
| シリーズの一部 |
| 宇宙飛行 |
|---|
衛星航法(satnav)または衛星測位は、人工衛星をナビゲーションまたは地理測位に使用することです。全地球航法衛星システム(GNSS)は、空中、陸上、海上を含む地球上のあらゆるユーザーをカバーします。運用中のGNSSシステムには、米国の全地球測位システム(GPS)、ロシアの全地球航法衛星システム(GLONASS)、中国の北斗航法衛星システム(BDS)[ 1 ]、欧州連合のガリレオ[ 2 ]の4つがあります。さらに、日本の準天頂衛星システム(QZSS) [3]とインドの地域航法衛星システム( IRNSS 、 NavICとも呼ばれる)[ 4 ]の2つの地域航法衛星システム(RNSS )があります。[ 5 ]
SBAS (衛星航法補強システム)は、全球GNSSシステムの精度を向上させるために設計されたシステムです。[ 6 ] SBASシステムには、日本の準天頂衛星システム(QZSS)[ 6 ] 、インドのGAGAN、欧州のEGNOSなどがあり、いずれもGPSをベースにしています。
衛星ナビゲーションデバイスは、衛星から視線に沿って無線で送信される時刻信号を使用して、位置(経度、緯度、高度/仰角)を高精度(数センチメートルからメートル以内)で決定します。このシステムは、位置、ナビゲーションを提供したり、受信機を取り付けた物体の位置を追跡したり(衛星追跡)するために使用できます。また、信号により、電子受信機は現在の現地時間を高精度に計算できるため、時刻同期が可能になります。これらの用途は、総称して測位、航法、タイミング(PNT)と呼ばれています。衛星ナビゲーションシステムは、電話やインターネットの受信とは独立して動作しますが、これらの技術は、生成された測位情報の有用性を高めることができます。
各システムの地球規模のカバーは、通常、複数の軌道面に分散した18~30機の中軌道(MEO)衛星からなる衛星群によって実現されます。実際のシステムは様々ですが、いずれも軌道傾斜角は50°以上、軌道周期はおよそ12時間(高度約20,000キロメートル、12,000マイル)です。
民間航行に使用可能な、精度と完全性の監視を強化したGNSSシステムは、次のように分類されます。[ 7 ]
ナビゲーション システムにおける役割によって、システムは次のように分類できます。
世界中の多くのGNSSシステム(および補強システム)がL1付近で類似した周波数と信号を使用しているため、複数のシステムを利用できる「マルチGNSS」受信機が数多く製造されています。一部のシステムは、同じクロックを提供することでGPSとの相互運用性を最大限に高めようとしていますが、そうでないシステムもあります。[ 10 ]

地上無線航法は数十年前から存在しています。DECCA 、LORAN、GEE 、そしてオメガシステムは、地上長波無線送信機を用いて、既知の「マスター」地点から無線パルスを発信し、その後に複数の「スレーブ」局から繰り返しパルスを送信していました。マスター信号とスレーブ信号の受信間隔の遅延により、受信機は各スレーブ局までの距離を推定し、位置を特定しました。
最初の衛星航法システムはトランジットで、1960年代に米国軍が配備したシステムである。トランジットの動作はドップラー効果に基づいていた。つまり、衛星はよく知られた経路を移動し、よく知られた無線周波数で信号を送信する。受信周波数は、受信機に対する衛星の動きにより、送信周波数とはわずかに異なる。この周波数シフトを短時間監視することにより、受信機は衛星のどちら側にあるかを特定でき、このような測定を複数回行うことで、衛星の軌道に関する正確な知識と組み合わせることで、特定の位置を固定できる。衛星の軌道位置の誤差は、電波の屈折、重力場の変化(地球の重力場は均一ではないため)、およびその他の現象によって引き起こされる。1970年から1973年までフロリダのパンナム航空宇宙部門のハロルド・L・ジュリーが率いたチームは、多くの誤差の原因に対する解決策や修正方法を発見した。リアルタイムデータと再帰推定を用いて、系統的誤差と残差誤差を航行に十分な精度まで絞り込んだ。[ 11 ]
