GPSとは？ なぜそれが必要なのですか？ 異なるナビゲーションシステムの違いは何ですか? この記事では、すべてについて説明します。
現在、GPS は、誰もが耳にしたことがあり、ほとんどの人が日常生活で使用している日常的で身近なもののように思えます。 これは、デバイスで使用するツールの つです。 同時に、それがどのように機能するのか、どこから来たのか、このシステムを作成するためにどれだけの時間、労力、お金を投資しなければならなかったかについても考えていません。 今日、GPS 信号受信機は、 ナビゲーター、電話、スマートフォン、タブレット、自動車、さらにはフィットネス ブレスレットや「スマート」ウォッチまで、それらのデータは産業、アマチュアおよびプロ スポーツ、ラリーやレース、そしてもちろん軍事産業で使用されています。 さまざまなナビゲーション システムを詳しく見てみましょう。
衛星航法とは？
衛星航法、または全地球航法衛星システムは、全地球測位と正確な時刻に関するデータを送信する衛星のシステムです。 特定の周波数の電波は、情報を送信するために使用されます。 そのようなデータを受信した後、受信機はそれらを計算し、私たちの場所の座標、つまり経度、緯度、海抜高度を表示します。
基本システム (GPS、GLONASS、BeiDou、Galileo) に加えて、宇宙には補助システムもあります。 これらは、Global Omnistar や StarFire など、農業で使用されるいわゆる衛星補正システム (SBAS) です。
私たちの上には、米国のWAAS、EUのEGNOS、日本のMSAC、インドのGAGANなどの地域サポートシステムもあり、地球のより小さな地域でのデータの改良を担当しています. これはすべて、後で説明する地上コンポーネントによってサポートされています。 システムには多くの定義がありますが、詳細には触れません。
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衛星航法の種類
GPS は、現在利用可能な唯一の衛星ナビゲーション システムではありません。 いくつかの種類の人工衛星が私たちの頭上を飛んでおり、ポケットに入れたり、手首に装着したり、ナビゲーターで使用したりするデバイスの地理的位置を決定しています。 つではなく複数のシステムがあるのはなぜですか? この質問は、ほとんどの平均的なユーザーから寄せられたと確信しています。 事実は、最初に GPS システムが軍事用に作成されたものであり、軍がまだそれを管理しているということです。 これは、彼らが世界中のすべての人の位置を制御していることを意味します。 もちろん、対戦相手だけでなく友人でさえも、多くの人がこの立場を好まなかった。 したがって、真面目な世界のプレーヤーは、軍がそれらを制御できるように、ナビゲーションシステムを開発することにしました。 すぐに GPS アナログが世界に登場し、市場で最高かつ最も正確なタイトルをめぐって互いに競い合いました。 私たち、一般ユーザーにとって、これは利点にすぎません。 それでは、各システムを個別に処理してみましょう。
アメリカの GPS
これは、私たちが最も頻繁に使用する最初のナビゲーション システムです。 衛星ナビゲーションについて考えるとき、通常、GPS という用語を使用します。 アメリカのシステムは、もともと NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System、略して NAVSTAR-GPS と呼ばれていました。
GPS は、米軍、または米宇宙軍の手にあります。 すべてのデバイスは、コロラドスプリングス近くのシュライバー空軍基地に拠点を置き、GPS 本部の一部として運営されている Space Delta 8 によって適切に動作するかどうかがチェックされます。
民生用アプリケーションは、レイアウトと最高の測位精度が優先される軍事用アプリケーションへの小さな追加にすぎません。 民間のユーザーには多少切り捨てられたバージョンが提供されますが、それでも十分です。 車を運転したり走ったりするのに数十センチメートルの精度は必要ありませんが、ナビゲーション、地図作成、農地を監視するための農業、車両を追跡するための輸送会社、および他の多くの分野。 したがって、GPS システムが絶えず変化し、衛星の最適化が行われていることは驚くべきことではありません。
その使用中に、システムは変更を受け、現在も近代化されています。時々、より優れた機能を持つ衛星がネットワークに導入され、以前に使用されていた古い衛星は時間の経過とともに破壊されます。 それらのほとんどは大気中で燃え尽き、時には太平洋に沈みます。
GPS システムの完全な準備は、必要な数の衛星が軌道に投入された 1993 年に達成されました。 しかし、1983 年に、ロナルド レーガン政権は、システムの民間使用の許可を承認しました。 これは、ソ連領空を誤って侵犯した韓国の民間機をソ連が撃墜した後に起こった。 ただし、当初、一般市民に対するシステムの精度は 100 メートルに制限されていました。 しかし、これでさえ、さらなる災害を避けるには十分でした。
