衛星ナビゲーション

衛星ナビゲーションシステムまたはSatnavシステムは、衛星を使用して自律的な地理測位を提供するシステムです。地球規模をカバーする衛星ナビゲーションシステムは、全地球航法衛星システム（GNSS）と呼ばれます。2024年現在^{[アップデート]}、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] 、および欧州連合の ガリレオ^[2]の4つの世界的システムが運用されています。

衛星航法補強システム（SBAS）はGNSSの精度を高めるために設計されており、 ^[3]日本の準天頂衛星システム（QZSS）、 ^[3]インドのGAGAN、欧州​​のEGNOSなどがあり、いずれもGPSをベースにしている。北斗航法システムの以前のバージョンや、運用上はNavICとして知られる現在のインド地域航法衛星システム（IRNSS）は、独立して運用される地域航法衛星システム（ RNSS）の例である。 ^[4]

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数メートル以内) で特定します。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。信号により、電子受信機は現在の現地時間を高精度で計算し、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、ナビゲーション、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、これらのテクノロジによって、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レッジは、通常、複数の軌道面に分散した18 ～ 30 基の中軌道(MEO) 衛星の衛星群によって実現されます。実際のシステムはさまざまですが、すべて50° を超える軌道傾斜角と約 12 時間の軌道周期(高度約 20,000 キロメートルまたは 12,000 マイル) を使用します。

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、次のように分類されます。^[5]

• GNSS-1は第一世代のシステムであり、既存の衛星ナビゲーションシステム（GPSとGLONASS）と衛星ベースの補強システム（SBAS）または地上ベースの補強システム（GBAS）を組み合わせたものです。^[5]米国では、衛星ベースのコンポーネントは広域補強システム（WAAS）、ヨーロッパでは欧州静止衛星航法オーバーレイサービス（EGNOS）、日本では多機能衛星補強システム（MSAS）、インドではGPS支援GEO補強ナビゲーション、ローカルエリア補強システムなどのシステムによって提供されます。^[5]
• GNSS-2は、欧州のガリレオ測位システムに代表される、完全な民間衛星ナビゲーションシステムを独立して提供する第2世代のシステムです。^[5]これらのシステムは、航空機を含む民間ナビゲーションに必要な精度と整合性の監視を提供します。 当初、このシステムは上位Lバンド周波数セット（GPSの場合はL1、ガリレオの場合はE1、GLONASSの場合はG1）のみで構成されていました。 近年、GNSSシステムは、民間使用のために下位Lバンド周波数セット（GPSの場合はL2とL5、ガリレオの場合はE5aとE5b、GLONASSの場合はG3）を有効化し始めました。これらは、総合的な精度が高く、信号反射の問題が少ないのが特徴です。^[6][7]2018年後半の時点で、両方を活用した消費者向けGNSSデバイスがいくつか販売されています。これらは通常、「デュアルバンドGNSS」または「デュアルバンドGPS」デバイスと呼ばれます。

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。

• 現在、地球規模の衛星ナビゲーションシステムは、 GPS（米国）、GLONASS（ロシア連邦）、Beidou（中国）、Galileo（欧州連合）の 4 つあります。
• OmniSTARやStarFireなどの全地球規模の衛星ベースの航行補強システム (SBAS) 。
• WAAS（米国）、EGNOS（EU）、MSAS（日本）、GAGAN（インド）、SDCM（ロシア）などの地域SBAS。
• インドのNAVICや日本のQZSSなどの地域衛星航法システム。
• 大陸規模の地上ベースの航法補強システム (GBAS)、たとえばオーストラリアの GRAS や、米国沿岸警備隊、カナダ沿岸警備隊、米国陸軍工兵隊、米国運輸省の合同国家ディファレンシャル GPS (DGPS) サービスなど。
• CORS ネットワークなどの地域規模の GBAS。
• ローカル GBAS は、リアルタイム キネマティック(RTK) 補正を実行する単一の GPS 基準局によって代表されます。

世界中のGNSSシステム（および補強システム）の多くはL1付近で同様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。^[8]

地上無線航法は数十年前からある。DECCA、LORAN、GEE、およびOmegaシステムは、既知の「マスター」位置から無線パルスをブロードキャストし、その後に多数の「スレーブ」ステーションから繰り返されるパルスを送信する地上長波無線送信機を使用した。マスター信号とスレーブ信号の受信間の遅延により、受信機は各スレーブまでの距離を推測し、位置を特定できた。

