まずは、GPSについて勉強しましょう。

GPSの種類

GPS アメリカ
GLONASS ロシア
ガリレオ 欧州
みちびき 日本
北斗 中国
IRNSS インド

地上の受信機(スマートフォンやGPSトラッカー)が、自分の位置情報を測定するには、最低3つの衛星から信号を受信する必要があります。
衛星から受信する信号の中に、信号を発信した正確な時刻が含まれています。
まず、衛星が信号を発信した時刻と、受信機が信号を受信した時刻の差を求めます。
その時刻の差分と、光の速さ (30万km / 秒) をかけることで、衛星と受信機の距離を測定することが出来ます。
ある衛星と一定の距離にある地上の場所は無数にありますが、3つの衛星との距離を測定することにより、その交点にあたる地上の1点を決めることが出来ます。 これが位置情報を求めることが出来る大まかな仕組みです。


この時刻は、かなり正確に求める必要があります。例えば 1マイクロ秒ずれていると、数百mの誤差が発生してしまうほどのものです。
 測位衛星ではこれを 原子時計 を使い正確に求めています。
このしくみを用いることで、空が広く見える場所では 数mの誤差で位置情報を推定することが出来ます。
衛星の時刻は原子時計で正確に求めていますが、受信機の時刻は簡単に数msの誤差が発生してしまいます。
GNSSにはこの誤差が致命的になります。
この誤差を補正するため、GNSSでは通常 4つ以上の衛星を必要とします。
建物の中や市街地など、受信機から見て空が見えづらい場所では4つの衛星からの信号が受けられず、数10m~数100mの大きな誤差が発生しやすいということになります


みちびきは、日本の国産の測位衛星です。2010年9月に初号機が打ち上げられ、現在4機運用されています。
みちびきはGPS互換の信号を送信しているため、従来のGPS受信機を大きく変更することなく、GPSの衛星と合わせて利用することが可能となりました。
また、準天頂軌道(日本のほぼ真上)に衛星があるため、市街地や山岳地帯でも衛星が見えやすく、測位に必要な4つの衛星信号を受けやすくなるという特徴があります。
この用途では「みちびき」はあくまでGPSの補助的な役割を果たすものであり、精度自体が向上するわけではありません。
通常のGPS受信機で「みちびき対応」と記載がある場合、GPS互換の信号を受信できるという意味であることが多いようです。
みちびきには、これに加えて「測位補強サービス」信号も含まれており、「誤差 1m以下」「誤差 1cm 以下」の測定をサポートすることが出来ます。
ただしこれらの信号を受信するには専用の機器が必要であり、現在ではIT農業や測量など、特別な用途に使われています

1990年から2000年までは、アメリカ軍の軍事上の理由(敵軍に利用されることを防止する)で、C/Aコードにおいて民間GPS向けのデータに対して、故意に誤差データを加える操作(Selective Availability、略称 SA)が行われ、精度が100m程度に落とされていた。
SAが加えられていた時から、既にGPSは民生用として有用であることが知られていたため、2000年5月2日4時5分(協定世界時)から、アメリカ合衆国大統領ビル・クリントンは「GPS技術を広く役立てて欲しい」という主旨で、これを解除した


GPS誤差の原因

①GPSの位置誤差は常に数メートルあります。極端に悪い場合は100メートル以上になります。
誤差の原因は、以下の9つあり、この原因が合わさり生じています。

米国政府による意図的精度低下=SA(Selective Availability)
→2000年5月に解除されています。

②GPS側衛星の時計誤差 1~2m程度

③衛星軌道情報の誤差 1~4m程度

④大気遅延(電離層・対流圏)

【電離層】遅延     2~20m程度
→太陽フレアなど太陽活動が激しいと急激な誤差変動します。(電離層シンチレーションと呼ばれます)
→地域により遅延量が異なります。
→水平線(地平線)付近の衛星は影響が大きいため測位から除外します。
→「プラズマバブル」大気重力波による影響を受けます。
【対流圏】(空気、水蒸気) 数m程度
→天気(水蒸気、雲)の影響を受けます