宇宙からの GPS システムの操作は、システムの精度を高めるために必要なデータ補正を提供する WAAS (Wide Area Augmentation System) 衛星によってさらにサポートされます。 それらは北アメリカ (および一部は南アメリカ) にあり、FAA (連邦航空局) の管理下にあります。 WAAS は、民間の衛星ナビゲーション アプリケーションをサポートすることを目的としています。
ロシアのグロナス
GLONASS は Global Navigation Satellite System の略で、アメリカの GPS と同じように機能します。 GLONASS は、地球上空約 24 キロメートルに位置する 19 個のアクティブな衛星で構成されており、衛星の軌道には 100 時間 11 分かかります。 システムのテストは15年、つまりソ連に戻って始まりました。 それは、私たちの国では「スターウォーズ」としてよく知られている、アメリカの開発への対応として実際に作成されました。 ソビエト連邦は米国に屈服したくなかったが、「ペレストロイカ、グラスノスチ、加速」が彼らの仕事をした。 資金不足のため、工事はほとんど縮小された。 後で判明したように、すべてが閉鎖されたわけではありません。 1982 年に GLONASS システムの運用準備が整ったことが公式に発表されたとき、アメリカ人は本当に驚きました。 1993 年、ロシア人は 1995 個の衛星からなるコンステレーション全体を軌道に乗せることに成功しました。
しかし、すべてが最初からうまくいくわけではありませんでした。 2002 年代のエリツィン時代も宇宙計画に影響を与えました。 資金はなく、誰も宇宙や衛星航法に興味を持っていませんでした。 その結果、7 年にはまだ 2002 機の衛星しか稼働していませんでした。 しかし、ロシア人はビジネスに取り掛かり、2011年から年の復旧プログラムの一環として、改良されたGLONASS-K衛星とそれに付随する最新の地上管制システムを運用しました。
近代化の次の段階である 2012 年から 2020 年にかけて、国家の安全と防衛および市民システムの能力を高めるために、PNT の特性 (測位、ナビゲーション、同期) の改善に主な注意が払われました。 現在、GLONASS-K2 として知られる次世代衛星の研究が進行中です。
中国の北斗
中国は 2000 世紀末に衛星航法システムの開発を開始しました。 1 年には、ナビゲーション衛星システム BeiDou-1 としてよく知られている BDS-2 の開発の第 2020 段階を完了することができました。 このプロジェクトの一環として、中国と最も近い外国に測位システムが提供されました。 次のステップは、アジア太平洋地域をカバーする衛星ネットワークを備えた BDS-3 でした。 年、BDS- プロジェクトの一環として、BeiDou システムが世界中で運用されるようになりました。
現在、軌道上には 35 基の衛星があり、合計で、このプログラムは次世代の北斗システムを軌道に乗せるペイロードを搭載した 59 回の打ち上げをすでに実行しています。 中国当局によると、400 を超える機関と 300 万人を超える科学者と技術者が BDS-000 プログラムの作成に参加しました。 最新の衛星コンステレーションをサポートするために、システムの正しい動作を監視するために 3 以上の地上局が作成されました。 システムの世界的な可用性は 40% と推定されており、主要なアジア太平洋地域ではさらに高く、ほぼ完全に機能しています。 また、中国人はシステムの精度を向上させるために多くの努力をしました。
BeiDou では、最大 14 ビット (000 漢字) の短いテキスト メッセージも使用できます。 この値には、写真や音声録音も含まれる場合があります。
衛星ナビゲーション システムの他の開発と同様に、ローカル ユーザーはサービスの料金を支払いますが、結果は本当に印象的です。
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ヨーロッパのガリレオ
ガリレオシステムの最大の利点は何ですか? GPS や GLONASS とは異なり、中国共産党のように民間の手に渡っており、特定の政府に属していません。 このシステムは民間市場のみを念頭に置いて構築されたため、最終的には人口のニーズがその開発に影響を与えます。 確かに、ガリレオは軍用測位システムの新風です。 これまでに、ガリレオ プログラムは 28 回の打ち上げを完了し、30 個の衛星を軌道に乗せました。 現在、システムは衛星の完全なコンステレーションを使用していますが、すべてのデバイスが常に利用できるわけではなく、一部のデバイスはまだ倉庫で順番を待っています.
