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衛星ナビゲーション装置（衛星ナビゲーション装置、 GPS/GNSS装置とも呼ばれる）は、全地球測位システム（GPS）またはその他の全地球航法衛星システム（GNSS）の衛星を利用して、ユーザーの地理座標を特定します。また、地図上にユーザーの位置を表示したり、経路案内（ターンバイターン方式のナビゲーションなど）を提供したりすることもできます。
全地球航法衛星システム（GNSS）は4つあります。米国の全地球測位システム（GPS）、欧州連合のガリレオ、ロシアのGLONASS [ 1 ] [ 2 ]、中国の北斗衛星測位システム[ 3 ]です。これらのシステムは、測位精度と可用性を向上させるためにしばしば併用されます。さらに、インドのNavICや日本の準天頂衛星システム（QZSS）などの地域システムは、それぞれの地域で多くのGNSSの精度を向上させます。[ 4 ]
衛星ナビゲーション装置は、あらゆる気象条件下で、地球の表面上またはその近傍のどこでも、1 つ以上の GNSS システムから位置情報と時刻情報を取得できます。衛星ナビゲーションの受信には、4 つ以上の GNSS 衛星への遮るもののない視線が必要であり、[ 5 ]衛星信号の状態が悪いと受信が困難になります。信号の状態が特に悪い場合、たとえば都市部では、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ことがあります。視線が遮られる原因としては、樹冠や、建物、ガレージ、トンネルなどの構造物内部が挙げられます。現在、ほとんどのスタンドアロン衛星ナビゲーション受信機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は、アシスト GNSS (A-GNSS) 技術を使用することがあり、これは基地局やセルタワーを使用して、特に衛星信号が弱い場合や利用できない場合に、より高速な初回測位時間(TTFF) を提供できます。しかし、A-GNSS技術のモバイルネットワーク部分は、スマートフォンがモバイル通信網の圏外にある場合は利用できませんが、衛星ナビゲーション機能は圏外にある場合は引き続き利用可能です。
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主張するのは妥当であろう。米国とロシアのプログラムに投じられた数十億ドルもの費用は、当初は軍事的利益によって正当化された。対照的に、ヨーロッパのガリレオは純粋に民生用として構想されたのである。
1960年、米海軍は海上航行を支援するために衛星航法システム「トランジット」を運用開始した。 1960年代半ば、米海軍は6基の衛星と軌道上の極を使ってミサイルで潜水艦を追跡する実験を行い、衛星の変化を観測することができた。[ 6 ] 1960年から1982年にかけて、その利点が明らかになるにつれ、米軍は衛星航法技術と衛星システムを継続的に改良し、洗練させてきた。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、それが最終的にGPS（全地球測位システム）として知られるようになった。
1983年、ソ連領空内で航法ミスにより撃墜された大韓航空007便の悲劇を受け、ロナルド・レーガン大統領は、既存の軍用GPSの航法機能を民間利用にも開放した。しかし、民間利用は当初、わずかに性能が低下した「選択的利用可能」測位信号に過ぎなかった。米軍のGPSを民間利用に開放するには、商業化されるまで、民間企業との一定の技術協力が必要だった。 マクロメータ干渉測量器は、測地測定を行うための最初の商用GNSSベースシステムでした。[ 7 ] [ 8 ]
1989年、マゼランナビゲーション社は、世界初の商用携帯型GPS受信機であるMagellan NAV 1000を発表しました。[ 9 ]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。[ 10 ] 1991年、三菱は三菱デボネアに衛星ナビゲーションカーナビゲーション（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。[ 11 ]同年、ソニーは、比較的安価な携帯型GPSユニットの1つであるPyxis IPS-360を発表しました。後継機種のPyxis IPS-760は、パイロットやボート乗り向けに、交換可能な地図データベースカードを初めて搭載しました。 [ 12 ] [ 13 ] 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、トヨタプリウスの工場装着オプションとして開発されました。[ 14 ] 2000年、クリントン政権は軍事利用信号の制限を撤廃し、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、これらのシステムの価格は下がり始め、その普及率は着実に増加しました。Garmin (1991)、Benefon (1999)、Mio (2002) 、 TomTom (2002) など、これらのシステムのメーカーがさらにいくつか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。[ 15 ] Benefonの 1999 年の市場参入は、世界初の電話ベースの GPS ナビゲーション システムをユーザーに提供しました。その後、スマートフォン技術が発展するにつれて、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。今日に至るまで、ますます人気のある衛星ナビゲーション システムとデバイスは、新しく開発されたソフトウェアとハードウェア アプリケーションとともに増え続けています。たとえば、カメラに組み込まれています。
