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衛星航法（satnav）または衛星測位とは、衛星を利用して航法や位置を特定することです。全地球航法衛星システム（GNSS）は、空、陸、海を含む地球上のあらゆるユーザーにサービスを提供しています。運用中のGNSSシステムは4つあります。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）、中国の北斗衛星測位システム（BDS）[ 1 ]、および欧州連合のガリレオ[ 2 ]です。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、別名NavIC）[ 4 ] [ 5 ]という2つの地域航法衛星システム（RNSS）があります。
衛星ベース補強システム（SBAS）は、グローバル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QZSS [ 6 ] 、インドのGAGAN、欧州のEGNOSなどがあり、これらはすべてGPSに基づいています。
衛星航法装置は、衛星から無線で送信される時刻信号を用いて、位置（経度、緯度、高度／標高）を高精度（数センチメートルから数メートル以内）で特定します。このシステムは、位置情報の提供、航法、または受信機を搭載した物体の位置追跡（衛星追跡）に使用できます。また、これらの信号により、電子受信機は高精度で現在の現地時刻を計算することができ、時刻同期が可能になります。これらの用途はまとめて測位・航法・時刻同期（PNT）と呼ばれます。衛星航法システムは、電話回線やインターネット回線とは独立して動作しますが、これらの技術を利用することで、生成される位置情報の有用性を高めることができます。
各システムのグローバルなカバレッジは、一般的に、複数の軌道面に分散配置された18～30基の中軌道（MEO）衛星群によって実現されています。実際のシステムは様々ですが、いずれも50度を超える軌道傾斜角と、約12時間（高度約2万キロメートルまたは1万2千マイル）の軌道周期を採用しています。
民間航行に使用可能な、精度と完全性監視を強化したGNSSシステムは、以下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基づいて、システムは以下のように分類できます。
多くのグローバルGNSSシステム（および補強システム）はL1付近で類似の周波数と信号を使用しているため、複数のシステムを使用できる「マルチGNSS」受信機が多数開発されている。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るが、そうでないシステムもある。[ 10 ]
地上無線航法は数十年の歴史を持つ。DECCA 、LORAN、GEE 、 Omegaといったシステムは、既知の「マスター」局から無線パルスを発信する地上長波無線送信機を使用し、その後、複数の「スレーブ」局からパルスが繰り返された。マスター信号とスレーブ信号の受信間の遅延を利用することで、受信機は各スレーブ局までの距離を推定し、位置を特定することができた。
最初の衛星航法システムは、1960年代に米軍が配備したトランジットでした。トランジットの運用はドップラー効果に基づいていました。衛星は既知の経路を飛行し、既知の無線周波数で信号を送信します。受信周波数は、受信機に対する衛星の動きによって、送信周波数とわずかに異なります。受信機は、この周波数シフトを短時間監視することで、衛星のどちら側かどちら側かを特定でき、このような測定値を複数回取得し、衛星の軌道に関する正確な知識と組み合わせることで、特定の位置を特定できます。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）、その他の現象によって引き起こされます。1970年から1973年にかけてフロリダのパンアメリカン航空宇宙部門のハロルド・L・ジュリーが率いたチームは、多くの誤差源に対する解決策や補正方法を見つけました。リアルタイムデータと再帰的推定を用いることで、系統誤差と残差誤差を航行に十分な精度まで低減することができた。[ 11 ]
周回衛星からの送信データには、その衛星の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GPSの正確な軌道を継続的に観測していました。衛星の軌道がずれると、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送信データには、最新の天体暦が含まれます。
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送信します。軌道データには、衛星の位置特定に役立つすべての衛星の概略的な暦と、この衛星の正確な暦（地上局の助けを借りて決定）が含まれます。軌道暦は、タイミング基準として機能するコードに重ねてデータメッセージとして送信されます。衛星は原子時計を使用して、コンステレーション内のすべての衛星の同期を維持します。受信機は、3つ（海面高度の場合）または4つ（高度計算も可能）の異なる衛星の送信にエンコードされた送信時刻を比較し、各衛星への飛行時間を測定します。このような測定を複数の衛星に対して同時に行うことができ、三辺測量の改良版を使用してリアルタイムで継続的な位置決定を生成できます。詳細については、GNSS測位計算を参照してください。
使用するシステムの種類に関わらず、各距離測定では、受信機は放送局を中心とする球殻上に、放送局から測定された距離の位置に配置されます。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、位置が確定されます。しかし、受信機が高速で移動する場合、複数の衛星から信号を受信すると、受信機の位置も移動します。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、この減速は受信機と衛星の角度によって変化します。これは、その角度が信号が電離層を通過する距離に対応するためです。したがって、基本的な計算では、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求めようとします。衛星航法受信機は、複数の衛星からの信号と複数の相関器を組み合わせることで誤差を低減し、カルマンフィルタなどの技術を用いて、ノイズが多く、部分的で、常に変化するデータを、位置、時間、速度の単一の推定値に統合します。
