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GPSについての基礎知識

様々な目的で利用されているGPS

GPSの目的、システムの基礎知識を解説

当初は民生用のGPS受信機としては、航空機、船舶、測量、登山用などに利用されておりましたが、近年ではカーナビゲーションシステム、携帯電話、スマートフォン、携帯端末、ノートパソコン、デジタルカメラ、レーダー探知機などにも搭載されるようになり幅広く利用されています。

多岐にわたり様々な目的で利用されているGPSをそれぞれの分野ごとに順に追ってご案内していきます。


1.カーナビゲーションシステム


カーナビゲーションはGPSの実装において技術的に有利なシステムになります。自動車からは安定した大容量の電源が供給が可能となり、GPS用アンテナを好環境にて設置できます。また本体が大きくても問題が無いため、詳細なカラー地図を内蔵することができます。

しかし目的地への案内を目的としたカーナビゲーションの特性から、地図情報、電話番号、レストランのリストなどのGIS情報の更新に随時追従する必要性があり、データを任意で更新できるような仕組みが備わっているものが標準的になってきています。

また、レーダー等による速度規制取り締まりやシートベルト着装取り締まり等を行っている場所の緯度・経度をデータとして持ち、その近辺で警告を発する機器も存在します。




2.航海
船舶にとってGPSは重要な航海術、航法支援システムとなります。航空機同様、陸から離れたら目印を持たない海上において、遭難、衝突や座礁を免れるために、精度の良い航法支援システムを利用することが重要でした。

漁船、漁業用船舶や個人用のレジャーボートに搭載されているGPSでは、魚群探知機と組み合わせて、漁場をマークするなどの機能が付加されているものもあります。




3.航空
GPSGLONASSなどの位置情報を航空機にも使用することが促進されています。

従来の航空機航法は、地上航法支援施設を用い、いわば電波の灯台への方位・距離を測定して現在位置を知る方法でした。これに対し、衛星が4個以上見えていればある程度の精度で絶対位置が分かるGPSは、航空機向けの測位方式であるとも言えます。

しかしながらGPS信号をそのまま航空航法に使用するには、測位の安全性・信頼性・精度等に問題があります。

航空機での精度向上を目的とした、静止衛星型衛星航法補強システム (SBAS: Satellite Based Augmentation System) の運用が以下の各国で開始、計画されています。

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米国:WAAS (Wide Area Augmentation System)
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ロシア:SDCM (System for Differential Corrections and Monitoring)
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欧州:EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service)
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日本:MSAS (MTSAT-based Satellite Augmentation System)
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インド:GAGAN
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中国:CNSS (Compass Navigation Satellite System)

SBAS
では、GPS衛星の補正情報(特に高度情報の補正)や信頼性情報を送信し、またSBAS衛星自体も測位のためのひとつの衛星として働いています。さらにSBAS衛星は静止軌道にあるため、中~低緯度地方では天頂に近い高仰角でみえているのも有利な点であります(北緯35度では仰角55度)。航空以外の分野でも、例えばビル街でのカーナビの精度向上にも役立つと考えられています。SBASを補助情報として用いることができるGPS受信機はすでにSBAS対応(WAAS対応)受信機として広く普及し始めています。

日本のMSASについては、航空機でのRNAV運用に伴い、2007927日から試験信号フラグ (MT0) が運用モード (MT2) となり、正式に供用開始となりました。ただし初期のWAAS対応機など一部のSBAS対応受信機では、MSASの衛星番号を設定・処理できないため測位に利用できないものがあります。




4.科学技術
科学技術分野では、国土の形状を明らかにしたり、cm単位で地球の動きを知り地震予知に役立っています。また大型の渡り鳥アホウドリの2km以上におよぶ経路の詳細がGPSの技術により明らかになり、野生生態のトラッキング記録にも利用されています。

時刻の高精度同期などにも利用されています。GPS衛星搭載の原子時計からの時計情報も科学分野を中心に広く活用されています。GPSの時計情報はGPS衛星に搭載されている原子時計の精度とほぼ一致し、クォーツ時計の精度よりもはるかに高いです。そのため、野外で正確な時刻を知る必要がある場合や、複数点で時計情報を高精度で一致させる(同期する)ために用いられています。GPS本来の目的である位置決定とは異なる利用法ですが、とくに地球科学や土木工学分野に大きな効果を与えています。