アメリカのGPSは、完全にグローバルな規模で展開され、商用利用可能になった最初の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。2020年までに、軍事上の懸念やその他の理由から、ロシアのGLONASS、欧州連合のGalileo、中国のBeiDou航法衛星システムという3つの全地球航法衛星システム（GNSS）が運用を開始しました。[ 3 ]さらに、インドのNavICや日本の準天頂衛星システムなどの地域システムは、特定の地域をカバーしています。[ 4 ]
GNSSデバイスは、感度、速度、マルチパス伝搬に対する脆弱性、その他の性能パラメータにおいて多様です。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、信号を非常に高速に探索します。これにより、例えば屋外のように信号が通常のレベルにある場合、初回測位までの時間が非常に短くなります。例えば屋内のように信号が弱い場合、追加の処理能力を利用して微弱な信号を統合し、位置情報や時刻情報を提供できるようになります。
GNSS信号は、地球表面に到達する時点で既に非常に微弱です。GPS衛星は、地球上空20,200kmの軌道からわずか 27W（ 14.3dBW）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-160dBW（100アトワット（10⁻¹⁶W）に相当）まで弱くなっています。これは、その帯域幅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-155dBW （-125dBm）程度です。
従来のGPS受信機は、受信したGPS信号をC/Aコードサイクルの1msと同じ時間だけ積分します 。これにより、約-160dBWレベルまでの信号を取得および追跡することが可能になります。高感度GPS受信機は、受信信号をこれより最大1,000倍長く積分できるため、最大1,000分の1 の弱さの信号も取得でき、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 、追跡は-190dBWに近いレベルまで継続できます 。
高感度GPSは、屋内の多くの場所で測位を提供できますが、すべての屋内場所で提供できるわけではありません。信号は、建材によって大きく減衰するか、マルチパスのように反射されます。高感度GPS受信機は最大30dB高い感度を持つ可能性があるため、たとえば、3層の乾燥レンガや最大20cm （8インチ）の鉄筋コンクリートを通して追跡するには十分です。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。[ 16 ]
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。[ 17 ]このセットは一度に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すべてが測定されたときにそれらを組み合わせます。これらの受信機は入手可能な中で最も安価なものの1つですが、高いダイナミクス下では動作できず、最初の位置特定までの時間（TTFF）性能が最も遅くなります。
消費者向けGNSSナビゲーション機器には以下が含まれます。
専用機器には様々な携帯性があります。携帯型、アウトドア用、スポーツ用受信機は交換可能なバッテリーを搭載しており、数時間動作するため、ハイキングやサイクリングツアーなど、電源から遠く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、画面は小型です。電力消費を抑えるため、カラー表示に対応していないものもあります。半透過型液晶ディスプレイを採用しているものもあり、明るい日光の下でも使用できます。筐体は頑丈で、防水仕様のものもあります。
その他の受信機は、モバイルと呼ばれることが多く、主に車内での使用を想定していますが、小型の充電式内蔵バッテリーを備えており、車から離れた場所でも1～2時間使用できます。車内で使用する特殊なデバイスは、常設される場合があり、自動車の電気系統に完全に依存します。これらの多くは、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。一部のデバイスは、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提供します。[ 18 ]