最初の衛星ナビゲーション システムはTransitで、1960 年代に米国軍が導入したシステムです。Transit の動作はドップラー効果に基づいています。衛星はよく知られた経路上を移動し、よく知られた無線周波数で信号をブロードキャストします。受信周波数は、受信機に対する衛星の動きにより、ブロードキャスト周波数とはわずかに異なります。この周波数シフトを短時間で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判断することができ、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)、および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 Pan Am Aerospace Division の Harold L Jury 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見つけました。^[要出典]リアルタイムデータと再帰推定を使用して、系統的誤差と残差誤差をナビゲーションに十分な精度まで絞り込みました。^[9]

軌道を周回する衛星の放送の一部には、その正確な軌道データが含まれています。もともと、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ます) 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、タイミング基準として機能す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、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。このような測定を複数の異なる衛星に対して同時に実行できるため、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、受信機を放送局からの測定距離にある球殻上に配置し、このような測定を数回行い、それらの測定が交わる点を探すことで、位置を特定します。ただし、高速で移動する受信機の場合、複数の衛星から信号を受信すると、信号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速度が低下しますが、この速度低下は受信機の衛星に対する角度によって変化します。これは、電離層を通過する距離が変化するためです。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見つけようとします。衛星ナビゲーション受信機は、複数の衛星と複数の相関器からの信号を組み合わせて使用​​し、次にカルマン フィルタリングなどの手法を使用して、ノイズが多く、不完全で、常に変化するデータを 1 つの位置、時間、速度の推定値に組み合わせることで、誤差を減らします。

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、最終的な結果として、GPS衛星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。^[10]

衛星ナビゲーションの本来の目的は軍事利用でした。衛星ナビゲーションにより、兵器を標的に正確に届けることができるため、兵器の殺傷力が大幅に向上し、誤った方向に向けられた兵器による不注意な死傷者を減らすことができます。(誘導爆弾を参照) また、衛星ナビゲーションにより、部隊の指揮や位置特定が容易になり、戦場の霧を減らすことができます。

現在、ガリレオなどの全地球航法衛星システムは、ユーザーの位置と他の人や物体の位置をいつでも特定するために使用されています。将来、衛星航法の応用範囲は広大で、科学、輸送、農業、保険、エネルギーなど、数多くの市場セグメントにわたる公共部門と民間部門の両方が含まれます。^{[11] [12]}

衛星ナビゲーション信号を供給する能力は、その信号の利用を拒否する能力でもあります。衛星ナビゲーション システムの運営者は、希望する地域で衛星ナビゲーション サービスを低下させたり、廃止したりする能力を潜在的に持っています。

初登場年順:

初登場年: 1978年

米国のグローバル ポジショニング システム (GPS) は、 6 つの異なる軌道面にある最大 32 個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ため変化します。1978 年から運用され、1994 年から世界中で利用できる GPS は、世界で最も利用されている衛星ナビゲーション システムです。

初登場年: 1982年

旧ソ連、現在はロシアのGlobal Navigation Satellite System ( GLONASS ) は、民間の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 基のアクティブな衛星によって全世界をカバーしています。

初登場年: 2000年

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、現在は廃止された北斗1号として始まりました。システムの第2世代である北斗2号は、2011年12月に中国で運用されました。 ^[13]北斗3号システムは、30機のMEO衛星と5機の静止衛星（IGSO）で構成されることが提案されています。16機の衛星の地域バージョン（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。^{[14] 2020年6月23日、最後の衛星が}西昌衛星発射センターで正常に打ち上げられたことで、BDS-3コンステレーションの展開が完全に完了しました。^[15]

初登場年: 2011年

欧州連合と欧州宇宙機関は2002年3月、GPSに代わる独自のシステム、ガリレオ測位システム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）。^[16]推定費用100億ユーロで、^{[17] 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。^[18]最初の実験衛星は2005年12月28日に打ち上げられた。^{[19]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。ガリレオ衛星群全体は24機の運用中の衛星で構成されており^[20] 、最後の衛星は2021年12月に打ち上げられました。 ^{[21] [22]}ガリレオオープンサービス信号で使用される主な変調は、複合バイナリオフセットキャリア（CBOC）変調です。

NavIC （Navigation with Indian Constellationの頭字語）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ある。インド政府は2006年5月にこのプロジェクトを承認した。これは7機の航法衛星のコンステレーションで構成されている。^[23] 3機の衛星は静止軌道（GEO）に配置され、残りの4機は対地同期軌道（GSO）に配置され、信号のフットプリントが大きく、地域の地図を作成するための衛星の数が少ない。インド全土とその周囲約1,500km（930マイル）の地域で、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的としている。 ^[24]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の範囲です。^[25]インドによる完全な管理が目標とされており、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構築されます。^[26]

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。^[27] NavICは、民間利用向けに公開される「標準測位サービス」と、許可されたユーザー（軍を含む）向けの「制限付きサービス」（暗号化されたもの）の2つのレベルのサービスを提供する。衛星群のサイズを7から11に増やすことでNavICシステムを拡張する計画がある。^[28]