たとえば地震を監視しその震源を高精度に決定するためには、広範囲に多数設置された地震計すべての時計を秒未満の精度で一致させ、100分の1秒の精度が望ましいとされていました。GPS受信機を接続することにより、GPS衛星からもたらされる高精度の時計情報を受信できるようになったため、すべての地震計を容易に時刻同期させることが可能となりました。

地震計に限らず精度の高い時刻情報が必要な場合、計測機器に小さなGPS受信機を取り付けることが多く、また、こうした用途のために各計測機器にGPS受信機が付属している場合がありあす。

このほか、位置が既知の基地局で高精度にGPS測位を行い、その誤差情報からGPS電波伝播経路の大気の状態を知るGPS気象学なども実用化を目指して研究されています。



5.研究開発
研究開発、調査などにも利用されとおり、自動車開発、レースカーなどの調整などでは、加速度、傾き、温度等の情報を取得し、後の解析や研究に利用されています。

また人が立ち入ることが不可能な超高温環境、超低温環境などでのデータ採取に用いられています。この際、設置に際してもロボットなどが用いられている場合があります。



6.防犯
窃盗や誘拐等の特定の物や人物に対する犯罪を防止するために、GPSが活用されています。例えば、建設機械は高価な機械もあることより、開発途上国などでの需要が高いため日本等において窃盗されることが多いが、メーカーがGPSで現在位置を報告する装置を一台ごとに組み込んだところ、窃盗された建機の位置が特定し犯人が検挙された事例が報道され、建設機械の窃盗が減っています。

また、誘拐等の児童に対する犯罪がが高まる中で、保護者が児童の位置を管理し犯罪を防止するためにGPS付の携帯端末が販売されています。一部の携帯端末は警備会社と提携して、問題があれば保護者に代わりに即対応できるサービスも提供されています。近年は、GPS携帯端末を徘徊行動をする認知症を患った高齢者や、一人暮らし若しくは持病のある高齢の親に持たせて、何かあった場合に位置を確認して親類が保護したり、警備員が駆けつけるサービスを利用し保護している家庭もあります。それ以外にも重要なモノを管理するために活用したり、児童や高齢者同様成年男性や女性の居場所を探すために利用されています。しかし、これらの機能がストーカーの付きまとい行動に悪用されている事件も発生してます。 



7.軍事用途
本来の目的である軍事用途においてもGPSはミサイルの命中精度の向上、兵士や車両、航空機や戦艦にも装備されており、ナビゲーションに用いられると想定されます。誘導爆弾もGPSを利用したタイプが登場し、安価でレーザーなどによる誘導操作が不要となりましたがその反面、命中精度に劣る事や標的座標エラーによる誤爆の危険があるなどの問題点があります。




8.個人携帯用

個人携帯用として、タブレットや携帯電話にGPSを組み合わせた製品があります。地図情報・GIS情報をサーバー側に持つことにより詳細な地図を提供したり付加サービス(例えば料理店を検索し電話を掛けて予約する)の可能性が拡がります。また情報を送信できないGPSと送受信機である携帯電話を組み合わせ、セキュリティ(児童誘拐や徘徊老人対策等)への応用も拡っています。

さらに位置情報を併用したメッセージの交換システムも登場しています。携帯端末利用者が、ある地点に対して(例えば地理的な注意喚起、お店の感想や写真など)特有な情報を残し、後から来た人が検索できるシステムです。検索を時刻で制約することで、(例えば天候や交通機関の遅延状態など)地点、時刻に特有な情報を参照することもできます。GPSで測位し続けたトラッキング情報には、登山などの記録のため、自己のみが参照可能なセキュリティがあるため、限られた人のみが参照できるのが普通でしたが、最近ではあるコミュニティの中で自分の位置情報を配信し続けることができるサービスがあります。これを利用することにより仲間の行動を把握できますが、プライバシー漏洩防止の観点からは十分に注意が必要となります。

現在の携帯電話ではA-GPS (Assisted Global Positioning System) を利用し、空が開けていない場所でも携帯電話の基地局から衛星の軌道データを受け取り測位までの時間の短縮を行っています。

携帯電話との組み合わせならではの技術として、空が開けていない場所でも携帯電話の基地局の位置情報を補助情報として利用する方式があげられています。
これは、基地局の位置と、GPSから計算される位置を比較することで得られる誤差情報を基地局から携帯電話に送ることで、携帯電話の位置誤差を小さくできるA-GPSと呼ばれる技術です。