初期の受信機にプリインストールされていた組み込みソフトウェアには地図が表示されませんでしたが、21世紀の受信機では、特定の地域を対象としたインタラクティブな道路地図が表示されるのが一般的で、さらに名所旧跡、ルート情報、段階的なルート案内なども表示され、「テキスト読み上げ」と呼ばれる機能で音声案内されることもよくあります。
製造業者には以下が含まれます。
現在、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[ 19 ]。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きました。現在では、ナビゲーション補助などの位置情報サービスに依存する電話アプリが多数存在し、地域広告などの商業的な機会も数多くあります。初期の開発段階では、発信者の位置特定を支援するために、欧米の緊急サービスがユーザー位置情報サービスへのアクセスを推進しました[ 20 ] 。
すべてのスマートフォンOSは、データ接続を必要とする無料の地図およびナビゲーションサービスを提供しています。一部のOSでは地図の事前購入とダウンロードが可能ですが、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、その需要は減少傾向にあります。ナビゲーションアプリは数多く存在し、新しいバージョンが絶えずリリースされています。主要なアプリには、データ接続を必要とするGoogleマップナビゲーション、Appleマップ、 Waze 、キャッシュされた地図を使用しデータ接続なしでも動作するAndroid用iGo 、Windows Phone用MaverickおよびHEREなどがあります。したがって、現在ではほとんど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。
ナビゲーション機器としての携帯電話の使用は、スタンドアロンのGNSS機器の使用を上回っています。2009年に独立系アナリスト企業Berg Insightは、米国だけでGNSS対応のGSM/WCDMAハンドセットが1億5000万台に達したのに対し[ 21 ] 、スタンドアロンのGNSS受信機の販売台数はわずか4000万台だったことを明らかにしました[ 22 ] 。
アシストGPS（A-GPS）は、衛星データとセルタワーデータを組み合わせて使用することで、最初の測位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ている場合に位置を特定するのに役立ちます。セルタワーの範囲外では、A-GPSを使用する電話の位置精度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備えた電話は、セルタワーの三角測量と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の確定を維持できます。ほとんどのスマートフォンは、セルタワーの範囲外にあるときにGPS測位を加速するために、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。[ 23 ]
一部の古いJava対応携帯電話は、GPSが内蔵されていないため、シリアル接続またはBluetooth接続を介して外部GPS受信機を使用することがありますが、現在ではその必要性はほとんどありません。
ソフトウェア会社は、ノートパソコンで車載用として使用できる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ます。 [ 25 ]ノートパソコンでGPSを使用する利点としては、地図の表示範囲が広くなること、キーボードを使用してGPS機能を制御できること、また、ノートパソコン用のGPSソフトウェアの中には、途中停車、代替の景色の良いルートの検索、高速道路のみのオプションなど、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ります。
Palm [ 26 ]やPocket PCにも GPS ナビゲーションを搭載できます[ 27 ] 。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持ち、他のアプリケーションも実行できます。
他の GPS デバイスは、動作するためにコンピュータに接続する必要があります。このコンピュータは、家庭用コンピュータ、ノートパソコン、PDA、デジタル カメラ、またはスマートフォンです。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ケーブルのほか、Bluetooth、CompactFlash、SD、PCMCIA 、および新しいExpressCardを介して接続できます。[ 28 ]一部の PCMCIA/ExpressCard GPS ユニットには、ワイヤレス モデムも含まれています。[ 29 ]
通常、デバイスには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、購入後にユーザーはソフトウェアをインストールするか、自分で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より適切に選択できます。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全世界の地図が含まれている場合もあります。
