位ができるという風になっているというのが現状です。
ここまでが前置きで。
かおり
もう長かった。
本編では導きっていうのを日本で挙げてるけどあれは何なのっていう話と、あとはGPSがさっきね、電波を受信するだけで場所がわかるって言ったけど、それってどうなってるのっていう話をしようと思います。
かおり
よろしくお願いします。
GPSで位置がわかる仕組み
よしやす
ということでまずはGPSでなんで位置がわかるのって話をしようと思います。
以前も話したことあるんですけど、電波を受信すると場所がわかるってなかなか急には思いつかないですよね。
位置をまず決めるには、絶対的なそのゼロ点を地球で決めなきゃいけないわけよね。
よしやす
ゼロ点っていうか、地球の形がどうなってるかみたいなやつを決めて、そこにメッシュというか線を引かなきゃいけないわけですよね。
かおり
しかもそれを人工衛星から測るから、そもそも地球も動いてるわけよね。
よしやす
ぐるぐる回ってます。
かおり
回ってるし、時転して光転して。
でもって飛んでる人工衛星も動いてるわけね。
よしやす
動いてます。
人工衛星止まると落ちてきちゃうんで、ぐるぐる回るしかないんです。
ぐるぐるしてるわけよね。
かおり
っていう目が回るような状況で、ちゃんとやらなきゃいけないわけね。
よしやす
そう。で、場所を特定するにはどうすればいいかっていう話なんですよ。
今いる位置をなんとか確かめるにはどうすればいいか。
その位置、GPS衛星には軌道の計算をした結果が自分でわかるようになっていて、
GPS衛星くんは私が空間の中のどこにいるか、仮想的な地球のど真ん中のところを起点にして、
どの位置にいるかっていうのを発信する能力があります。
もっと言うと、GPS衛星みんないろんな衛星がどこの位置にあるかっていうのもお伝えすることができます。
もう一個は、GPS衛星はそれぞれがとっても正確な原子時計を持っていて、
狂わないっていうか、ちゃんと補正がきく原子時計っていうのを持っていて、
あるタイミングで、今、原子時計時間、何年何月何日何時何分何秒をペケペケペケペケって、
すごい細かい時間までの時間情報を送ることができます。
何ができるかっていうと、GPSの衛星に耳をそばたてて電波を聞くと、
あるGPS衛星から自分のところに電波がやってくると、
あのGPS衛星はどこにいて、なおかつそのGPS衛星から自分のところまでどれくらい離れているかっていうのが分かる。
何でかっていうと、もし自分が同じ精度の原子時計を持っていれば、
差を求めれば電波がやってくるのに1秒間に30万キロでしょ。
この遅れ分を30万が何秒かかっているかっていうのが分かれば、
1秒で30万キロ動くはずだから、
0.00何秒遅れていれば、あの衛星から何百キロ離れているとかっていうのが分かるわけ。
ここまではいい?
かおり
はい。
よしやす
1個の衛星から距離が分かるだけではイマイチなんで、
複数の衛星からの距離がちゃんと分かれば、
あっちの衛星から何キロ何百何十何メートル離れている。
向こうの衛星は違う方向から何百何十何キロ何百何十何メートル離れているっていうのが分かってくると、
自分の場所がだんだん特定できるようになるっていうのは分かりますよね。
かおり
より精度が高くなってくね。
よしやす
そう。少なくとも1個だけでは場所全然分かりません。
2つでも実は分からないんですよね。
A点とB点から、例えば高低にいたとして、
2つ点があってそこから何メートルずつ離れているっていうのが分かると、
片方のところから、例えば150メートルの円を描いて、もう片方から65メートルの円を描くと、
円が重なったところが自分の居場所だっていうのが分かると思うんですよね。
かおり
うん。
よしやす
それはいいですよね。
つまり、高低でA地点とB地点から距離が分かれば、
その距離が重なったところが自分の場所だっていうのが分かります。
かおり
でも重なった場所…
よしやす
2カ所。
かおり
うん。
よしやす
で、その2カ所のどっちかは分からない。
でも、地球は3次元でできているし、それを何とかするには、
さっき丸を描いたんですけど、衛星からある球体が離れている距離の同じところでしょ。
で、違う衛星から離れているところっていうのが球体で、
球体と球体が重なるところは円になりますよね。
いいですか。
あっちの衛星から何百何十何キロ、何百何十何メートルっていう球体のどこかにいるっていうのが分かっていて、