グランド ハンドリング セグメントは、ドイツのオーバープファッフェンホーフェンとイタリアのフチーノの つのセンターにあります。 さらに、このシステムには、監視センサー、測定およびデータ送信ステーションの世界規模のネットワークが含まれています。
これらすべてのシステムの軌道がますます飽和状態になっているという事実により、ガリレオ衛星は少し高く、高度 23 キロメートルに位置しています (最低は GLONASS、次に GPS、中国の北斗、ガリレオ ピラミッドの頂上です)。 ）。 各衛星が地球を完全に周回するには、約 222 時間かかります。 地球上のほとんどの場所で、14 ～ 6 個のガリレオ衛星が常に利用可能です。これは非常に高い精度を意味し、ほとんどの場合、メートル単位ではなくセンチメートル単位で測定されます。
ガリレオは、測定の精度をさらに向上させるGPSシステムと互換性があり、その動作は、衛星ナビゲーションシステムの動作と精度の向上を担う地上コンポーネントと衛星で構成されるEGNOSシステム（欧州静止航法サービス）によってもサポートされています。 .
日本のみちびき（みちびき）
自国の領土でのナビゲーションの精度を確保するために、日本は準天頂衛星システム (QZSS) またはみちびきと呼ばれる小さな衛星群を作成しました。 山岳地帯や都市化が進んだ地域では、障害物が多すぎて GPS だけでは不十分なことがよくあります。 4 年 2018 月から運用中の 2024 つの衛星は、この問題を解消します。 そのうちの 7 つは、まだアジアおよびオセアニア地域にあります。 年には機からなる衛星コンステレーションに到達する予定です。 これにより、システム全体の効率がさらに向上し、GPS から独立します。 したがって、日本はその領土の完全な自治を保証します。
他のシステムに比べてサイズが小さいにもかかわらず、QZSS は日本の人口のすべての期待に応え、さらに日本の領土を通過する子午線上に位置するすべての国での出荷をサポートします。
さらに、日本には、MTSAT 衛星増強システム (MSAS) と呼ばれる GPS/みちびき精度サポート システムもあります。 これは 2 つの衛星で構成されており、特に気象データを提供します。
NavIC (NAVigation with Indian Constellation) は GPS のインド版で、Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS) とも呼ばれます。 このシステムは、すべての機能に到達した後、日本のシステムと同様の操作になります。 現在、軌道上には 7 つの衛星があり、インドと国境から最大 1500 キロメートルの距離で測位を行っています。 システムは GPS に依存しません。
NavIC は、追加の つの衛星と地上インフラストラクチャで構成される GAGAN (Geosynchronous Augmented Navigation System with GPS) によってサポートされています。 導入により、EGNOS システムと MSAS システムの間のギャップが埋められ、民間航空の安全レベルがさらに向上しました。
グローバルな援助システム
個別の制度を説明しながら、地域の支援制度についても触れました。 ただし、地域の境界を越えた衛星ナビゲーションの運用は、グローバルな支援システムをサポートすることもできます。 現在、それらのうちの5つを区別できます。 これらはオムニスターとスターファイアです。 どちらも衛星ナビゲーションをサポートしており、主に現代の精密農業のニーズに使用されています。 それらを使用するには特別な受信機が必要です。これにより、農夫は自分の畑を移動しながら、最大 10 ～ 1 センチメートルの精度で作業できます (記録支援システムでは 2 ～ センチメートルの精度が得られます)。 このような正確な測位はサービスとして提供され、システム データの配信には追加料金を直接支払う必要があります。
このサービスは、差分全地球測位システム (DGPS) に基づいており、特定の場所にあるベース レシーバーを使用することになります。 車の受信機は、衛星信号に加えて、固定ベース受信機からの補正も受信します。
Omnistar は独立した会社であり、その送信機はさまざまな機械用に購入できます。一方、StarFire システムは、±3cm の精度で GPS および GLONASS と連携する内蔵または外部システムを提供する農業機器メーカー John Deere から提供されています。
GPS はどのように機能しますか?
