GPSってなに?どんなしくみ?を優しく説明します。 – わかぶろぐ

GPSってなに?どんなしくみ?を優しく説明します。

やさしく解説シリーズ
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GPSを解説

GPSとは

GPSは「Global positioning system(グローバルポジショニングシステム)」を略したものです。

日本語での解釈では「全地球測位システム」と表されます。

これは「グローバル=地球規模での」、「ポジショニング=位置を定める」を置き換えた表現です。

並べると「グローバル(全地球)ポジショニング(測位)システム」となります。

・・という事で、意味合いとしては・・・

あなたが地球上のどこにいても見つけて場所を教えることができるよ!

というものになります。

システムの解説

では、このGPSというシステムについて解説していきます。

人工衛星があなたを見てる!

まずはどうやってあなたの居場所を探し出してくれるのかを説明します。

よくニュースで「人工衛星打ち上げ」というニュースがありますよね!

この人工衛星が地球の周りにはたくさん飛んでいます。

これがあなたのGPSの信号をキャッチして反応します。

人工衛星は一つだけでは測位できない

続いて、正確な位置を特定する方法を説明します。

人工衛星があなたからの信号をキャッチすると言いましたよね!

でも、いかに人工衛星の機能が高性能でも1つだけでは、超高速で回る地球とあなたの動きを同時に正確に把握することは難しいです。

なぜなら、両者が動く中での信号の行き来の時間の誤差が発生するからです。

時間の誤差が大きければ、あなたがいた場所の情報の誤差も大きくなります。

なので、あなた1人のGPSの位置を特定するには1つだけでは測位できないんです。

あなたには3つ以上の人工衛星が見てくれてる

あなたが移動するのを最低でも3つ以上の人工衛星がついて見てくれています。(時間の誤差防止で4つが実際にはついていたと記憶しています。)

先ほど説明したように、あなたについている衛星が1つだけでは、近づくあなたと遠ざかるあなたの信号を1度計るだけで終わってしまい、その動きの詳細も曖昧で時間的な誤差が大きくなります。

そこで3点から「近づくあなたのデータを集める係」「遠ざかるあなたのデータを集める係」「横から見るあなたのデータを集める係」というようにあなたのデータを集めてくれます。

その3点の信号の行き来の時間を検出して、各点のあなたまでの距離を割り出します。

その衛星の場所から各衛星とあなたの距離を見て、あなたの現在地が算出されます。

予備知識

時刻のズレが命取り

このGPSというシステムは「人工衛星同士の時刻のズレとあなたのGPSの時刻のズレ」が大きなトラブルの原因になって「命取り」になってしまいます。

例えば時刻が1億分の1秒だけズレているとすると、あなたの現在地の測位に約3メートル程度の誤差が出ると言われています。

3メートルの誤差があると家なんかを探してGPSに頼ったら隣の家に行ってしまったなんて事になっちゃいますね!

それでは本当の実用性が発揮されません・・。

なので、3つの大きな事を対策として行っています。

補足程度に解説しておきますね!

超高性能の時計を搭載

ちょっと人工衛星の時計の種類を特定することができませんでしたが、人工衛星には通常で私たちが知る時計からは考えられないほどの超高精度の原子時計というものを搭載しています。

例えば、あなたが持っている時計が1秒ずれるのにどれくらいかかりますか?

半年?1年?10年?

通常の時計ではせいぜい高性能でもそれくらいの誤差があると思います。

しかし、この原子時計が1秒ずれるのは500万年とか1億年とか、そういった単位での誤差になります。

本当に超高性能ですよね!

ちなみにこの時計は原子時計と呼ばれるだけあって「原子の固有振動数(1秒で何回振動するか)」を数える事で正確な1秒を積み重ねる時計で、あなたが見る時計とはずいぶん違っています。

地上の原子時計で1日ごとに時刻合わせ

人工衛星の時計が超高性能とは言っても、地上の最新鋭の原子時計の性能には敵いません。

そこで地上の一番正確な時計を使って1日に一回時刻合わせをしています

人工衛星の時計は分かりませんでしたが、地上の時計は現在は「セシウム原子時計」というものを使っています。

今年に入ってすぐくらいにNHKで最新の時計でセシウム原子時計より格段に高精度の「ストロンチウム光格子時計」というものを特集していたので、もしかするとこちらに切り替わるかもしれませんね!

ちなみにセシウム原子時計の誤差は約6000万年に1秒、ストロンチウム光格子時計の誤差は約300億年に1秒と言われています。(セシウム原子時計の誤差は理化学研究所が公開報告書等に記載の数値を採用、ストロンチウム光格子時計の誤差はNHKの番組内での期待値を採用しています。)

参考までにここでは光格子時計の画像を載せておきます。

出典元:科学技術振興機構(JST)
    東京大学 大学院工学系研究科
    理化学研究所

これが時計?・・と思うかもしれませんが、これが時計なんです。

ただ「正確な1秒」に超特化したという違いがあるだけで、時間を計るから「時計」なんです。

重力による時間の遅れを調整

かのアインシュタインが発表した相対性理論に「重力が時空を歪ませる」というものがあります。

そして、強い重力場で時空が歪むと時間が遅れるとも・・・。

人工衛星が飛んでいる上空より、私やあなたがいるこの地上の方が時間は遅く進んでいるんです。(厳密には、太陽の重力場と地球の重力場、さらに人工衛星の地球周回速度などの影響を総合して考慮した結果なのですが・・。)

そこで人工衛星の時計は1秒ごとに100億分の4.45秒だけ遅く進むように補正がかかる仕組みになっています。

最後に

簡単に説明してきましたが、少しはお力になれたでしょうか?

私が高卒ですから、高卒用として作成しております。

もっと詳しい専門分野に関しては、他のサイトが多数ありますので、こちらで大まかに考えて「もっと!」と思った方はそちらで参照いただければと思います。

計算式や理論的な事も書いてますのでオススメです。

今後、詳しい部分も簡単に説明できるようになったら、続編を作成しようと思っています。

では、ここで無礼ですが勝手に失礼させていただきます。( ̄^ ̄)ゞ

 

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