測位システム

惑星間無線通信システムは、宇宙船との通信だけでなく、その位置を特定するためにも使用されます。レーダーは地球近傍の目標を追跡できますが、深宇宙の宇宙船は無線信号を反射して返すためのトランスポンダーを搭載している必要があります。姿勢情報は、スタートラッカーを使用して取得できます。

全地球航法衛星システム（GNSS）は、専用の無線受信機を用いて、2～20メートル（数十ナノ秒）の精度で、3次元空間における位置と時刻を特定することを可能にする。現在運用されているシステムはマイクロ波信号を使用しており、この信号は屋外でのみ確実に受信でき、地球表面の大部分と地球近傍宇宙空間をカバーしている。

既存および計画中のシステムは以下のとおりです。

• 全地球測位システム（GPS） – 米軍のシステムで、1995年から完全運用されている。
• GLONASS – ロシアの軍事システム。2011年10月から本格運用中。
• ガリレオ計画– 欧州共同体、2019年12月より本格稼働
• 北斗衛星測位システム– 中国、2020年6月より本格運用開始
• インド地域航法衛星システム– インドで計画されているプロジェクト

地上測位送信機のネットワークにより、専用の無線受信機は地球表面上の2次元位置を特定できます。これらの信号は見通し線伝搬に限定されず、また地域的な範囲しかカバーしないため、一般的にGNSSよりも精度は劣ります。しかし、地下や屋内など、信号がより確実に受信できる特殊な用途やバックアップシステムとしては依然として有用であり、消費電力の非常に低い受信機を構築することも可能です。LORANはそのようなシステムの一例です。

ローカル測位システム（LPS ）は、地球上の正確な位置が既知である3つ以上の信号ビーコンへの遮るもののない視線が確保されているネットワークの範囲内であれば、あらゆる天候下で位置情報を提供するナビゲーションシステムです。^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

GPSやその他の全地球航法衛星システムとは異なり、ローカル測位システムはグローバルなカバレッジを提供しません。代わりに、限られた範囲のビーコンを使用するため、ユーザーはビーコンの近くにいる必要があります。ビーコンには、携帯電話基地局、Wi-FiおよびLiFiアクセスポイント、ラジオ放送塔などがあります。

過去には、長距離LPSは船舶や航空機の航行に使用されていました。例としては、デッカ航法システムやLORANなどがあります。現在では、ローカル測位システムは、特にGPSが届かない、または弱い場所（例えば、建物内や都市部の峡谷など）で、GPSを補完する（場合によっては代替する）測位技術としてよく使用されています。携帯電話基地局や放送塔を使用したローカル測位は、GPS受信機を搭載していない携帯電話でも使用できます。携帯電話にGPS受信機が搭載されていても、基地局の位置精度が十分であれば、バッテリー寿命が延びます。また、プーさんのハニーハントやミスティックマナーのようなレールレスのアトラクションでも使用されています。

既存システムの例としては、

• ロカタ・コーポレーション
• プセウドライト

飛行時間方式の測位システムは、送信機と受信機の間でパルス信号が伝搬する時間を測定することで距離を決定します。少なくとも3地点の距離が分かっている場合、三辺測量を用いて4地点目の位置を特定できます。全地球測位システム（GPS）はその一例です。

レーザー測距トラッカーなどの光学トラッカーは、視線の問題を抱えており、周囲の光や赤外線放射によって性能が悪影響を受けます。一方、金属の存在による歪みの影響を受けず、光速のおかげで高い更新レートを実現できます。^{[ 7 ]}

超音波トラッカーは、移動距離に伴うエネルギー損失のため、通信範囲が限られています。また、周囲の超音波ノイズに敏感で、更新頻度も低いという欠点があります。しかし、見通し線が不要な点が利点です。

全地球航法衛星システムのような電波を利用するシステムは、周囲の光の影響を受けないが、それでも見通し線が必要である。

空間スキャンシステムは、（光学的）ビーコンとセンサーを使用します。2つのカテゴリに分類できます。

• ビーコンが環境内の固定位置に配置され、センサーが物体上にあるインサイドアウトシステム^{[ 8 ]}
• ビーコンがターゲット上にあり、センサーが環境内の固定位置にある屋外システム

