衛星航法システムは、無線信号を送受信する衛星のグローバル ネットワークを使用します。衛星には信じられないほど正確な原子時計が搭載されています。時刻情報は、衛星によってブロードキャストされるコードに配置され、受信機は信号が送信された時刻を継続的に判断できます。
今日の現代世界では、なじみのない場所とは言えません。海外旅行中も安心して歩けます。この自信は、私たちがポケットに入れているスマートフォンによって明らかに支えられています。これは、2000 年代初頭までは、衛星ナビゲーション システムがまだ管理され、政府や軍によって排他的に利用されていた場合には当てはまりませんでした。問題は、これほど切望された技術が、どのようにして大衆に有益な恩恵をもたらすようになったのかということです。その答えにたどり着く前に、衛星ナビゲーションの内部の仕組みを見てみましょう。
衛星航法システムの機能
衛星航法システムは、無線信号を送受信する衛星のグローバル ネットワークで構成されています。このグローバル ネットワークを構成する衛星の正確な数は 32 です。国際衛星計画には 2 つの主な部門があります。一つは、アメリカで開発され運用されているGPSです。ロシア人は、GLONASS として知られる GPS に似たものも開発しました。どちらも、国際社会に対して自社のシステムを無料で使用できるよう提供しています。
現在の GPS システムは、95% 近くの確率で、ターゲット位置から 7.8 メートル以内の精度をユーザーに提供します。この精度は、地球上および地球に近いすべての場所で保証されています。この骨の折れる作業を遂行するために、32 個の衛星が受信機 (スマートフォンや GPS ナビゲーション タブレットなど) に信号を送信して、その位置を特定します。衛星が信号を発信するのにかかる時間と、衛星が受信機から信号を受信するのにかかる時間との差は厳密に計算され、受信機がどこにあるかを正確に判断するために使用されます。
GPS 衛星には、信じられないほど正確な原子時計が搭載されています。時刻情報は、衛星によってブロードキャストされるコードに配置されるため、受信機は信号が送信された時刻を継続的に判断できます。この信号はタイムスタンプ信号とも呼ばれます。タイムスタンプ信号は、受信機が衛星の位置を計算するために使用する信号です。これは、衛星の位置が常に変化するために発生する可能性のある計算を修正するためにも使用されます。また、タイムスタンプ信号を使用して受信機を計算すると、衛星の範囲を計算できます。逆に、これらのパラメータを推定できることにより、受信機は独自の 3 次元位置を計算できます。これが衛星航法システムの仕組みの基礎です。
エラー処理
これで、作業を実行するシステムは、ある程度のエラーが発生しやすいことがわかりました。このレベルのエラーに寄与する要因は多数ありますが、非常に急速にエスカレートするエラーのいくつかを見ていきます。衛星ナビゲーションで発生する最初のエラーは、電離層によるものです。電離層は、海抜 60 km から 2000 km まで広がっています。この領域が潜在的なエラーに重要な役割を果たす理由は、かなりの数の自由電子があるためです。これらの自由電子は、衛星と受信機の間を通過する電磁波に顕著な影響を与えます。電離層による誤差は、衛星が地平線近くにある場合よりも真上にある場合の方がはるかに少なくなります。これは、地平線近くでは、衛星と受信機の間の電離層の層数が増加するためです。
一般的に発生する次のエラーは、時間内のエラーです。時間内の非常に小さなエラーでさえ、重大な問題を引き起こす可能性があります。衛星に搭載された原子時計の 1 ナノ秒の時間経過は、受信機に 1 フィートまたは 30 cm の差を生じさせます。今日の多くのテクノロジーの基盤を形成するグローバル システムでは、このようなエラーは許容されません。
(写真提供:Lukas Rohr/Wikimedia Commons)
時間が影響を与える次の方法は、それほど直感的な方法ではありませんが、悪名高いアインシュタインの理論によるものです。特殊相対性理論によると、原子時計は地上に静止している時計よりもわずかに遅く刻みます。これは、人が速く移動するにつれて時間が遅くなるためです (速度は光の速度に近づく傾向があるため)。衛星に搭載された原子時計は光速に近い速度ではありませんが、地球上の静止時計との相対速度により、地球上の時計が経験する時間よりも少し遅くなります。ここで一般相対性理論が登場し、巨大な物体に近い時計は遠くにある時計よりも速く動くと述べています。時間遅延は、1 日あたり約 21.9 マイクロ秒ずつ大幅に大きくなっています。
両方を組み合わせると、約 38 マイクロ秒の遅延があると推定されます。このエラーを放置すると、1 日あたり 10 km の疑似距離エラーが発生し、システム全体が最初から役に立たなくなります。これに対する修正は非常に簡単な解決策です。これは、衛星に搭載された原子時計の周波数を 10.23 MHz から正確に 10.2299999543 MHz に下げることで「固定」され、相対性の影響を相殺します。
そのため、次に GPS または GPS に依存するデバイスを使用するときは、生活をシンプルにし、家を出るたびに道に迷う可能性を減らすために費やされた数学と工学の量を理解することができます!