軌道を周回する衛星からの放送には、正確な軌道データが含まれています。当初、米国海軍天文台(USNO)はこれらの衛星の正確な軌道を継続的に観測していました。衛星の軌道が変化すると、USNOは更新された情報を衛星に送信しました。更新された衛星からのその後の放送には、最新のエフェメリスが含まれます。
現代のシステムはより直接的です。衛星は軌道データ(衛星の位置を計算できる)と信号が送信された正確な時刻を含む信号をブロードキャストします。軌道データには、すべての衛星を見つけるのに役立つ大まかな衛星暦と、この衛星の正確なエフェメリスが含まれます。軌道エフェメリスは、タイミング基準となるコードに重ねられたデータ メッセージで送信されます。衛星は原子時計を使用して、衛星群内のすべての衛星の同期を維持します。受信機は、3 つ(海面の場合)または 4 つ(高度の計算も可能)の異なる衛星の送信にエンコードされたブロードキャスト時刻を比較し、各衛星までの飛行時間を測定します。このような複数の測定を異なる衛星に対して同時に行うことができ、三辺測量の適応バージョンを使用してリアルタイムで継続的な位置測定を生成できます。詳細については、 GNSS 位置計算を参照してください。
使用されるシステムに関係なく、各距離測定では、受信機を放送局を中心とする球殻上に、放送局から測定距離だけ離れた位置に配置し、このような測定を複数回行い、球殻が交わる点を探すことで測位を行います。しかし、高速移動する受信機の場合、複数の衛星から信号を受信するたびに受信機の位置が移動します。さらに、無線信号は電離層を通過する際にわずかに減速しますが、この減速は受信機と衛星の角度によって変化します。なぜなら、衛星に対する角度は信号が電離層を通過する距離に対応するからです。したがって、基本的な計算は、4つの衛星を中心とする4つの扁平球殻に接する最短の有向線を見つけることを試みます。衛星航法受信機は、複数の衛星と複数の相関器からの信号を組み合わせ、カルマンフィルタなどの技術を用いてノイズが多く、不完全で、常に変化するデータを統合し、位置、時間、速度の単一の推定値を生成することで誤差を低減します。
アインシュタインの一般相対性理論をGPSの時間補正に適用すると、GPS衛星の時計の時間は地上の時計よりも1日あたり約38マイクロ秒早く進むことになります。[ 12 ]

衛星航法の当初の目的は軍事利用でした。衛星航法は、兵器を標的に正確に投下することを可能にし、兵器の殺傷力を大幅に向上させると同時に、誤った方向への投下による不慮の死傷者を減らします(誘導爆弾参照)。また、衛星航法は部隊の指揮と位置特定を容易にし、戦場の霧を軽減します。
現在、ガリレオなどの全地球航法衛星システムは、ユーザーの位置や、ある瞬間における他の人や物体の位置を特定するために使用されています。衛星航法の将来的な応用範囲は広大で、科学、交通、農業など、様々な市場分野において、公共部門と民間部門の両方で活用されるでしょう。[ 13 ]
衛星航法信号を供給する能力は、同時にその利用を拒否する能力でもあります。衛星航法システムの運用者は、望む地域において衛星航法サービスを低下させたり、停止させたりする潜在的能力を有しています。


初登場年順:
米国の全地球測位システム(GPS)は、6つの異なる軌道面に配置された最大32基の中軌道衛星で構成されています。衛星の正確な数は、古い衛星が退役し、新しい衛星に置き換えられるにつれて変化します。1978年から運用が開始され、1994年から世界中で利用可能なGPSは、世界で最も利用されている衛星航法システムです。
旧ソ連、現在はロシアのグローバル航法衛星システム(Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema、略称GLONASS)は、民間無線航法衛星サービスを提供する宇宙ベースの衛星航法システムであり、ロシア航空宇宙防衛軍でも使用されています。GLONASSは1995年以来、24機の運用衛星によって全世界をカバーしています。
北斗は、静止軌道上のアジア太平洋地域ネットワークである北斗1号(現在は廃止)として始まりました。第2世代の北斗2号システムは、2011年12月に中国で運用を開始しました。[ 14 ]北斗3号システムは、30機のMEO衛星と5機の静止衛星(IGSO)で構成される予定です。16機の地域バージョン(アジア太平洋地域をカバー)は2012年12月に完成しました。グローバルサービスは2018年12月に完了しました。[ 15 ] 2020年6月23日、最後の衛星が西昌衛星発射センターで打ち上げられ、BDS-3コンステレーションの展開が完全に完了しました。[ 16 ]