アインシュタインの一般相対性理論はGNSSの時刻補正に適用される。その結果、GPS衛星時計の時刻は地上の時計よりも1日あたり約38マイクロ秒速く進む。[ 12 ]
複数の衛星航法システムを組み合わせて位置解を生成できます。異なるシステムは時間基準が異なるため、受信機は当初、追加されるシステムごとにシステム間の時間差パラメータを1つ追加で推定する必要があり、ハイブリッド位置決定に必要な衛星の数が増加していました。[ 13 ] [ 14 ] 2010年代初頭以降、多くの衛星によってブロードキャストされる新世代の航法メッセージには、時間基準間の変換のための「GNSS時間オフセット」パラメータが含まれるようになり、必要に応じて受信機はこの推定を省略できるようになりました。[ 15 ] [ 16 ]ブロードキャストパラメータは衛星所有者の推定に基づいており、その精度はシステムによって異なります。[ 17 ]
衛星航法の本来の目的は軍事用途であった。衛星航法は標的への兵器の精密な投下を可能にし、殺傷能力を大幅に向上させると同時に、誤射による偶発的な死傷者を減らす。（誘導爆弾を参照）。また、衛星航法は部隊の指揮や位置特定を容易にし、戦場の霧を晴らす。
現在では、ガリレオなどの全地球航法衛星システムが、ユーザーの位置や、特定の瞬間の他の人や物の位置を特定するために使用されています。将来の衛星航法の応用範囲は、科学、運輸、農業など、多数の市場セグメントにわたる公共部門と民間部門の両方を含む膨大なものです。[ 18 ]
衛星航法信号を供給する能力は、同時にその提供を拒否する能力でもある。衛星航法システムの運用者は、自らが望むあらゆる地域において、衛星航法サービスを低下させたり、完全に遮断したりする能力を潜在的に有している。
初発売年順：
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、古い衛星が退役して新しい衛星に置き換えられるにつれて変動します。1978年から運用が開始され、1994年からは世界中で利用可能なGPSは、世界で最も広く利用されている衛星測位システムです。
旧ソ連、現在はロシアの衛星測位システムであるGlobal'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema（Global Navigation Satellite System、略称GLONASS）は、民間向け無線航法衛星サービスを提供する宇宙ベースの衛星測位システムであり、ロシア航空宇宙防衛軍でも使用されている。GLONASSは1995年以来、24基の衛星を稼働させ、地球全体をカバーしている。
北斗は、現在運用を終了した北斗1号として始まり、静止軌道上のアジア太平洋地域のローカルネットワークでした。システムの第2世代である北斗2号は、2011年12月に中国で運用を開始しました。[ 19 ]北斗3号システムは、30基のMEO衛星と5基の静止衛星（IGSO）で構成されることが提案されています。16基の衛星からなる地域バージョン（アジア太平洋地域をカバー）は、2012年12月までに完成しました。グローバルサービスは、2018年12月までに完了しました。[ 20 ] 2020年6月23日、西昌衛星発射センターで最後の衛星が打ち上げられた後、BDS-3衛星コンステレーションの展開が完全に完了しました。[ 21 ]
欧州連合と欧州宇宙機関は、 2002 年 3 月に、GPS に代わる独自の測位システムであるガリレオ測位システムを導入することに合意しました。ガリレオは 2016 年 12 月 15 日に運用を開始しました (グローバル早期運用能力、EOC)。[ 22 ]推定費用 100 億ユーロで、[ 23 ] 30 基のMEO衛星からなるこのシステムは、当初 2010 年に運用開始予定でした。運用開始予定の当初の年は 2014 年でした。[ 24 ]最初の実験衛星は 2005 年 12 月 28 日に打ち上げられました。[ 25 ]ガリレオは、近代化された GPSシステムと互換性があると予想されています。受信機は、ガリレオと GPS 衛星の両方からの信号を組み合わせることで、精度を大幅に向上させることができます。ガリレオ衛星群は24基の稼働中の衛星で構成されており、[ 26 ]最後の衛星は2021年12月に打ち上げられた。[ 27 ] [ 28 ]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。これは7つの航法衛星のコンステレーションで構成されています。[ 29 ] 3つの衛星は静止軌道（GEO）に、残りの4つは同期軌道（GSO）に配置され、信号範囲を広げ、地域をマッピングするための衛星の数を減らしています。インド全土およびインド周辺約1,500 km（900マイル）の地域で、全天候型の絶対位置精度が7.6メートル（25フィート）未満となることを目指しています。[ 30 ]拡張サービスエリアは、主要サービスエリアと、南緯30度線から北緯50度線、東経30度線から東経130度線で囲まれた長方形のエリアの間にあり、国境から1,500～6,000 km (900～3,700マイル)離れています。[ 31 ]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、完全なインドによる管理が目標とされています。 [ 32 ]
2018年時点で衛星群は軌道上にあり、システムは2018年初頭に一般利用可能となった。[ 33 ] NavICは2つのレベルのサービスを提供しており、民間利用に開放される「標準測位サービス」と、認可されたユーザー（軍関係者を含む）向けの「制限付きサービス」（暗号化されたサービス）がある。衛星群の規模を7から11に拡大することでNavICシステムを拡張する計画がある。[ 34 ]
インドは、さらに24基のMEO衛星を追加することでNavICをグローバル化する計画である。グローバルNavICは世界中の人々が無料で利用できるようになる。[ 35 ]