違う衛星、Bっていう衛星からある距離が分かっていて、
それも球体になってるはずで、それが重なるところは円になるんですよ。
かおり
おー、はいはいはいはい。
円になるね。
よしやす
で、3つ目の衛星からの距離が分かると、その中の点が2個。
かおり
円と球体の交点になるわけね。
そうですそうです。そうすると2個出ることがあるんだけど、
よしやす
多くの場合っていうかほとんどの場合、片方は地上から遠く離れた宇宙空間のどっかになっちゃうのね。
地表プラスマイナス100キロよりは離れたところになっちゃうんで、
そうすると3つの衛星からの距離がしっかり分かれば、位置が測定できるってことになっています。
よしやす
で、そのためには自分が衛星と同じ原子時計を持っていればいいわけ。
そうすると衛星Aから何百何十何キロメートルって分かるんだけど、
皆さんが持っているGPSレシーバーとかね、スマホとかの時計はそんなに正確じゃないわけ。
要は1秒間に30万キロ電波が進みますよね。
それはいいですか?
かおり
はい。
よしやす
ってことは1000分の1秒後、誤差があったとしたら、
30万メートル、30万キロだったのは1000分の1なのからね。
よしやす
30万メートルってことは、1万メートルが10キロだから30キロずれちゃうわけ、1000分の1秒で言うと。
1万分の1秒でも3キロ、100万分の1秒でも30メートルずれちゃうわけ。
で、私たちが持っている機器は100万分の1秒とかで合わせてあるわけじゃないわけですよ。
1000分の1秒くらいは合ってるかもしれないけど、でもそれだと当てにならないわけね。
で、どうするかっていうと、原子時計を持つと何千万円かかっちゃうんで、みんなが持ってないからどうするかっていうと、
4つ目の衛星を使います。
4つ目の衛星を使うと、4つ目の衛星は原子時計を持っているわけですよ、必ず。
同じGPSだからね。
そうすると、4つ目の衛星を基準にスマホとかGPSレシーバーの中で時間を決めてあげて、
そこからのずれという形で他の3つを計算するっていうのができれば、ある程度精度良く場所が決まりますよねっていう理屈があります。
今はそういう言い方をしたけど、4つの衛星からの時間情報が分かれば、
一点に重なるっていう条件はすごく少なくなるから、それで場所が分かるっていう風になっていると思っていただいても構わないです。
つまり、4つから合わせて仮の値を見つけて場所を出すと、場所がすごく広がっちゃうんだけど、
ずれをじわじわじわってずらしていくと、どこかで収束する場所があるっていう風に探していくと、
一点に決まるっていうのができるんですが、それはそれとして。
つまり、GPSは4つ衛星が見えれば位置情報が分かりますよっていうのが1つ。
つまり、GPS衛星って24機かな、もっと飛んでるのかな。
それが地球の周りをぐるぐる回っていて、たくさん見えるタイミングとかあまり見えないタイミングがあるんだけど、
ほとんどの場合、地上から10個ぐらいの衛星が見かけ30度よりも上とかに見えるんで、
よっぽどビルの谷間とかに入らなければ衛星が4つ見えるんで位置情報が分かりますよっていうところまでがGPSの仕組みね。
よしやす
じゃあGPSでいいじゃないかって話があるんですけど、
日本の衛星測位システム「みちびき」
よしやす
さっきも言った通り、ガリレオとかグローナスとか北斗っていうのは何であるかっていうと、
ちょっとアメリカに頼ってらんないよねっていう人たちだよね。
で、日本はどうしたかっていうと、いくつか考えました。
導きの作り方なんですけど、将来的な話はあれだけど、
よしやす
まず日本の上空にGPSと同じような信号を出す衛星を自腹で上げてあげよう。
そうすると必ず日本の衛星が上の方に見えれば、
よしやす
例えばビルの谷間とかでも見える衛星が1個増やせるよねっていう。
かおり
しかもそれが日本の上だから、より近いところの情報をもらえるわけね。
アメリカの衛星は地球上ぐるぐるぐる回っていて、
よしやす
世界中の結構どこでも場所がわかるっていうのが不利だけど、
日本は自腹でやるんだったら世界的にしなくてもいいよねっていうことを考えました。
そうすると一つは静止軌道っていう、日本から見て必ず南の空に見えるっていう衛星を上げるっていう手がありますよね。
そこにGPSの真似をした信号を載せて、
僕GPSの仲間なんで、僕の位置も参考にしてくれていいからねっていう話をすると、
日本の上だけ衛星が1個おまけで増えるわけ。
