衛星航法装置
パーソナルナビゲーションアシスタントによる車両ナビゲーション
Garmin eTrex10エディションハンドヘルド

衛星ナビゲーションデバイス（ SatnavデバイスまたはGPS/GNSSデバイスとも呼ばれる）は、全地球測位システム（GPS）または類似の全地球航法衛星システム（GNSS）の衛星を使用して、ユーザーの地理座標を決定します。また、地図上にユーザーの位置を表示したり、ルート案内（ターンバイターンナビゲーションなど）を提供したりすることもできます。

2023年現在、4つのGNSSシステムが運用されています。アメリカのGPS、欧州連合のガリレオ、ロシアのGLONASS、[ 1 ] [ 2 ]、そして中国の北斗（BeiDou）航法衛星システムです。インドの地域航法衛星システム（IRNSS）がこれに続き、2023年には日本の準天頂衛星システム（QZSS）が運用開始予定で、多くのGNSSの精度向上に貢献します。

衛星ナビゲーション デバイスは、地球の表面上または表面付近のあらゆる気象条件で、1 つ以上の GNSS システムから位置と時刻の情報を取得できます。衛星ナビゲーションの受信には、4 基以上の GNSS 衛星への遮るもののない見通し線が必要ですが[ 3 ]、衛星信号の状態が悪い場合があります。市街地などの非常に信号状態が悪い場合、衛星信号が構造物に反射したり、気象条件によって弱められたりするマルチパス伝搬が発生する可能性があります。見通しの悪さは、樹冠や、建物、ガレージ、トンネルなどの構造物の内部で発生する可能性があります。今日では、ほとんどのスタンドアロンの衛星ナビゲーション レシーバーは自動車で使用されています。スマートフォンの衛星ナビゲーション機能では、特に衛星信号が弱いか利用できない場合に、基地局または携帯電話基地局を使用して初回測位までの時間(TTFF) を短縮できるアシスト GNSS (A-GNSS) テクノロジが使用されている場合があります。ただし、スマートフォンがモバイル受信ネットワークの範囲外にある場合、A-GNSS テクノロジのモバイル ネットワーク部分は利用できなくなりますが、それ以外の場合は衛星ナビゲーション機能は引き続き利用できます。

歴史

20世紀後半の他の多くの技術革新と同様に、現代のGNSS装置は、 20世紀後半の冷戦の直接的な結果であると言えるでしょう。米国とロシアの計画に投じられた数十億ドル規模の費用は、当初は軍事的利益によって正当化されました。一方、欧州のガリレオ計画は、純粋に民生用として構想されました。

1960年、米海軍は海軍の航行を支援するため、トランジット衛星航法システムを運用開始しました。1960年代半ば、米海軍は6基の衛星と軌道上の極を持つミサイルで潜水艦を追跡する実験を行い、衛星の変動を観測することに成功しました。[ 4 ] 1960年から1982年にかけて、その効果が実証されるにつれ、米軍は衛星航法技術と衛星システムを着実に改良・洗練させました。1973年、米軍は包括的な世界規模の航法システムの計画を開始し、これは後にGPS（全地球測位システム）として知られるようになりました。

1993年製マゼラン トレイルブレイザーXL GPSハンドヘルド受信機

1983年、大韓航空007便がソ連領空内で航法ミスにより撃墜された悲劇を受け、ロナルド・レーガン大統領は既存の軍用GPS（全地球測位システム）のナビゲーション機能を民間向けにも提供しました。しかし、当初の民間向け提供は、若干性能が低下した「選択的利用可能性（Selective Availability）」の測位信号のみでした。この米軍用GPSの民間向け提供は、商業化が実現するまでに、民間部門との技術協力を一定期間にわたって必要としました。 マクロメータ干渉測量機は測地測定を行うための最初の商用GNSSベースのシステムでした。[ 5 ] [ 6 ]