中国の北斗衛星測位システムの最初の2世代は、地域的なカバレッジを提供することを目的として設計された。
GNSS補強とは、例えば広域補強システム、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、差分GPS、 GPS支援型静止衛星補強航法（GAGAN） 、慣性航法システムなど、外部情報を計算プロセスに統合することによって、精度、信頼性、可用性などの航法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つの衛星による地域時刻転送システムであり、 GPSの拡張機能です。QZSSサービスは2018年1月12日から試験的に利用可能で、2018年11月に正式に開始されました。最初の衛星は2010年9月に打ち上げられました。[ 36 ] 7つの衛星による独立した衛星航法システム（GPSとは別）が2023年に計画されています。[ 37 ]
欧州静止衛星航法補強サービス（EGNOS）は、欧州宇宙機関（ESA）と欧州制御機構（Eurocontrol）が欧州委員会の委託を受けて開発した衛星測位補強システム（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。将来のバージョン3.0では、ガリレオを補完するシステムとなる予定です。
EGNOSは、40の測距完全性監視局、2つのミッションコントロールセンター、6つのナビゲーション地上地球局、EGNOS広域ネットワーク（EWAN）、および3つの静止衛星で構成されています。[ 38 ]地上局は衛星ナビゲーションシステムのデータの精度を判定し、それを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、これらの衛星からこのデータを自由に取得できます。このシステムの主な用途の1つは航空です。
仕様によると、EGNOSが提供する補正データを使用した場合の水平位置精度は7メートル未満であるはずです。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補強システム（MSAS）とインドのGPS支援型静止軌道航法システム（GAGAN）によって提供されている。
ガリレオとEGNOSは、2021年から2027年までの6年間の研究開発期間に146億ユーロの予算を受け取った。[ 39 ]
複数のGNSSシステムを使用してユーザーの位置を特定すると、可視衛星の数が増え、精密単点測位（PPP）が改善され、平均収束時間が短縮されます。[ 48 ]衛星の軌道とクロックのリアルタイム補正を使用した場合、 2019年11月の信号空間測距誤差（SISRE）は 、Galileoで1.6cm、 GPSで2.3cm、 GLONASSで5.2cm、 BeiDouで5.5cmでした。[ 49 ] BDS-3 MEO、IGSO、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つの主要なグローバル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より著しく優れていた。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衛星は打ち上げられたばかりで軌道上で完全に機能していなかったため、平均SISREはQZSS GEO衛星の0.91mよりわずかに劣っていた。[ 6 ]
ドップラー軌道測位と衛星による無線測位統合システム (DORIS) は、フランスの精密航法システムです。他の GNSS システムとは異なり、衛星に搭載された受信機と世界中の静止送信局に基づいて、軌道位置を正確に決定します。このシステムは、使用範囲とカバレッジが限られているものの、地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精度 (高度測定用途ではミリメートル精度) まで高め、地球の自転と変形の非常に小さな季節変化を監視することも可能にし、より高精度な測地基準システムを構築します。[ 50 ]
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使用して、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使用して読み取ることができます。[ 51 ] [ 52 ]これは、ゲートウェイによって地理的に制限された通話プランの制限を適用するためにも使用できます。
国際電気通信連合（ITU）は、無線航法衛星サービス（RNSS）を「無線航法の目的で使用される無線測位衛星サービス」と定義している。このサービスには、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。[ 53 ]
RNSSは生命の安全に関わるサービスであり、航行に不可欠な部分であるため、妨害から保護されなければならない。
航空無線航法衛星（ARNSS ）は、国際電気通信連合（ITU）の無線通信規則（RR）[ 54 ]の第1.47条によれば、「航空機に搭載された地球局による無線航法サービス」と定義されている。
海上無線航法衛星サービス（MRNSS ）は、国際電気通信連合（ITU）の無線通信規則（RR）[ 55 ]の第1.45条によれば、「 船舶上に地球局が設置されている無線航法衛星サービス」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以下のように分類している。
無線周波数の割り当ては、 ITU無線通信規則（2012年版）第5条に従って規定されている。 [ 56 ]
周波数利用の調和を向上させるため、ほとんどのサービス割り当ては、該当する国の行政機関の責任の下、国の周波数割り当ておよび利用状況表に組み込まれています。割り当ては以下のとおりです。
代替測位、航法、時刻同期（AltPNT）とは、GNSSの代替としての概念を指します。そのような代替手段には以下が含まれます。[ 57 ]
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