道に迷ったとき、スマホでマップを見ることあるかな？
位置情報を使って目的地まで案内してくれるの便利だよね。
でもどうやって今いる現在地を特定して目的地までの時間を計ってるんだろうね。
じゃあ調べてみよう！なぜGPSは今いる場所がわかるの？ ― 人工衛星から現在地を特定する仕組み！
結論
GPSで現在地がわかるのは、複数の人工衛星から届く電波の到着時間を使って、自分と衛星との距離を計算しているからです。
スマホは、
衛星から電波を受け取る
→ 電波が届くまでの時間を調べる
→ 衛星までの距離を求める
→ 複数の衛星との距離を組み合わせる
→ 自分の位置を特定する
ということを行っています。
つまりGPSは、衛星が「あなたはここにいます」と直接教えているのではなく、衛星との距離を自分で計算して現在地を割り出している仕組みです。
そもそもGPSって何？
GPSは、Global Positioning Systemの略です。
日本語では、全地球測位システムなどと呼ばれます。
地球の周りを飛んでいる複数の人工衛星から電波を受信し、地上にいる自分の位置を求める仕組みです。
スマホだけでなく、
- カーナビ
- 飛行機
- 船
- 測量
- スマートウォッチ
など、さまざまな場所で使われています。
GPS衛星は何を送っているの？
GPS衛星は、自分がどこにいるかと、その電波を何時に送ったか
という情報を含んだ電波を送っています。
スマホはその電波を受け取り、「この衛星がこの時刻に送った電波が、今届いた」という情報から、
電波が何秒かけて届いたかを計算します。
電波が届く時間で距離がわかるの？
わかります。
電波は光とほぼ同じ速さで進みます。
つまり、約30万kmを1秒で進むほどの速さです。
そこで、距離 ＝ 速さ × 時間という考え方を使います。
例えば電波が届くまでにかかった時間がわかれば、
その時間に光の速さを掛けることで、
衛星までのおおよその距離を求められます。
衛星1個だけじゃ場所はわからない
ここがGPSの面白いところです。
例えば、「ある衛星から2万km離れています」
とだけ言われても、自分がどこにいるのかは決まりません。
衛星から2万km離れた場所は、衛星を中心とした巨大な球の表面全部だからです。
つまり衛星1個だけでは、候補が多すぎます。
衛星が2個になると？
2個の衛星から距離がわかると、それぞれの衛星を中心とした球ができます。
その2つの球が交わる場所まで候補を絞れます。
でも、それでもまだ1点には決まりません。
3個なら現在地がわかる？
理論上、位置だけを求めるなら3個の衛星からかなり絞り込めます。
ただし実際のGPSでは、通常4個以上の衛星を使います。
理由は、スマホの時計が衛星ほど正確ではないからです。
なぜ4個必要なの？
GPS衛星には、
非常に正確な原子時計が搭載されています。
一方、スマホの時計はそこまで正確ではありません。
GPSでは電波の到着時間を使って距離を測るため、
ほんのわずかな時刻のズレでも、位置が大きくずれてしまいます。
そこで4個以上の衛星から電波を受信し、
緯度・経度・高度に加えて、スマホの時計のズレまで同時に計算する
ことで位置を求めます。
ほんの少しの時間差がそんなに重要なの？
かなり重要です。
電波は1秒で約30万km進みます。
つまり、100万分の1秒でも約300m進みます。
時計がほんの少しずれただけでも、
位置情報が数百mずれる可能性があります。
だからGPSでは、時間をものすごく正確に扱うことが重要なんです。
GPSは三角測量なの？
よく「三角測量」と説明されますが、厳密には少し違います。
GPSが使っているのは、衛星との距離から位置を求める方法です。
これは、三辺測量（trilateration）に近い考え方です。
角度を見るのではなく、複数の地点からの距離を使って位置を決めています。
イメージするなら「円を重ねる」
2次元で考えると分かりやすいです。
例えば地図上で、
A地点から10km
B地点から8km
C地点から6km
の場所を探すとします。
それぞれの地点を中心に円を描くと、
3つの円が重なる場所が現在地になります。
GPSではこれを3次元にして、円ではなく球で計算しているイメージです。
スマホは衛星に向かって電波を送ってるの？
基本的には、スマホ側はGPS衛星からの電波を受信しているだけです。