欧州連合(EU)と欧州宇宙機関(ESA )は2002年3月、GPSに代わる独自の測位システム「ガリレオ」を導入することで合意した。ガリレオは2016年12月15日に運用を開始した(全球早期運用能力(EOC))。 [ 17 ]推定費用100億ユーロで、[ 18 ] 30基のMEO衛星からなるこのシステムは、当初2010年に運用開始が予定されていた。当初の運用開始年は2014年だった。[ 19 ]最初の実験衛星は2005年12月28日に打ち上げられた。[ 20 ]ガリレオは、近代化されたGPSシステムと互換性があると期待されている。受信機はガリレオ衛星とGPS衛星の両方からの信号を組み合わせて、精度を大幅に向上させることができるようになる。ガリレオ衛星群全体は24機の運用衛星で構成されており[ 21 ] 、最後の衛星は2021年12月に打ち上げられた[ 22 ] 。 [ 23 ]ガリレオオープンサービス信号で使用される主な変調方式は、複合バイナリオフセットキャリア(CBOC)変調である。
NavIC (Navigation with Indian Constellation)は、インド宇宙研究機関(ISRO)が開発した自律型地域衛星航法システムです。インド政府は2006年5月にこのプロジェクトを承認しました。7機の航法衛星からなるコンステレーションで構成されています。[ 24 ]衛星のうち3機は静止軌道(GEO)、残りの4機は対地同期軌道(GSO)に配置され、より広い信号フットプリントと少ない衛星数で地域を測位します。インド全土および周囲約1,500 km(900マイル)の地域において、全天候型で7.6メートル(25フィート)以上の絶対位置精度を提供することを目指しています。 [ 25 ]拡張サービスエリアは、主要サービスエリアと、南緯30度から北緯50度までと東経30度から東経130度までで囲まれた長方形のエリアとの間にあり、国境から1,500~6,000km(900~3,700マイル)の範囲にあります。[ 26 ]宇宙セグメント、地上セグメント、ユーザー受信機はすべてインドで製造され、インドの完全な管理が目標とされています。 [ 27 ]
この衛星群は2018年時点で軌道上にあり、2018年初頭には一般利用が可能となった。[ 28 ] NavICは2つのレベルのサービスを提供している。民間利用に開放される「標準測位サービス」と、許可されたユーザー(軍関係者を含む)向けの「限定サービス」(暗号化されたサービス)である。衛星群の規模を7から11に拡大し、NavICシステムを拡張する計画がある。[ 29 ]
インドは、さらに24機のMEO衛星を追加することで、NavICをグローバル化する計画です。Global NavICは世界中の人々が無料で利用できるようになります。[ 30 ]
中国の北斗ナビゲーションシステムの最初の2世代は、地域をカバーするように設計された。
GNSS 補強は、広域補強システム、欧州静止衛星航法オーバーレイサービス、多機能衛星補強システム、ディファレンシャルGPS、GPS 支援 GEO 補強航法(GAGAN)、慣性航法システムなどの外部情報を計算プロセスに統合することで、精度、信頼性、可用性などのナビゲーション システムの属性を向上させる方法です。
準天頂衛星システム(QZSS)は、日本とアジア・オセアニア地域をカバーする4機の衛星による地域時刻比較システムおよびGPSの拡張システムです。QZSSサービスは2018年1月12日から試験的に提供され、2018年11月に開始されました。最初の衛星は2010年9月に打ち上げられました。[ 31 ] 7機の衛星によるGPSから独立した衛星航法システムは、2023年に計画されています。[ 32 ]

欧州静止航法オーバーレイサービス(EGNOS)は、欧州委員会の委託を受け、欧州宇宙機関( ESA)とユーロコントロール(Eurocontrol)が開発した衛星航法補強システム(SBAS)です。現在、EGNOSはGPSの測位データの信頼性と精度を報告し、補正情報を送信することでGPSを補完しています。このシステムは、将来バージョン3.0で ガリレオを補完する予定です。