そうするとしっかり4個見えなくても、日本のエリアでは高いところに必ず1個衛星があるっていうのができますよというのがありますが、
やっぱり日本の衛星だけでも測位ができるようになりたいじゃないですか。
よしやす
GPSに頼らなくても。
かおり
そうなんだ。頼ってもいいじゃん。
よしやす
でも何が起こるかわからないじゃん。
かおり
何かあってデータ使わせないって言われたら。
よしやす
それもあるし、ヨーロッパのガリレオは基地局トラブルで何日か使えないこととか、衛星のトラブルであるエリアの精度が落ちるとかっていうのは発生してるんですよ。
それをお前とかが悪いじゃないかって責められるわけじゃないから、やっぱり自前で持ちたいねっていう話があって、
日本では静止衛星だけだと南の空の低い位置にしかないわけです。
低い位置でもないか。
よしやす
パラボルアンテナが向いてる方向ね、高さ的には。
要は赤道上じゃないといけないんですよ、静止衛星って。
だからシンガポールみたいな国だったら必ず真上に衛星があるっていうのが打ち上げられるんだけど、
日本は赤道上の静止衛星は少し斜めなのね。
本当に欲しいのは自分の真上にある衛星が欲しいわけじゃないですか。
もう少し言うと4つあるって言っても全く同じ方向に4つあるんだと位置精度が取れないわけ。
さっき高低で2つの点からの距離があって話したじゃないですか。
でも基準となる位置がすごく近いと、A地点から400m、B地点からも400mっていう場所ってすごく線をかぶるところが多いよね。
要は精度が上がらないんですよ。
よしやす
3方向とか全然違う方向の衛星の信号がいいんで、なるべく頭の上に衛星があって、
なおかつあっちこっちに少しばらけたところに衛星が欲しいよねっていうので考えたのが導きのシステムで、
まずどうするかっていうと純天朝衛星っていうのを作ります。
静止衛星は赤道上で地球の回転と同期して回っているから、いつでも同じところに見えるのね。
静止衛星っていうのがだから。
かおり
はい。止まって見える。
よしやす
そう。
同じところにいつも見える。
よしやす
で、これを静止衛星の周期と同じようは1日に1回回るっていう風にして、
赤道じゃなくて斜めに振ってあげるとどうなるかっていうと、
わかります?斜めにすると地球がぐるぐる回るときに衛星は必ず同期して見えるけど、
片方では赤道よりも北側、片方では赤道よりも南側に行っちゃうよね。当たり前だけど。
なので日本から静止衛星だけど軌道が斜めっていうやつを見ると、
よしやす
真上に来ることもあるけど南の方に、赤道の向こう側に消えちゃうことがあるわけ。1日の間でね。
で、じゃあそこに順序よく3基とか4基とかやってあげると、1個が去っていったら他のが上がってくるっていう構成ができるんですよ。
よしやす
斜めにする方向。
かおり
数字当たり的な感じでね。
よしやす
そう。で、今はそれを3つとか4つっていうふうにやって、3つはすでに上がっていて、
日本から見ると3つのうちのどれかが真上に近いところ。他のやつも少し離れたところで上がってきたり降りてきたりっていうのが順番に、
ピエロが玉を順番に上げたり下げたりするように1個が来たらもう1個が下がっていってっていうのがあります。
で、ちょっと工夫してその円を同じ周期の中で楕円にします。
楕円にすると片方では早く動いて、片方ではゆっくり動くよね。
っていうのをやると、日本から見ると日本の上にいる時間が長めになるとかっていうことができるんですよ、実は。
ただ、日本から見るとタイミングが遅れたり進んだりする楕円だからね。
なので、日本から見ると8の字に動くように見えるっていう衛星ができて、
その8の字の同じ軌道を3機が3分の1ずつ来たり、あとは4機そこに打てれば4分の1ずつ来るっていうのがあって、
つまり日本の上空に準天朝衛星、要は頭の上にいそうなんだけどいつでもいるわけじゃないっていう準天朝衛星っていうのを
3つ組とか4つ組で上げるっていうのをやることで、日本でよく見える衛星を増やしてあげよう。
それはGPSと同じような信号を出して、GPSの仲間として運用しちゃおうっていうのが随分前から始まっています。
かおり
これっていいの?って言い方変だけど、
他の例えば、アメリカのGPSはともかくとして、ガリレオとかはヨーロッパっていう形で一国でやってるわけじゃないじゃないですか。
みんなが協力してるのに、お前たちのところだけ一人で独自のをあげるのずるくね?っていう話にはなんないの?