1989年、マゼランナビゲーション社は、世界初の商用ハンドヘルドGPS受信機であるマゼランNAV 1000を発表しました。これらのユニットは、当初1台あたり約2,900米ドルで販売されました。1990年、マツダのユーノスコスモは、衛星ナビゲーションシステムを内蔵した世界初の量産車となりました。[ 7 ] 1991年、三菱は三菱デボネアに衛星ナビゲーションシステム（MMCS：三菱マルチコミュニケーションシステム）を導入しました。[ 8 ] 1997年、ディファレンシャルGPSを使用したナビゲーションシステムが開発され、トヨタプリウスのメーカー装着オプションとして搭載されました。[ 9 ] 2000年、クリントン政権は軍事用途の信号制限を撤廃し、米国のGPS衛星システムへの完全な商用アクセスを可能にしました。

GNSSナビゲーション システムがますます普及し人気が高まるにつれて、そのようなシステムの価格が下がり始め、広く入手できる範囲が着実に増加しました。Garmin (1991 年)、Benefon (1999 年)、Mio (2002 年) 、 TomTom (2002 年) など、これらのシステムを製造する複数の追加メーカーが市場に参入しました。 Mitac Mio 168 は、GPS 受信機を内蔵した最初の PocketPC でした。[ 10 ] 1999 年の Benefon の市場参入により、世界初の電話ベースの GPS ナビゲーション システムがユーザーに提供されました。 その後、スマートフォンの技術が発達するにつれて、 GPS チップは最終的にほとんどのスマートフォンの標準装備になりました。 現在まで、ますます人気の高い衛星ナビゲーション システムとデバイスが、新しく開発されたソフトウェアおよびハードウェア アプリケーションとともに急増し続けています。 たとえば、カメラに組み込まれています。

アメリカのGPSは、地球規模で初めて導入され、商用利用が可能になった衛星航法システムでしたが、この種のシステムはこれだけではありません。軍事的およびその他の懸念から、ロシア、欧州連合、中国、インド、そして日本は、同様の地球規模または地域規模のシステムを既に導入済み、あるいは近々導入する予定です。

技術設計

GNSSデバイスは、感度、速度、マルチパス伝播に対する脆弱性、その他の性能パラメータがそれぞれ異なります。高感度受信機は、多数の相関器とデジタル信号処理を用いて、非常に高速に信号を探します。これにより、屋外など信号レベルが通常レベルの場合、初期測位時間が非常に短くなります。屋内など信号が弱い場合、追加の処理能力を活用して微弱な信号を統合し、位置やタイミングのソリューションを提供できるレベルまで到達させることができます。

GNSS信号は、地表に到達した時点ですでに非常に弱いです。GPS衛星は、地球から20,200 km上空の軌道からわずか27 W（14.3 dBW）しか送信しません。信号がユーザーの受信機に到達する頃には、通常、-160  dBW（100アトワット（10 -16 W））まで弱くなります。これは、その帯域における熱雑音レベルをはるかに下回っています。屋外では、GPS信号は通常、-155 dBW（-125 dBm ） 程度です 。

感度

従来のGPS受信機は、受信したGPS信号をC/Aコードの1周期（1ms）と同じ時間積分します。これにより、-160dBW程度までの信号を取得・追跡できます。高感度GPS受信機は、これより最大1,000倍長く入力信号を積分できるため、最大1,000倍弱い信号まで取得でき、積分ゲインは30dBになります。優れた高感度GPS受信機は、-185dBWまでの信号を取得でき、-190dBWに近いレベルまで追跡を継続できます。

高感度GPSは多くの屋内で測位が可能ですが、すべての場所で測位できるわけではありません。信号は建築材料によって大きく減衰するか、マルチパスのように反射します。高感度GPS受信機は最大30dB感度が向上する可能性があるため 、例えば3層の乾式レンガや最大20cm（8インチ）の鉄筋コンクリートを透過して追跡するのに十分です。高感度受信機チップの例としては、SiRFstarIIIやMediaTekのMTK IIなどがあります。[ 11 ]

航空分野では、GPS受信機を目的地空港へのアプローチモードに「設定」することができるため、航空機が30 nmi（56 km、35 mi）以内にいる場合、受信機の感度は自動的に経路（±5 nm）およびRAIM（±2 nm）からターミナル（±1 nm）に変わり、最終進入ウェイポイントに到達する2 nmi（3.7 km、2.3 mi）で再び±0.3 nmに変わります。[ 12 ]