⑤建物や山の反射(マルチパス) 数m

⑥受信機側の時計誤差 1m程度

⑦その他ノイズや信号減衰(携帯電話(LTE電波)、電子機器と干渉、妨害電波<ジャミング>など)
→受信数減少の原因となり9)へ影響

⑧システム障害
→ごくまれに発生事例があります。
米国GPS 2004年1月1日(資料)
ロシアGLONASS 2014年4月1日(資料)
EUガリレオ2017年1月18日(資料)

⑨衛星の配置・補足数不足  数十m

→これが、一番誤差が大きな原因です。
GPS衛星の配置状況は、DOP(Dilution of Precision:精度低下率)という数値で表されます。衛星受信数が少なくGPS衛星位置が離れていない場合は、三角測量で誤差が大きくなります。
(資料1)
(資料2)
(資料3)
この測量誤差は受信機ごとに異なるため、DGPS(下記記述)での補正が出来ません。

下の図はDOP(測量精度低下)のイメージ図解です。

衛星からの測定距離を半径とした円(実際は球面)が重なる場所が現在地です。衛星の間隔が広い場合は、交点は狭い範囲で収束するため測量誤差は小さくなります。(上記赤矢印)


山やビルの陰になると受信出来るGPS衛星が減少。そのため見かけ上近い衛星のみ受信することになります。


衛星が近い場合は、円の交点範囲が広くなってしまい、少しの誤差(円周の線の太さで表現)でも大きな位置の変化が生じます。(測量誤差)この状況がDOPの悪化している状態です。


GPS高精密測位(❶スタティック測位、❷キネマテック測位)

GPS(GNSS)を「測量」など高精度な計測(mm~cm単位)に利用する方法で20年以上の実績がある手法です。
地殻変動の監視、土地建物道路・土木などの測量、地図作成、山岳標高の計測、等の高い精度が求められる場合に使われます。
1m以下の精度を求める場合は、信号コード(光の速度)到達時間で計測は限界です。そこでGPSが発信している搬送波(電波)そのものを測定する技術が実用化されています。
搬送波(つまり電波)の位相(つまりズレ)を観測することで距離計測するため、干渉測位(または搬送波位相測位)と呼ばれています。

❶スタティック測量(静止点向け)

mm単位の超高精度に測量することが出来ますが、測量には1~2時間以上掛かります。基準点が複数必要(同時に観測)で、基準点に近いほど精度が上がります。
すぐに結果が分からず、一旦オフィスに持ち帰り計算させる必要があります。後日、複数の基準点で観測したデータやIGSという機関からの高精度の精密衛星軌道データ(精密暦と呼ばれています。)と突き合わせする必要があるからです。
GPS衛星が発信している軌道情報(放送暦)は、数メートルの誤差がありますが、IGS等が発表している軌道精度は最終の精密暦(1~2週間後)で5㎝以下です。(資料)
スタティック測量の精度は条件により異なりますが5~10mmです。

❷キネマテック測位(移動点も可)

『kinematic』(キネマテック)とは動いている状態でも測位できるという意味です。干渉測位法にも関わらず、比較的早く1~2cmの誤差で計測が出来ます。複数方式があります。
RTK法:測定点と基準点とのデータのやり取りが必要です。
PPP法:基準点が不要で単独で測位できますが、誤差を補正するための情報受信が必要です。
測位計算手法初期の位置を特定するのに4個以上GPS衛星が受信出来る場所で数分~15分位必要です。初期位置特定後は自由に動き回れますが、一旦信号が失われると再度初期位置を特定させるため待つ必要があります。(静止は不要)

準天頂衛星「みちびき」について(Quasi-Zenith Satellite System)

この衛星の役割は以下3つ(①補完、②補強、③メッセージ)です。

①GPS補完(補完信号)

天頂近くにGPSが増えることによる測定精度向上効果です。信号は、米国GPSと互換のものを受信出来ます。
一般的に天頂付近は遮(さえぎ)るものが少ないため受信確率が上がります。しかし、単にGPS衛星が増えるだけです。
iPhoneが「みちびき」を受信出来るからと言っても1mやcmまで精度が上がる訳ではありません。ビルの谷間で、20~80mの誤差が生じていたものが本来の誤差10m程度に戻るだけです。
携帯電話が街中で位置精度が比較的良い理由は、Wi-Fi、Bluetooth、携帯基地局(携帯の電波)による位置補正にも関係があります。

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