よしやす
それはだからアジアエリアではみなさん精度が上がりますよねってことにしちゃう。
かおり
でも自分たちのお金しか使わないから、ついでだよねっていう。ついでで使っていいよっていう形にするってことね。
よしやす
GPSはみんなが使えるっていう前提で、GPSが処理できるやつだったら衛星番号200番は導きにするっていうのだけ登録してあげれば、
同じフォーマットで送られてくるから、いつもよく見える衛星があるなってことになるわけ。
でも今の話でいくと、日本だけであるには、さっきも言ったとおり、衛星の位置はあんまり下の方だとしたってか、
地衛星に近いところだと嫌だけど、上の方にばらけてほしいわけじゃない。
さっきの純天朝衛星3機とか4機っていうのは、南北には動くけど、東西には動かないわけ。あんまり。
それをばらけさせるために、今度は導き用の静止衛星っていうのを、東西にばらけて、静止衛星を打ち上げるっていうのをやります。
そうすると、静止衛星が南の空に3個、東西にばらけて見えます。
その中を1日に3機または4機のやつが順番に8時間ごとまたは6時間ごとに南北に動いてやつがじゅんぐりに来るんで、
日本から必ず4機見えるっていうのが自前でできるようになるっていうのが導きの最終形態。
だから、純天朝衛星っていう南北に動きながら8の字を書きながら動くのが順番に回ってくるっていうのを4機体制にすると、
6時間に1回ずつ必ずやってきて3個ぐらい見える。
なおかつ、静止軌道に上がっているやつが3つ東西に並んで見えるんで、
ある程度幅がある状態で4機自前だけでできるっていうのを構築できるっていうのが導きの7機体制っていうシステムなんですよ。
かおり
それでも別にGPSとかその他のことを拒絶してるわけではないわけね。
最終的には導きだけで少なくとも日本国内は全部網羅できそうなわけでしょ。
そこまでは技術はあるというかいけるけど、そこはやらないというか、あくまでも補助的な形で利用する?