シーケンシャルレシーバー

シーケンシャルGPS受信機は、通常1つまたは2つのハードウェアチャネルを使用して必要な衛星を追跡します。[ 13 ]この受信機は一度に1つの衛星を追跡し、測定値にタイムタグを付け、4つの衛星の擬似距離がすべて測定された時点でそれらを統合します。これらの受信機は入手可能な受信機の中で最も安価ですが、高い動特性下では動作できず、初期測位時間（TTFF）が最も遅くなります。

種類

消費者向け GNSS ナビゲーション デバイスには次のようなものがあります。

専用GNSSナビゲーションデバイス

ハンドヘルド受信機
GPSを搭載した日本のタクシー

専用機器のモビリティは様々です。ハンドヘルド型、アウトドア用、スポーツ用など、様々なタイプの受信機は交換可能なバッテリーを搭載しており、数時間の動作が可能で、ハイキング、サイクリング、その他電源から離れた場所でのアクティビティに適しています。人間工学に基づいたデザインで、画面は小型で、中には省電力のためカラー表示しない機種もあります。また、半透過型液晶ディスプレイを採用した機種もあり、直射日光下でも使用できます。ケースは頑丈で、防水仕様のものもあります。

モバイルと呼ばれる他の受信機は、主に車内での使用を目的としていますが、車外でも1～2時間動作可能な小型の充電式バッテリーを内蔵しています。車内での使用に特化した機器は、恒久的に設置され、車両の電気系統に完全に依存しています。多くの機器は、入力方法としてタッチスクリーンを備えています。地図はメモリカードに保存できます。中には、基本的な音楽プレーヤー、画像ビューア、ビデオプレーヤーなどの追加機能を備えたものもあります。[ 14 ]

初期の受信機にプリインストールされた組み込みソフトウェアでは地図が表示されませんでしたが、21 世紀の受信機では一般的に、インタラクティブな市街地図 (特定の地域の地図) が表示され、興味のあるポイント、ルート情報、段階的なルート案内も表示されることがあります。多くの場合、「テキスト読み上げ」と呼ばれる機能によって音声で伝えられます。

製造元は次のとおりです。

スマートフォンへの統合

ほぼすべてのスマートフォンにGNSS受信機が搭載されています。これは消費者の需要とサービス提供者の両方によって推進されています。現在では、ナビゲーション支援などの位置情報サービスに依存する多くのスマートフォンアプリや、地域限定広告などの様々な商業機会が存在します。初期の開発においては、ユーザーの位置情報サービスへのアクセスは、発信者の位置特定を支援する欧米の緊急サービスによって推進されていました。[ 15 ]

スマートフォンのOSはすべて、データ接続を必要とする無料の地図サービスやナビゲーションサービスを提供しています。一部のOSでは地図を事前に購入してダウンロードできますが、データ接続に依存する地図は一般的にキャッシュできるため、こうしたサービスへの需要は減少しています。ナビゲーションアプリケーションは数多く存在し、新しいバージョンが絶えず導入されています。主なアプリとしては、データ接続を必要とするGoogle Maps Navigation、Apple Maps 、 Waze、キャッシュされた地図を使用し、データ接続なしでも操作できるAndroid向けのiGo、Maverick、 Windows Phone向けのHEREなどがあります。その結果、今ではほぼすべてのスマートフォンがパーソナルナビゲーションアシスタントとして機能します。

携帯電話をナビゲーションデバイスとして利用する割合は、スタンドアロンのGNSSデバイスの利用割合を上回っています。2009年、独立系アナリスト会社Berg Insightの調査によると、GNSS対応のGSM/WCDMA端末は米国だけで1億5000万台に達し[ 16 ] 、スタンドアロンのGNSS受信機の販売台数はわずか4000万台でした[ 17 ] 。