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。^[29]

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ました。

GNSS 補強は、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 システムの属性を改善する方法です。たとえば、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、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があります。

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およびGPSの強化システムです。QZSSサービスは2018年1月12日に試験的に利用可能になり、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。^[30] 7つの衛星による独立した衛星ナビゲーションシステム（GPSから）は2023年に計画されています。^[31]

欧州静止衛星航法オーバーレイサービス(EGNOS) は、欧州委員会に代わって欧州宇宙機関とEUROCONTROLが開発した衛星ベースの航法補強システム(SBAS) です。現在、測位データの信頼性と精度を報告し、修正を送信することでGPS を補完しています。このシステムは、将来のバージョン 3.0 で Galileo 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）、および3つの静止衛星で構成されています。^[32]地上局は衛星航法システムのデータの精度を決定し、それを静止衛星に転送します。ユーザーは、EGNOS対応の受信機を使用して、または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つは航空分野です。

仕様によれば、EGNOS が提供する補正を使用する場合の水平位置精度は 7 メートルより優れている必要があります。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獲得した。^[33]

複数のGNSSシステムをユーザーの位置測定に使用すると、可視衛星の数が増え、精密ポイント位置測定（PPP）が向上し、平均収束時間が短縮されます。^[42] 2019年11月の信号空間測距誤差（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。^[43] 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大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いため、平均SISREはQZSS GEO衛星の0.91mよりわずかに劣っていた。^[3]

衛星ドップラー軌道測位と無線測位統合システム (DORIS) は、フランスの高精度ナビゲーション システムです。他の GNSS システムとは異なり、世界中の静的送信局と衛星に受信機を搭載して、軌道上の位置を正確に決定します。このシステムは、使用とカバレッジが制限される陸上のモバイル受信機にも使用できます。従来の GNSS システムと併用すると、位置の精度がセンチメートル単位 (高度測定アプリケーションではミリメートル単位) にまで向上し、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できます。これにより、はるかに正確な測地基準システムが構築されます。^[44]

現在運用されている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イスを使用して読み取ることができます。^{[45] [46]}これは、ゲートウェイが地理的に制限された通話プランに制限を課すためにも使用できます。

国際電気通信連合（ITU）は、無線航行衛星サービス（RNSS）を「無線航行の目的で使用される無線測位衛星サービス。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」と定義しています。^[47]

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）^[48]第1.47条によれば、「地球局が航空機内に設けられた無線航行サービス」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）^[49]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」と定義されています。

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。

• 無線測位サービス（第1.40条）
• 無線測位衛星業務（第1.41条）
• 無線航行業務（第1.42条）
  • 無線航行衛星業務（第1.43条）
  • 海上無線航行業務（第1.44条）
    • 海上無線航行衛星業務（第1.45条）
  • 航空無線航行業務（第1.46条）
    • 航空無線航行衛星業務（第1.47条）

RNSSの使用例

• 補強システムGNSS補強
• 自動従属監視 - ブロードキャスト
• 北斗衛星航法システム(BDS)
• GALILEO、欧州GNSS
• 全地球測位システム(GPS)、ディファレンシャル GPS (DGPS)付き
• グロナス
• ナビック
• 準天頂衛星システム(QZSS)

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。 ^[50]

スペクトル利用の調和を改善するために、ほとんどのサービス割り当ては、適切な国の行政機関の責任の範囲内で、国の周波数割り当ておよび利用の表に組み込まれます。割り当ては次のとおりです。

• 主要: 大文字で書くことで示される
• 二次：小文字で示される
• 排他的または共有の利用: 行政の責任の範囲内。

• 国連宇宙部（2010年）、「現在および計画中の全球・地域航法衛星システムと衛星ベースの航法補強システムに関する報告書」。

• EGNOSに関するESAの情報
• 北斗システムに関する情報
• 全地球航法衛星システムの基礎

• 国連全地球航法衛星システムに関する国際委員会 (ICG)
• 航海学会（ION）GNSS会議
• 国際GNSSサービス（IGS）
• 国際全地球航法衛星システム協会 (IGNSS)
• 国際地球回転・基準系サービス (IERS) 国際GNSSサービス (IGS)
• 米国宇宙測位・航法・タイミング国家委員会
• 米国国立測地測量局の全地球測位システム衛星の軌道
• UNAVCO GNSS 近代化
• アジア太平洋経済協力（APEC）GNSS実装チーム

• GPS および GLONASS シミュレーション ( Java アプレット) DOP計算を含む宇宙船の動きのシミュレーションとグラフィカルな描写。
• GPS、GNSS、測地学、ナビゲーションの概念の詳細