よしやす
そこを2段階またステップがあって、今のことができればGPSがトラブルがあっても、
あとはGPS衛星が見えないタイミングでもうまく即位ができるようになりましたっていうのがあります。
今度はそれにさっき言った空から落ちてくるやつは空気の層とか電力層っていうところを通ってくるとほんの少しだけ遅れたりする。
あとはところによってはマルチパスって言ってビルに反射したのが入ってくるとかっていうのがあって、
そういうのをいろいろ取り除くために1つの電波だけじゃなくて2つの電波を使うと空気の中を通ってくる遅れ量が微妙に違うので、
どれぐらい遅れてるかっていうのが計算でできたり、
もう1つはちょっと前から話している地上極でのずれを入れて、それをGPSでは地上極のやつをみんなに教えるにはFMラジオとかネットワークを通すしかなかったんだけど、
導きは地上極でのずれを衛星を通して皆さんに配布するっていうのができる。
要は今は日本エリアでは空気の層とか電力層がこのくらい揺れてるんでずれがどれくらいになりますよっていうのがローカルだからできるわけ。
GPSって全世界でしょ。
そうすると場所によって遅れ量が違うわけですよ。
なんだけど日本ローカルだったらその遅れ量っていうのがある程度限定的なんでそれを衛星から落としてもらう。
つまり衛星の位置がどこにあって原子時計のタイミングがあってその他の情報っていうのがいくつか送れるんですけど、
その中に日本近郊のずれ量っていうのを入れてあげることでさっき言った10メートルが3メートルとか2メートルにできるわけ。
よしやす
で、精度が上がりましたよと。
3メートルか2メートルになれば少なくともドローンでざっくり撮るみたいなときには当てになるよね。
100メートルだとできること、10メートル後下がってできることと1メートルの誤差のやつで応用範囲が違うじゃないですか。
それをやることで1メートルぐらいにできて、
例えばそれは実はスマホみたいなやつだったら電波が入れば通信のね、そこから送ることもできるんで補正はある程度できるんですけど、
まずそこぐらいまでができるようになります。
ただ1メートルずれると田んぼの刈り取り図をするにはちょっとずれすぎだと思わない?
かおり
ミステリーサークルを作るときに円が綺麗に閉じなくなっちゃいそうね。1メートルの税があるとね。
よしやす
というか田んぼの端1メートルが使えないわけじゃないですか。
かおり
あぜ道もやってしまうわけね。
よしやす
そうそうそうそう。
で、センチメートル級の側位もできるようにしましょうっていう計画があって。
それをトラクターに乗せれば稲の1列が2センチとか3センチしかずれなくて刈り取りとか上野ができれば結構いけんじゃんみたいなのがあって、
そのためには今までのGPSよりも違う信号、
例えばさっき言った電波がどこから出て届くまでの時間を測定するだけじゃなくて、
電波って位相っていうのがあって波だから強くなったり弱くなったりとかプラスに触れたりマイナスに触れたりするっていうのが順番にやってくるわけじゃないですか。
それの電波の波長を使ったりいくつか電波に工夫したり測定側の工夫をしたり複数の電波を使ったりっていうのがあって、
それにはちょっとお高い専用の解析ができるICとアンテナをつけなきゃいけないんだけど、
それをつけることでセンチメートル級の位置情報が得られるようにしましょうっていうのも実験が進んでいて、
そういうのを農機具に積んだり他のところに積んだりすると1センチメートルとか数センチメートルの位置情報が手に入るんでっていうのができるようになっています。
というのが導きのセンチメートルオーダーの位置情報システムっていう風になっています。
という感じでですね、昔わざわざ誤差を入れて100メートルだった時代から誤差をやめたら10メートルぐらいのものになって、
それは今のスマホとかでも実現できていて、それに地上から今のズレを教えてあげると数メートルまで縮んで誤差がね。
新しい測定方法と誤差の修正方法、今度誤差の修正も日本全国に国土地理院が電波基準点っていうのを入れてるんですよ。
要は三角点みたいなやつにGPSのアンテナをくっつけて、すごく高級なやつをくっつけて細かく測定できるようにしてるっていうのがあって、
そこのズレを測定すれば何百箇所もあるんで、それの合計のやつですごく細かく補正もできるし、精度も上がるしっていうのの組み合わせでセンチメートルオーダーのものができるようになります。
GPS衛星が不調でも日本が挙げたシステムだけでもそれができますみたいな話と、あとはアジアの国々と連携すると、さっきも言った通り南北に行ったり赤道上にあるってことは、
日本の南北、北はあんまないけど、南の方にたくさん国があるわけじゃないですか。東南アジアから南アジアまで。そういう国と一緒に色々使っていこうっていうやつとか、
あとはその八の字経路をもう一個ずらした、経度をずらしたところにくっつけて、アジア全体で、グローバルじゃないけど、アジア全体で高性能位置情報の測位システムを構築しようみたいな話も出てはいます。
とかっていう話とか、他にも色々あって、衛星の位置が数センチでもずれると良くないわけですよね。
それを衛星と衛星の間で電波を使って、お前どれぐらいずれてるっていうのを測って、それの補正を入れるとかっていうのも考えられています。
考えられてるってことはまだ実用化されてないってこと?