センサーをビーコンに向けることで、両者の間の角度を測定できます。三角測量を用いることで、対象物の位置を特定できます。

慣性センシングの主な利点は、外部基準を必要としないことです。代わりに、既知の開始位置と向きを基準として、ジャイロスコープで回転を、または加速度計で位置を測定します。これらのシステムは絶対位置ではなく相対位置を測定するため、誤差が蓄積されやすく、ドリフトが発生する可能性があります。システムの定期的な再校正を行うことで、より高い精度が得られます。

このタイプの追跡システムは、基準とターゲット間の機械的なリンク機構を使用します。2種類のリンク機構が使用されています。1つは、それぞれ回転可能な機械部品の集合体で、ユーザーに複数の回転機能を提供します。リンク機構の向きは、インクリメンタルエンコーダまたはポテンショメータで測定されたさまざまなリンク機構の角度から計算されます。もう1つのタイプの機械的なリンク機構は、コイル状に巻かれたワイヤです。バネシステムにより、ワイヤに張力がかけられ、距離を正確に測定できます。機械式リンク機構トラッカーで検出される自由度は、トラッカーの機械構造の構成に依存します。6自由度が最も一般的に提供されますが、関節の運動学と各リンクの長さのため、通常は限られた範囲の動きしかできません。また、ターゲットと基準との距離が大きくなるにつれて、構造の重量と変形が増加し、動作範囲に制限が生じます。^{[ 8 ]}

位相差システムは、移動するターゲット上の送信機からの受信信号の位相と、基準となる送信機からの受信信号の位相との差を測定する。これにより、受信機に対する送信機の相対的な動きを算出することができる。

慣性センシングシステムと同様に、位相差システムも累積誤差の影響を受けやすく、ドリフトが発生する可能性があるが、位相を連続的に測定できるため、高いデータレートを実現できる。オメガ（航法システム）はその一例である。

直接フィールドセンシングシステムは、既知のフィールドを使用して方位または位置を導き出します。単純なコンパスは、地球の磁場を使用して、2 方向の向きを知ります。^{[ 8 ]}傾斜計は、地球の重力場を使用して、残りの 3 番目の方向の向きを知ります。ただし、位置決めに使用されるフィールドは、自然から発生する必要はありません。互いに垂直に配置された3 つの電磁石のシステムで、空間基準を定義できます。受信機では、3 つのセンサーが、磁気結合の結果として受信されるフィールドのフラックスの成分を測定します。これらの測定値に基づいて、システムは、送信機の基準に対する受信機の位置と向きを決定します。

光学測位システムは、トータルステーションなどの光学部品に基づいています。^{[ 9 ]}

どの技術にも長所と短所があるため、ほとんどのシステムは複数の技術を使用しています。慣性システムのような相対位置変化に基づくシステムは、絶対位置測定システムに対して定期的な校正が必要です。2つ以上の技術を組み合わせたシステムは、ハイブリッド測位システムと呼ばれます。^{[ 16 ]}

ハイブリッド測位システムは、複数の異なる測位技術を使用してモバイルデバイスの位置を特定するシステムです。通常、GPS（全地球測位システム）は、携帯電話基地局信号、無線インターネット信号、 Bluetoothセンサー、IPアドレス、ネットワーク環境データと組み合わせて、このようなシステムの主要な構成要素の1つです。 ^{[ 17 ]}

これらのシステムは、開けた場所では非常に正確ですが、屋内や高層ビルの間（都市峡谷効果）では精度が低下するGPSの限界を克服するために特別に設計されています。これに対し、携帯電話基地局の信号は建物や悪天候の影響を受けませんが、通常は測位精度が劣ります。Wi -Fi測位システムは、Wi-Fi密度が高い都市部では非常に正確な測位が可能であり、Wi-Fiアクセスポイントの包括的なデータベースに依存しています。

ハイブリッド測位システムは、商業的にも実用的にも実現可能であるためには都市部でうまく機能する必要がある、特定の民間および商業的な位置情報サービスや位置情報メディア向けに、ますます研究が進められている。

この分野の初期の取り組みとしては、2003 年に開始され 2006 年に活動を停止した Place Lab プロジェクトが挙げられます。後の手法では、スマートフォンが GPS の精度とセル ID 遷移点の検出の低消費電力を組み合わせることが可能になりました。^{[ 18 ]} 2022 年に、既存の通信ネットワークを使用して GPS よりも高解像度の衛星不要の測位システムSuperGPS が実証されました。 ^{[ 19 ] [ 20 ]}