このセクションでは、現在最も利用可能なデータがあるため、元の、つまりアメリカ版を使用して GPS の操作について説明します。 他のものも同様に機能します。
GPS衛星の星座
世界中で適切に運用するには、かなり高密度の衛星ネットワークが必要です。 24 個の衛星からなるコンステレーションの場合、地球上のどの時点でも、そのうちの 24 個の範囲内にいることが確実です。 アメリカ人は通常、少なくとも 95 機が 31% の確率で利用できると約束しました。 現在、このシステムは 6 の衛星によってサポートされています。 地球は、衛星が通過する 4 つの等しいゾーンに分割され、それぞれに つの領域があります。
2011 年 24 月に、Expendable 24 と呼ばれる改良型が打ち上げられました.27 基の衛星のうち 基、つまりそれらが制御するフィールドは、追加の衛星によって強化され、困難な地形条件でより高速な信号取得とより高い精度を得ることができました。 また、 基の衛星のネットワーク全体を可能な限り効率的にするために、いくつかの変更が行われました。
GPS 衛星は、高度約 20 km の予測可能な MEO (Mean Earth Orbit) 軌道上を移動するため、それらがどこにあるかを常に把握できます。 さらに、それらの位置は電波望遠鏡を使用して確認されます。 地上管制ネットワークは、メイン管制センター、バックアップ管制センター、200 基の指揮統制アンテナ、11 基の観測ステーションで構成されているため、衛星の位置は常に把握されています。 地球の周りの各衛星の 16 回転には 12 時間かかります。
実際にはどのように機能しますか?
周回衛星は常に無線信号を送信しており、適切な受信機を備えた当社の機器によって受信されます。 各衛星は、その位置と送信時間を報告します。 さらに、電波の移動速度がわかれば、この衛星からの距離を計算できます。 さらに つの衛星から追加のデータを受信し、一度に つの衛星からデータをダウンロードすると、デバイスはすべての衛星からのデータの交点で位置を計算します。
物事をスムーズかつ正確に機能させるには、信号が送信される時間を正確に測定する必要があります。 これはどのように達成されましたか？ 各衛星には原子時計が搭載されており、人類がこれまでに発明した中で最も正確なクロノメーターです。 そのような時計の精度はどのくらいですか? 時間は 万分の 秒単位で計測されます。
受信デバイスは、このすべてのデータを使用して効率的に位置を計算します。 しかし、システム全体は、アルバート・アインシュタインとして広く知られている紳士によって書かれた特殊相対性理論などの問題も考慮に入れなければなりません。 オブジェクトが重力源から離れているほど、時間の経過が速くなるため、衛星ごとに再計算する必要があります。 要するに、それはすべて非常に複雑ですが、幸いなことに、このシステムを何年も使用しており、うまく機能することがわかりました。
もちろん、システムの通常の運用には、高度な資格を持つ要員の参加が必要であり、その訓練レベルは、宇宙飛行管制センターの訓練レベルと比較することができます。
GPS: 数十億ドルのプログラム費用
軌道に打ち上げられた後、衛星はそこで永遠に機能しません。 古いバージョンのライフ サイクルは 7,5 年、新しいバージョンは 12 年で、最新の GPS III/IIIF システムは 15 年間軌道上に留まると予想されます (システムの米国バージョンのデータ)。 この時間の後、装置を交換する必要があるため、新しいサンプルを無菌状態で構築する必要があります。そうして初めて、この芸術作品は軌道に乗ることができます。
宇宙の機器に加えて、地上にも監視機器があり、システムの制御を担当する高度な訓練を受けた人員がいます。 地上コンポーネントを改善する作業も進行中であり、現在は新しい次世代運用制御システム (OCX) と関連するサブシステムに重点が置かれています。 GPS システム全体の動作を妨げないように、変更は徐々に導入されます。