よしやす
実はね、うまく打ち上げられなかった5号機っていうのがあったんですよ。
なるほど、本当だったらやってるというか、運用する予定だったけどってとこ。
よしやす
5号機がキーだったんで、5号機がちゃんと打ち上がっていれば、今動作確認とかがされてるはずなんですけど、
7号機が上がって、7号機は来年の春とか夏に運用開始なんですけど、
5号機がちゃんと上がっていれば、来年の夏ぐらいには衛星間の補正っていう情報も入れられるんじゃないかっていうのが構想だったんですけど、それ以降遅れちゃってます。
かおり
でもその計画そのものは、またトンザしてるわけではなく、一回そこで二の足を踏むけど、もう一回チャレンジはするのかな?
よしやす
今は3機8の字に動いていて、本当は静止衛星上に3個置くつもりだったのが1個なくなっちゃったんだけどっていうのがあるんですけど、
静止衛星上に1個足す、さっき言った5号機の代わりと、8の字のやつが今3機で8時間に1回ずつ来るんで、
必ず1個は見えるんだけど、複数個が安心して見られるっていう、8の字4機体制にするっていうのはもう少し先でっていう感じで、だんだん整備されてるっていう感じです。
高精度測位と測地系の課題
番組の始めにちょっと話したんですけど、地球の中心と形がどうなってるかっていうのをちゃんと共通化しないと場所ってわからないですよねって話をしたと思うんですよ。
よしやす
つまり地球の上に正しいメッシュというかを貼らないといけないんですけど、日本は日本測地系っていうのをずっと使っていて、それはGPSで使ってるやつとほんの少しずれていたのね。
なので日本測地系っていうやつの緯度経度を出すには、GPSで持ってきたやつを座標変換をして出さなきゃいけないっていうのがあったんだけど、何年だっけな。
20年くらい前に日本も世界測地系っていうのに移行しましょうっていうのがあったんで、今はGPSの値をそのまま使ってもほぼ合ってるっていう状態になってます。
で、日本ならではの問題がいくつかありまして、さっき言った地球をモデル化したところにメッシュを作ったのを正しい緯度経度とするじゃないですか。
で、最近地震が起きて地面がその緯度経度からずれちゃうよね。
地上ではさ、ひずみがあるところもあるけど大体はずるずるってずれたら境界表とかも地面と一緒にずれるわけじゃん。
そうすると土地は横ずれはするけれども変わらないとかあるけど固いこと言うと位置がずれてるわけですから、うちの土地は実は地面に張ってある境界表からずれてるんじゃないか問題とかが起こってくるわけ。
かおり
起こってるの?その問題が。
よしやす
えっとね、のとでは起こったんです。
あとね、地すべりしちゃうとかね。
みたいなのがあって、細かく測ればわかるほど現場ではさ、そんなのずれても自分ちの土地が減らなければ境界表も一緒に地面とずれてるんだからそこが変にならなければあれじゃんってなるんだけど、
よしやす
昨日と今日で緯度経度が要は20センチずれてますとかってことが起きるわけですよ。
これをどこを中心にどうやっていくかみたいな話は多分これから問題になるんじゃないかと思いますし。
かおり
いろんなことがだから細かくいろいろ出せる分、どこまでを正確と取るかっていうのがきちゃうわけね。
よしやす
だって地面なんて動かないよねって思ってたけど結構動きますよって話になったりするわけですよ。
結構動いてるね。
よしやす
昔は動いたところで辻褄合わせをすればよかったのが、今は正確なメッシュ、つまり緯度経度がしっかりとあって、
GPS、GNSSで場所が決まるってなったら土地がずれてしまったときにどうするかみたいな話はこれからいろいろ対応しなきゃいけないと思っています。
かおり
土地が、場所が分かれてハッピーハッピーじゃなくなっちゃったところも出てきたわけね。
いろんな問題が新たに出てきたと。
よしやす
という感じで、今はね、車にもGPSがあんま乗ってなくて、スマホのGPSでカーナビ代わりにするとかがありますけど、
それが正確になっても実は問題があって、トンネルに入ったら電波を受けられないんで、
かおり
そうなの。
よしやす
