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GPS三辺測量の原理

1970
電波物理学における衛星信号と距離測定値を表示するGPS受信機。

(画像はイメージです)

GPSは三辺測量を用いて受信機の位置を特定します。少なくとも3つの衛星までの距離を測定することで、受信機は地球表面上の位置を正確に特定できます。この距離は、信号の伝搬時間に光速を掛けることで計算されます。受信機の時計を同期させ、緯度、経度、高度、時刻という4つの未知数を求めるには、4つ目の衛星が必要です。

GPS測位の基本原理は、三辺測量、より正確には多辺測量と呼ばれる幾何学的手法に基づいています。各GPS衛星は、正確な軌道位置(暦)と信号が送信された正確な時刻を含む信号を継続的に送信します。地球表面上またはその近傍にあるGPS受信機は、複数の衛星からこれらの信号を受信します。受信機は、信号が送信された時刻と受信された時刻の差を計算します。この時間差は飛行時間と呼ばれ、光速(c)を乗じることで、その衛星までの距離、つまり「擬似距離」が求められます。「擬似距離」という用語が使われるのは、受信機の内部時計が衛星に搭載された高精度原子時計と完全に同期していないため、時間オフセット誤差が生じるからです。

幾何学的に、1 つの衛星までの距離がわかっている場合、受信機の位置は、その衛星を中心とする半径が計算された擬似距離に等しい球の表面内に限定されます。2 番目の衛星では、位置は 2 つの球の交点、つまり円に絞り込まれます。3 番目の衛星からの信号は 3 番目の球を提供し、最初の 2 つの衛星からの円との交点によって 2 つの可能な点が得られます。通常、これらの点の 1 つは意味のない場所 (たとえば、宇宙のはるか遠くまたは地球の奥深く) であり、受信機は 2 次元の位置 (緯度と経度) を決定できます。4 番目の未知数である高度を解くため、そしてより重要なことに、受信機のクロック誤差 ([latex]Delta t_{receiver}[/latex]) を補正するために、4 番目の衛星からの信号が必要です。これにより、受信機は4つの未知数([latex]x、y、z、Delta t_{receiver}[/latex])に関する4つの方程式の連立方程式を解くことができ、正確な3D位置と正確な時間が得られます。

UNESCO Nomenclature: 2212
電波物理学

タイプ

抽象システム

混乱

革命的

使用法

広く普及している

前駆物質

  • 天体航法
  • 無線方向探知(RDF)
  • 長距離航法(LORAN)システム
  • 航法衛星システム(NAVSAT)
  • 幾何学と三角法の基本原理
  • 光速の測定

アプリケーション

  • 車両ナビゲーションシステム
  • 写真のジオタグ
  • 精密農業
  • 災害管理および緊急サービス
  • スマートフォンの位置情報サービス

特許:

NA

潜在的なイノベーションのアイデア

  • autonomous ドローン delivery networks with centimeter-level accuracy
  • リアルタイム 拡張現実 overlays for urban exploration and maintenance
  • global earthquake early-warning systems using ground displacement data
  • hyper-local weather forecasting based on atmospheric signal delay
  • automated traffic management systems that dynamically adjust signal timing
  • wildlife tracking with solar-powered micro-GPS tags
  • personal safety devices that automatically report location during emergencies
  • smart-grid management by synchronizing power flow across vast areas
  • underground and indoor positioning systems augmented with other signals
  • gamified fitness applications that create virtual race courses in the real world
関連キーワード:三辺測量、多辺測量、擬似距離、衛星測距、飛行時間、GPS測位、航法、幾何学、光速、クロックオフセット。

歴史的背景

GPS三辺測量の原理

1963
1964
1968
1970
1970
1975
1980
1962
1963
1965
1970
1970
1974-11-15
1980
1980

(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

10年目 周年

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