アシストGPS（A-GPS）は、衛星データと携帯電話基地局データの組み合わせを使用して、最初の位置測定までの時間を短縮し、衛星アルマナックを定期的にダウンロードする必要性を減らし、大きな建物の近くで衛星信号が妨害された場合に位置を特定するのに役立ちます。携帯電話基地局の範囲外では、A-GPSを使用する携帯電話の位置測定性能が低下する可能性があります。A-GPSベースのハイブリッド測位システムを搭載した携帯電話は、携帯電話基地局の三角測量とWiFiホットスポットの位置によってGPS信号が不十分な場合でも位置測定を維持できます。ほとんどのスマートフォンは、携帯電話基地局の範囲外でのGPSの位置測定を加速するために、オンライン時に衛星アルマナックをダウンロードします。[ 18 ]

統合 GPS を搭載していない一部の古いJava対応携帯電話では、シリアルまたはBluetooth接続を介して外部 GPS 受信機を引き続き使用できますが、現在ではその必要性はほとんどありません。

一部の携帯電話はノートパソコンにテザリングすることで、ノートパソコンにも位置情報サービスを提供できる。[ 19 ]

手のひら、ポケット、ラップトップPC

ソフトウェア会社は、ノートパソコンで車載用にGPSナビゲーションソフトウェアプログラムを提供している。 [ 20 ]ノートパソコンでのGPSの利点としては、地図の概要がより広くなること、キーボードを使用してGPS機能を制御できることなどがあり、ノートパソコン用のGPSソフトウェアの中には、途中停止、代替の景色の良いルートや高速道路オプションのみの検索機能など、他のプラットフォームでは利用できない高度な旅行計画機能を提供するものもある。

Palms [ 21 ]やPocket PCにもGPSナビゲーション機能が搭載されている。[ 22 ] Pocket PCは専用のナビゲーションデバイスとは異なり、独自のオペレーティングシステムを搭載しており、他のアプリケーションも実行できる。

GPSモジュール

WAAS/EGNOSをサポートする最新のSiRFstarIIIチップベースの20チャンネルGPS受信機

その他のGPSデバイスは、動作させるためにコンピュータに接続する必要があります。接続するコンピュータは、家庭用コンピュータ、ノートパソコン、PDA、デジタルカメラ、スマートフォンなどです。コンピュータの種類と利用可能なコネクタに応じて、シリアルケーブルまたはUSBケーブル、Bluetooth、コンパクトフラッシュ、SDカード、PCMCIA、そしてより新しいExpressCardを介して接続できます。[ 23 ]一部のPCMCIA/ExpressCard GPSユニットには、無線モデムも搭載されています。[ 24 ]

デバイスには通常、 GPSナビゲーションソフトウェアがプリインストールされていないため、購入後、ユーザーは独自のソフトウェアをインストールするか、作成する必要があります。ユーザーは使用するソフトウェアを選択できるため、個人の好みに合わせてカスタマイズできます。PCベースのGPS受信機には、ナビゲーションソフトウェアスイートがバンドルされているのが一般的です。また、ソフトウェアモジュールは、完全なスタンドアロンシステムよりも大幅に安価です（約50ユーロから100ユーロ）。ソフトウェアには、特定の地域のみの地図が含まれている場合もあれば、Googleマップなどのソフトウェアを使用する場合は世界全体の地図が含まれている場合もあります。

一部の愛好家は、衛星ナビゲーション装置を製作し、その設計図をオープンソース化しています。例としては、Elektor社のGPSユニットが挙げられます。[ 25 ] [ 26 ]これらはSiRFstarIIIチップをベースにしており、市販の製品と同等の性能を備えています。他のチップやソフトウェア実装も利用可能です。[ 27 ]

アプリケーション

車両ナビゲーション

自動車ナビゲーション システムはGNSS システムから位置情報を取得し、インストールされているソフトウェアに応じて次のサービスを提供する場合があります。

  • 街路地図、テキスト、グラフィック形式を含むマッピング
  • テキストまたは音声によるターンバイターンナビゲーションの案内、
  • 自動運転車に直接指示を送る
  • 交通渋滞マップ、過去またはリアルタイムデータ、代替ルートの提案など
  • レストラン、ガソリンスタンド、観光スポットなどの近隣施設の情報
  • 代替ルート。