首都高のぐるぐる回るところとかで突飛なところに行っちゃったりするので気をつけなきゃいけないですよねみたいなのもあるので気をつけましょう。
かおり
そうなの。困っちゃってさ。
よしやす
そうなんです。途中で分岐を間違えなければいいんですけどね。
山手トンネルでさ、出てすぐに分岐があるじゃない。
そう、とか下手すると中で分岐があってぐるぐる回って出るみたいなところがあるともう最悪ね。
よしやす
途中また渋滞してたりして止まったり動いたりして。
普通のGPSでもなかなか大変なんですが、そんなこともあったりします。
かおり
昔はそれでも車輪からどれだけどういうふうに動いたかって補正が入ったじゃない。
よしやす
そうですね。
かおり
だけど今は補正がないし、今ここにいるんでしょってよくわからないところに連れて行かれる問題もあり、そこじゃないからと思うんだけど、
ここ右だよって、いやいや今高速だからって。
よしやす
そういうのもあったりしてなかなか難しい問題がありますねということで、
GPSが細かくなるだけで解決しない問題もあるなというのを皆さんどうやって解決するか考えてみませんかというところで、
今日締めにしたいと思います。
番組からのお知らせとメッセージ募集
問題提起して終わるの?
よしやす
終わります。
ということで、この番組では皆様からのメッセージを募集しております。
ぜひ、オーディオブックのおまけのコーナーはいいよっていうメールを送っていただくと紹介しやすいのでぜひお願いします。
この番組、audiobook.jpというところでも配信しておりまして、そちらで聞いていただくと私たちに収入が入るというか皆さんが聞くのにお金を払わなきゃいけないんですけど、
その収入から国立科学博物館の参助会員の予算とかを出していたりとか、あとはちょっとね、地方でやっているポッドキャストイベントに行かせてもらったりとかっていうのをしていて、
ぜひ皆さんに応援する気持ちでオーディオブックで聞いて欲しいなと思うんですが、
かおり
オーディオブックの方で聞くといいよっていうメールを紹介できるといいかなと思ってるんですが、そっちのメールはなかなか来ません。
なんと、
ということで、
かおり
共用してるわけですね。
よしやす
お願いをしてるんですよ。
ということで、今の私の発言でおまけのコーナーが気になった方はぜひ聞いてみてください。
オーディオブックではポッドキャストで配信しているのに追加しておまけの話題を話しています。
かおり
追加したいおまけの話題っていうのか?
よしやす
これが追加情報じゃないんだよね。
私としては、理科っぽい話は無料版だけでも100%お届けしたいけど、おまけはつけたいっていうところで、
おまけは結構、かおりさんと私の雑談になっていることが多いです。
かおり
そうですね。有意義な雑談ですわな。
よしやす
ということで、
番組の感想など、あと理科っぽい質問などを募集しておりますので、ぜひメッセージを送ってください。
かおり
よろしくお願いします。
よしやす
送り先は、メールの場合、
また、私たちのウェブサイトにメールフォームを設けてありますので、そちらもご利用ください。
私たちのウェブサイトは、
よしやす
ポッドキャストでは最新の100回分を配信していますけども、
それよりも前の音源とかも聞けるようになっていますし、
私たちのグループで配信しているその他の番組、そんなことないっしょ、そんなに雑貨店、
あとは週一で連載しているブログなども読めますので、ぜひ遊びに来てみてください。
そんな理科の時間のエピソードを開いていただくと、そこにメールフォームをつけてありますので、
そちらから送っていただけると、私たちのところにメッセージが届きます。
ということで、ポッドキャストをお聞きの方はここでさようなら、
オーディオブックの方は続いておまけのコーナーになっております。
かおり
お、気になる気になる。
よしやす
何話すか全然決めてないんだよね、毎回。
ということで、そんな理科の時間、第680回、お送りいたしましたのは、
かおり
よしやすと、かおりでした。
よしやす
それでは皆さん、次回の配信でまたお会いしましょう。さようなら。
かおり
ごきげんよう。