システム全体をサポートするために、約 1,7 億ドル (2020 会計年度) が費やされています。 2021 会計年度について、開発者は米国議会に GPS システムの維持費として 1,8 億ドルを要求しました。 したがって、そのような金額を考えると、最大の国だけが自律システムを維持する余裕があり、残りは既存のものを使用する必要があります。 プログラムのコストがどのように増加しているかを示すために、2012 年には 750 億 万ドルだったとしか言えません (インフレ、計算方法、およびそのレベルはここでは考慮していません)。
GPSをブロックするのは簡単ですか？
軍隊における GPS システムの黄金時代は、徐々に忘れられつつあります。 衛星信号の減衰と妨害はますます一般的になり、その結果、宇宙データのみに基づく精密兵器は、もはやかつてほど効果的ではありません。 この問題は、武器自体だけでなく、航空機、船、陸上車両、および GPS 受信機を搭載したその他のデバイスにも影響します。
地球上の「ホット」スポットで GPS 信号をブロックする例を何度も見てきました。 黒海などの港や航海中の巨大な船が突然地図から姿を消し、30キロ離れたところに現れたことがあり、これはこの地域でのロシア人の行動と関連しています。 このトピックを続けると、地域のロシア基地の運用を確保するために、同様の措置がシリアでしばしば行われていると言わなければなりません。 イスラエルでさえ、この種の干渉に悩まされており、GPS の動作が悪化することがあります。これは、たとえば民間の航空交通にとって深刻な問題です。
GPS 信号への干渉は、特に難しいことではありません。 適切な電力と周波数の無線送信機を保護対象の近くに配置すると、GPS 受信機が正しいデータを受信できなくなります。 衛星メーカーは、最新バージョンの機器を搭載した、これまで以上に干渉に強い信号を開発することで、これに対抗しようとしています。 ただし、これはいたちごっこであり、有利なのは駆逐艦側です。 コストを削減し、機能を向上させることで、変化に迅速に対応できます。 結局のところ、衛星は一週間で変化しません。
陰湿な目的に加えて、GPS のブロック方法は、国家元首を保護するためにも使用されます。 ロシア人がそのような道具を特に好むのは当然のことです。 これは特にプーチンの動きに当てはまり、彼がいる地域では、すべてのナビゲーションシステムが一定期間まったく機能しない可能性があることを隠そうとしています。 ロシア人は大統領の移動ルートを可能な限り保護しているため、ナビゲーション システムをブロックすることで、ドローン攻撃を少なくとも部分的に排除しようとしています。
上記の問題と欠点にもかかわらず、軍が GPS システムを放棄することを期待すべきではありません。 それどころか、ジャミングシステムとの戦いは激化し、GPS信号のジャミングを防ぐ追加のシステムが装備や武器に追加されます.
慣性航法は引き続き改善され、精密兵器には常に別の同等に効果的な照準方法が用意されています。 現在、そのようなソリューションについて集中的な作業が行われています。 画像航法、天文航法（時間をさかのぼる？）、磁気異常航法についての話があります。 ハイテク！ したがって、私たちにはまだ多くの興味深いことが待っています。
民生用衛星航法
しかし、平均的なユーザーは、軍隊が持っているものにはあまり興味がありません。 GPS を使用して現在地を正確に特定できるようにしたいと考えています。 ナビゲーター 山でのハイキング、朝のランニング、または車での旅行中のルートを正しくレイアウトしました。 これらの設備のない現代人の生活を想像することは困難です。
原則として、GPSを直接使用しなくても、つまり自分で受信機の電源を入れなくても使用できると言えます。 システムは独立して動作し、私たちの生活の身近で便利で必要な部分になっています。
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