趣味で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た人もいます。例としては、Elektor GPS ユニットがあります。[ 30 ] [ 31 ]これらはSiRFstarIIIチップをベースにしており、市販品と同等の性能を持っています。他のチップやソフトウェア実装も利用可能です。[ 32 ]
自動車用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よっては、以下のようなサービスを提供する場合があります。
航空関係者は、航行のため、また飛行の安全性と効率性を向上させるために衛星航法を使用します。これにより、パイロットは地上航法援助装置から独立し、より効率的なルートを可能にし、地上航法および監視装置のない空港への航行を提供できるようになります。現在、航空関係者が衛星が補強されたエリアでより鮮明な視界を得て、視界不良の状況でも安全に着陸できるようにするGPSユニットがいくつかあります。GPS用に2つの新しい信号が作成されました。1つは空中の危険な状況で役立つように作成され、もう1つはGPSをより堅牢な航法サービスにするためのものです。現在、多くの航空サービスでは、GPSの使用を必須サービスとしています。[ 33 ]商用航空アプリケーションには、位置を計算し、その情報を大型のマルチ入力航法コンピュータに送り、自動操縦、パイロットへのコース情報と修正表示、コース追跡および記録装置に提供するGNSSデバイスが含まれます。
軍事用途には、歩兵（指揮官および一般兵士）、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、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ます。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ります。[ 34 ] [ 35 ] [36][ 37 ] 2000年5月以前は、軍のみが GPS の完全な精度にアクセスできました。消費者向けデバイスは選択的利用可能性(SA) によって制限されていましたが、これは段階的に廃止される予定でしたが、クリントン大統領によって突然削除されました。[ 38 ]差分 GPSは、SA のエラーを相殺して GPS の精度を向上させる方法であり、ゴルフ カートなどの商用アプリケーションで日常的に使用されています。[ 39 ] GPS は SA なしでも約 15 メートルの精度に制限されています。DGPS は数センチメートル以内の精度になります。[ 40 ]
GPSの地図や道案内は時折不正確です。最短ルートを尋ねたために道に迷った人もいます。[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] 2010年に米国オレゴン州の住民は、カーナビが自分の敷地内を通る道路を表示したため、週に5～8回も自分の私道に人が誘導されたと主張しました。[ 44 ]その他の危険としては、路地が道路として表示されたり、小道が道路として識別されたり、[ 45 ]線路が道路として表示されたりすることが挙げられます。[ 46 ]
携帯電話などの衛星ナビゲーション搭載の携帯端末が、端末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、近くの店舗を宣伝できる位置情報に基づく広告の基盤となっており、広告代理店が将来の使用のためにユーザーの移動や習慣を追跡することを可能にする場合もあります。位置情報データの取り扱いについては、国によって規制機関が異なり、特権データとして扱うかそうでないかが異なります。特権データは、ユーザーの同意なしには保存したり、その他の方法で使用したりすることはできません。[ 47 ]
車両追跡システムにより、雇用主は従業員の位置を追跡できるようになり、従業員のプライバシー侵害に関する疑問が生じている。従業員が勤務時間外で私的な時間を過ごしているときにも、雇用主が位置情報データを収集し続けたケースがある。[ 48 ]
レンタカーサービスでは、顧客が料金を支払ったエリア内に顧客をジオフェンスで囲み、違反した場合に追加料金を請求するために、同様の手法が使用されることがあります。[ 49 ] 2010年、ニューヨーク自由人権協会は、マイケル・カニンガムの車に取り付けられた衛星ナビゲーション装置を使用して彼の毎日の活動と場所を追跡した後、彼を解雇したとして労働省を訴えました。[ 50 ]私立探偵は、ターゲットの動きに関する情報をクライアントに提供するために、仕掛けられたGPS装置を使用します。
イングランドのノース ヨークシャー州議会は、ナビゲーション システムが 2 つの谷間の近道としてドライバーを砂利道に誘導したことを受け、砂利道の入り口に「自動車には不向き」と宣言する標識を設置した。荒れた道はすぐに石だらけになり、場所によっては急な崖になっているため、地元住民が車をUターンさせるのを手伝わなければならなかった。
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