登山用・単体モジュールを問わず、NMEA信号を出力することができるGPS受信機、GPSロガー等は、一眼レフカメラなどと連動し、撮影記録を自動的に残すためにも使われています。対応機をGPS受信機と組み合わせれば、Exifフィールドに自動的に撮影地の緯度・経度・時刻などが記録される仕組みとなり、単体のコンパクトデジタルカメラ、GPSとカメラ双方を内蔵したスマートフォンでもこれが可能なものがあります。

その他、ノートパソコン、タブレット、携帯ゲーム機等の端末をカーナビとして使えるようにするGPSユニットとソフトも発売されています。単体のGPSユニットは、測位等はすべてユニット内で完結しており、NMEAなどの標準フォーマットで緯度・経度その他の情報を送り出すものが多いです。端末機ではこれを受信し、地図ソフトなどと組み合わせてカーナビと同様に使用したり、トラックの記録が可能です。接続もかつてはシリアルポート接続やPCMCIAPCカード)・コンパクトフラッシュ|CFカード規格が多かったものの、現在ではBluetoothで測位情報を端末機に転送するものが主流となっています。


9.ゲーム・スポーツ



登山用として・・・
もともと緯度・経度を数値的に表示するだけのものでした。これは緯度・経度が正確な詳細地図がなければ登山用として役に立ちませんでしたが、最近では白黒の低解像度の地図を内蔵するものから比較的詳細なカラー地図を表示できるなど進化が進んでいます。いずれにしても電池切れや故障に備え地図と磁気コンパスを携行することは必要になります。

この種のものはトラッキング(移動軌跡)の記録が可能なことより、登山のみならず、グライダー、サイクリング、バイクツーリング等、幅広く使用されています。

パラグライダー競技として・・・
これらのスポーツでは、(1) 競技者がGPSの記録を公式に提出することができる、(2) GPSを用いてより良い記録を出すことを目指す、などの利用がなされています。滑空距離や落下位置の正確さを競うこれらの競技では、従来、写真による記録や審判員による目視で記録がなされることが殆どでしたが、プレイヤーが所有するGPSの記録を提出し、それが改ざんされていないと認められれば、有力な記録の証拠となります。また単体機のGPSレシーバでは、立体的にリアルタイムの移動距離・降下率を計算し、事前に設定した目標地点へ近づく参考となる機能を備えたものもあります。

アスリート用として・・・

ランニングやサイクリングなどでもGPSを利用して走行距離やラップなどを表示することが可能です。GPS腕時計として小型の製品も実用化されています。これはナビゲーションが主用途ではなく、従来は歩数計(振動の情報を利用)などを利用していたことより、測位の精度向上が見られます。






ジオキャッシングとして・・・
ジオキャッシングはネット上で公開されたキャッシュ(宝)の場所の緯度・経度とヒントを元に、GPSを利用してキャッシュを探し出すゲームです。当初はGPSSA解除に伴い、GPSの精度でどのくらい位置を精密に特定できるか、というネットニュース上での問いかけに応じる興味で始まりました。10年以上・数百万人以上のプレイヤーがいる現在では、類似のハイテク宝探しの元祖として、趣味として確立されています。⭕️キャッシュには様々なものがありますが、実体があるキャッシュ (物理キャッシュ) の実体は、数ccのチューブ~数十Lのバケツ以上の大きさの容器 (コンテナ) であり、ログブック (見つけた日時・ジオキャッシングIDを記録する) や交換アイテム (オプション) などが入っています。見つけた人はログブックに記録しオンラインのログにも記録をします。

GPS
を利用したGARMINのゲームなどとして・・・
ガーミンの単体機GPSレシーバには、GPSを利用したゲームが内蔵されているものがあります。ある程度広い場所でGPSが受信できるならば、実際にプレイヤーが動くことでゲームをプレイする(GPSレシーバが表示した仮想の迷路をプレイヤーが動いて脱出するなど)ことができます。

GPS
ドローイング(GPS絵画)として・・・
緯度・経度の軌跡によるGPSロガーで描いた文字やイラスト等のイメージを制作します。軌跡はGoogle Earthなどの地図ソフトウェア上に表示することができます。

GPS
は現代において様々な目的で利用されておりますが、航路システムの向上、科学技術、研究開発、また、防犯、軍事用途、個人携帯用、ゲーム・スポーツなど趣味のみならず軍事、密漁船の航行、密輸船の違法取引行為、またストーカー目的など悪行に使用されていることもあり、注意が必要とされる場合も多々あります。

 

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