航空

飛行士は、ナビゲーションと安全性および飛行の効率性の向上のために衛星ナビゲーションを使用しています。これにより、パイロットは地上ベースのナビゲーション支援に依存せずに、より効率的なルートを実現し、地上ベースのナビゲーションおよび監視機器がない空港へのナビゲーションを提供できるようになります。現在では、視界の悪い状況でも安全に着陸できるように衛星が補強されているエリアで、飛行士がより鮮明な画像を得ることができる GPS ユニットもいくつかあります。現在、GPS 用に 2 つの新しい信号が作成されており、1 つは空の危機的な状況を支援するためのもので、もう 1 つは GPS をより堅牢なナビゲーション サービスにするものです。現在、多くの飛行サービスでは、GPS の使用を必須サービスとしています。[ 28 ]商用航空アプリケーションには、位置を計算してその情報を自動操縦用の大型のマルチ入力ナビゲーション コンピューター、パイロットへのコース情報および修正表示、コース追跡および記録デバイスに送信する GNSS デバイスがあります。

軍隊

軍事用途には、歩兵（指揮官および正規兵士）、小型車両および船舶向けの消費者向けスポーツ製品に類似したデバイス、ならびに航空機およびミサイル向けの民間航空用途に類似したデバイスが含まれる。例としては、米国軍の指揮官デジタルアシスタントおよび兵士デジタルアシスタントがある。[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] 2000年5月以前は、軍のみがGPSの完全精度を利用できた。消費者向けデバイスは選択的可用性（SA）によって制限されていたが、これは段階的に廃止される予定であったが、クリントン大統領によって突如廃止された。[ 33 ]ディファレンシャルGPSはSAの誤差をキャンセルし、GPSの精度を向上させる方法で、ゴルフカートなどの民間用途で日常的に利用可能であった。[ 34 ] GPSはSAがなくても約15メートルの精度に制限されている。DGPSは数センチメートル以内の精度となる。[ 35 ]

リスク

衛星ナビゲーションデバイスは、すべての条件を考慮に入れていないため、不可能なルートを提案する場合があります。

GPSの地図や道順は時折不正確です。最短ルートを尋ねて道に迷った人もいます。[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] 2010年、米国オレゴン州の住民は、カーナビが自分の敷地を通る道路を表示したため、週に5～8回、他人が自分の私道に誘導されたと主張しました。[ 39 ]他にも、路地が道路として表示されたり、車線が道路として認識されたり、[ 40 ]線路が道路として認識されたりするなどの危険があります。[ 41 ]

プライバシーに関する懸念

携帯電話などの衛星ナビゲーション機能付き携帯端末が、デバイスにインストールされた関連ソフトウェアを通じてユーザーの位置情報データをアップロードすると、ユーザーのプライバシーが侵害される可能性があります。ユーザーの位置情報は現在、Googleマップなどのナビゲーションアプリや位置情報に基づく広告の基盤となっており、近隣の店舗を宣伝したり、広告代理店がユーザーの行動や習慣を追跡して将来の利用に役立てたりすることができます。規制当局は、位置情報データの特権データとしての取り扱いについて、国によって異なります。特権データは、ユーザーの同意なしに保管したり、その他の方法で使用したりすることはできません。[ 42 ]

車両追跡システムは、雇用主が従業員の位置情報を追跡することを可能にするため、従業員のプライバシー侵害の懸念が生じます。従業員が勤務時間外であってもプライベートな時間中に位置情報データを収集し続けた事例もあります。[ 43 ]

レンタカーサービスも同様の手法を使って、顧客を料金を支払ったエリアからジオフェンスし、違反者には追加料金を請求することがある。[ 44 ] 2010年、ニューヨーク自由人権協会は、マイケル・カニンガム氏が車に取り付けたカーナビを使用して日々の行動と位置を追跡した後に解雇されたとして、労働省を相手取って訴訟を起こした。[ 45 ]私立探偵は、仕掛けられたGPS装置を使って、ターゲットの動きに関する情報を顧客に提供する。

参照

Wikivoyage にはGPS ナビゲーション用の旅行ガイドがあります。
ウィキメディア コモンズには、 GPS 受信機に関連するメディアがあります。

参考文献

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