EGNOSは、40の測距整合性監視局、2つのミッションコントロールセンター、6つの航法地上局、EGNOS広域ネットワーク(EWAN)、そして3つの静止衛星で構成されています。[ 33 ]地上局は衛星航法システムのデータの精度を決定し、静止衛星に転送します。ユーザーは、EGNOS対応受信機を使用するか、インターネット経由でこれらの衛星から自由にデータを取得できます。このシステムの主な用途の一つは航空分野です。
仕様によると、EGNOSが提供する補正値を使用した場合の水平位置精度は7メートル以上である必要があります。実際には、水平位置精度はメートルレベルです。
同様のサービスは、北米では広域衛星航法補強システム(WAAS)、ロシアでは差分補正監視システム(SDCM)、アジアでは日本の多機能衛星航法補強システム(MSAS)とインドのGPS支援GEO航法補強システム(GAGAN)によって提供されています。
ガリレオとEGNOSは、2021年から2027年の6年間の研究開発期間に146億ユーロの予算を受け取りました。[ 34 ]
| システム | 北斗 | ガリレオ | グロナス | GPS | ナビIC | 準天頂衛星 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 所有者 | 中国 | 欧州連合 | ロシア | アメリカ合衆国 | インド | 日本 |
| カバレッジ | グローバル | グローバル | グローバル | グローバル | 地域 | 地域 |
| コーディング | CDMA | CDMA | FDMAとCDMA | CDMA | CDMA | CDMA |
| 高度km (mi) | 21,150 (13,140) | 23,222 (14,429) | 19,130 (11,890) | 20,180 (12,540) | 36,000 (22,000) | 32,600 ~39,000 (20,300~24,200) [ 35 ] |
| 期間 | 12.88時間(12時間53分) | 14.08時間(14時間5分) | 11時26分(11時間16分) | 11.97時間(11時間58分) | 23.93時間(23時間56分) | 23.93時間(23時間56分) |
| Rev./S .日 | 13/7 (1.86) | 17/10 (1.7) | 17/8 (2.125) | 2 | 1 | 1 |
| 衛星 | 北斗3号機:運用中28機(MEO24機、IGSO3機、GSO1機)軌道検証中5機、20H1にGSO2機を計画中北斗2号機:運用中15機、試運転中1機 | 設計上: 27台運用可能 + 3台予備 現在: 軌道上26機、運用中24機 2機が休止中、6機が進水予定[ 36 ] | 設計24機、運用1機、試運転1機、飛行試験1機[ 37 ] | 24は設計上、30は運用上[ 38 ] | 運用中 8 名(GEO 3 名、GSO MEO 5 名) | 運用中4機(GSO3機、GEO1機)将来7機 |
| 周波数GHz | 1.561098 (B1) 1.589742 (B1-2) 1.20714 (B2) 1.26852 (B3) | 1.559–1.592 (E1) 1.164–1.215 (E5a/b) 1.260–1.300 (E6) | 1.593 ~ 1.610 (G1) 1.237 ~ 1.254 (G2) 1.189 ~ 1.214 (G3) | 1.563 ~ 1.587 (L1) 1.215 ~ 1.2396 (L2) 1.164 ~ 1.189 (L5) | 1.57542 (L1) 1.17645 (L5) 2.49202 (S) | 1.57542 (L1C/A, L1C, L1S) 1.22760 (L2C) 1.17645 (L5, L5S) 1.27875 (L6) [ 39 ] |
| 状態 | 運用中[ 40 ] | 2016年から稼働、2020年に完成[ 36 ] | 運用 | 運用 | 運用 | 運用 |