GPS衛星へ、「私はどこですか？」と問い合わせているわけではありません。
衛星は一方的に信号を送り続け、スマホ側がその情報を使って現在地を計算します。
だからGPSそのものは、携帯回線がなくても利用できます。
圏外でもGPSは使える？
GPSの位置測定自体は、携帯電話の圏外でも可能です。
ただし、地図を表示するにはインターネット通信が必要になることがあります。
例えば地図データを事前にダウンロードしておけば、圏外でもGPSで自分の位置を表示できることがあります。
つまり、GPSで現在地を求めることと、
Googleマップなどの地図を表示することは別の仕組みです。
スマホの現在地はGPSだけで決めてるの？
実際のスマホは、GPSだけではありません。
例えば、
- Wi-Fi
- 携帯基地局
- Bluetooth
- 加速度センサー
- ジャイロセンサー
などの情報も組み合わせることがあります。
特に建物の中ではGPS衛星の電波が弱くなるため、Wi-Fiや基地局の情報が役立ちます。
GPS以外の衛星も使っている？
はい。
スマホでよく「GPS」とまとめて呼ばれますが、実際には複数の衛星測位システムに対応している端末があります。
例えば、
- アメリカのGPS
- 日本の「みちびき」
- ヨーロッパのGalileo
- ロシアのGLONASS
- 中国のBeiDou
などです。
これらをまとめて、GNSSと呼びます。
建物の中だとGPSが弱くなるのはなぜ？
GPS衛星から届く電波は、かなり弱いです。
しかも衛星は地球から非常に遠い場所にあります。
そのため、
- 建物
- 地下
- トンネル
- 厚い屋根
などに遮られると、電波を受信しにくくなります。
だから屋外では位置がすぐ決まるのに、地下や建物の奥では現在地がずれることがあります。
高層ビルの間でも位置がずれることがある
都会では、GPS電波がビルに反射することがあります。
すると、
衛星
↓
ビル
↓
スマホ
のように遠回りして電波が届きます。
スマホ側は、「電波が届くまで時間がかかった＝衛星まで遠い」と判断してしまうため、
位置がずれることがあります。
このような現象を、マルチパスと呼びます。
カーナビがトンネルの中でも動くのはなぜ？
トンネルではGPS衛星の電波が届きにくくなります。
それでもカーナビがある程度動き続けるのは、
- 車の速度
- タイヤの回転
- ジャイロセンサー
- 加速度センサー
などを使って、
最後にGPSが確認できた場所から、どれくらい移動したかを推測できるからです。
GPSだけですべてを判断しているわけではありません。
GPSの精度はどのくらい？
条件が良ければ、
一般的なスマホでも数m程度の精度で位置を求められることがあります。
ただし、
- 建物
- 山
- 天候
- 衛星の配置
- 電波の反射
などによって精度は変化します。
そのため、地図上で現在地の青い点が少しずれることがあります。
相対性理論もGPSに関係している？
実は関係しています。
衛星は地上とは、
重力の強さも移動速度も違います。
アインシュタインの相対性理論によると、
この違いによって時計の進み方にわずかな差が生まれます。
その差を補正しないと、
GPSの位置はどんどんずれてしまいます。
つまりスマホで地図を見るという身近な機能にも、
相対性理論が実際に使われている
のです。
まとめ
GPSで現在地がわかるのは、
複数の人工衛星から届く電波の時間差を使って、衛星までの距離を計算しているから
です。
流れをまとめると、
衛星が時刻と位置情報を送る
→ スマホが電波を受信する
→ 到着までの時間から距離を計算する
→ 複数の衛星との距離を比較する
→ 現在地を求める
という仕組みです。
さらに実際のスマホでは、
GPSだけでなくWi-Fiや基地局、各種センサーなども利用して位置情報の精度を高めています。
私たちが何気なく見ている現在地の青い点は、
宇宙を飛ぶ人工衛星との距離を、光の速さと時間の差から計算した結果
なのです。
キーワード
GPS / GPS 仕組み / 現在地 / 人工衛星 / GNSS / みちびき / 三辺測量 / 原子時計 / スマホ / 位置情報 / 相対性理論
※本記事では、文章作成および画像生成の一部にAIを活用しています。
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