| 精度m (ft) | 3.6 (12) (公開) 0.1 (0.33) (暗号化) | 0.2 (0.66) (公開) 0.01 (0.033) (暗号化) | 2~4(6.6~13.1) | 0.3~5 (0.98~16.40) (DGPSまたはWAASなし) | 1 (3.3) (公開) 0.1 (0.33) (暗号化) | 1 (3.3) (公開) 0.1 (0.33) (暗号化) |
| システム | 北斗 | ガリレオ | グロナス | GPS | ナビIC | 準天頂衛星 |
| 出典: [ 9 ] [ 41 ] [ 42 ] | ||||||
複数のGNSSシステムをユーザーの位置測定に使用すると、目に見える衛星の数が増え、精密ポイントポジショニング(PPP)が向上し、平均収束時間が短縮されます。[ 43 ] 2019年11月の空間内信号測距誤差(SISRE)は、衛星軌道とクロックのリアルタイム補正を使用した場合、ガリレオで1.6cm、GPSで2.3cm、GLONASSで5.2cm、BeiDouで5.5cmでした。[ 44 ] BDS-3 MEO、IGSO、およびGEO衛星の平均SISREは、それぞれ0.52m、0.90m、1.15mでした。 MEO衛星で構成される4つの主要な全球衛星航法システムと比較すると、BDS-3 MEO衛星のSISREはガリレオの0.4mよりわずかに劣り、GPSの0.59mよりわずかに優れ、GLONASSの2.33mより大幅に優れていた。BDS-3 IGSOのSISREは0.90mで、QZSS IGSOの0.92mと同等であった。しかし、BDS-3 GEO衛星は打ち上げ直後で軌道上で完全に機能していないため、その平均SISREはQZSS GEO衛星の0.91mよりわずかに劣っていた。[ 6 ]
衛星ドップラー軌道測位・無線測位統合システム(DORIS)は、フランスの高精度航法システムです。他のGNSSシステムとは異なり、世界中の静止した発信局と衛星搭載の受信機を用いて、軌道位置を正確に決定します。このシステムは、用途やカバー範囲が限定される陸上の移動受信機にも使用できます。従来のGNSSシステムと併用することで、位置精度をセンチメートル単位(高度測定用途ではミリメートル単位)にまで高め、地球の自転や地殻変動の極めて微細な季節変化の監視も可能となり、より高精度な測地基準システムを構築できます。[ 45 ]
現在運用中の2つの低軌道(LEO)衛星電話ネットワークは、衛星からのドップラーシフト計算を用いて、数キロメートルの精度でトランシーバーユニットを追跡することができます。座標はトランシーバーユニットに送り返され、ATコマンドまたはグラフィカルユーザーインターフェースを用いて読み取ることができます。[ 46 ] [ 47 ]また、ゲートウェイはこれを利用して、地理的に限られた通話プランに制限を設けることもできます。
国際電気通信連合(ITU)は、無線航行衛星業務(RNSS)を「無線航行の目的で使用される無線測位衛星業務。この業務には、その運用に必要なフィーダーリンクも含まれる場合がある」と定義しています。[ 48 ]
RNSS は生命の安全を守るサービスであり、干渉から保護されなければならない航行の重要な部分であると考えられています。
航空無線航行衛星(ARNSS)は、国際電気通信連合(ITU)の無線通信規則(RR)[ 49 ]第1.47条によれば、「地球局が航空機内に位置する無線航行業務」と定義されています。
海上無線航行衛星業務(MRNSS)は、国際電気通信連合(ITU)の無線通信規則(RR)[ 50 ]第1.45条によれば、「 地球局が船舶に設置されている無線航行衛星業務」と定義されている。
ITU無線通信規則(第1条)では、無線通信サービスを次のように分類しています。
無線周波数の割り当ては、ITU無線通信規則(2012年版)第5条に基づいて行われる。 [ 51 ]
周波数利用の調和を図るため、ほとんどのサービス割り当ては、関係各国の行政機関の責任において、各国の周波数割り当て・利用表に組み込まれています。割り当ては以下のとおりです。
| サービスへの割り当て | ||
| 地域1 | 地域2 | 地域3 |
5000~5010MHz
| ||
代替測位・航法・タイミング(AltPNT)とは、GNSSの代替としての概念を指す。このような代替手段には以下が含まれる[ 52 ]。