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GNSS受信機の仕組み

業界の記事 2020年10月13日

ほとんどのGNSS(Global Navigation Satellite System)受信機には、アンテナと処理装置(レシーバー)の2つの部分があります。アンテナは衛星信号を受信する場所で、受信機は受信した情報を意味のあるものにし、緯度や経度などの私たちが理解できる測定値に変換します。デュアルアンテナシステムでは、通常、「プライマリー」と「セカンダリー」アンテナと呼ばれています。 RT3000 のユニットには、2つのGNSS受信機が内蔵されている。

GNSS受信機がすべての作業を行いますが、実際の測定値はアンテナの位置に関係しています。アンテナケーブルの長さは、受信機が出力された位置測定値からかなりの距離になることがあるため、この点に留意することが重要です。サットナビや日常的なGPS製品では、数メートル以上の精度が得られることはほとんどありませんので、これは重要ではありません。

GNSSアンテナは、RT3000 INSに接続されています。

位置、速度、高度に関する計算は、受信機ではなくアンテナ自体に関連していることを認識することが重要です。GNSSの仕組みを理解するには、GNSSを部分ごとに分け、それぞれについて少しずつ理解する必要があります。ここでは、最も一般的に知られているシステムであるGPSを取り上げ、それを3つの部分に分けて説明していきます。

  • スペース セグメント
  • 制御セグメント
  • ユーザーセグメント

スペース セグメント

スペースセグメントは軌道上の衛星に関連するものです。2015年のGPSコンステレーションは、中軌道上の32の非静止衛星で構成されていますが、すべての衛星がアクティブであるわけではありません。各衛星は、平均高度20,200km(軌道半径26,571km)、11時間58分2秒の周期で周回しています。

GPS衛星のコンステレーションは、少なくとも4基の衛星を有する6つの等間隔の軌道面に配置されています。この配置により、地球上のどの地点からでも、地平線から15°上の位置に少なくとも4基の衛星が見られることを確実にしていますが、実際にはもっと多くの衛星が見られます。

衛星は時代や設計が異なりますが、作動原理は変わりません。それぞれが10.23MHzの基本周波数を持つ4つの高精度クロックを内蔵しており、光速で地球に戻る2つのLバンドの搬送波を絶え間なく送信します。これらの搬送波はL1およびL2と呼ばれています。

  • L1キャリアの周波数は1575.42MHz(10.23MHz×154=1575.42MHz)である。
  • L2キャリアの周波数は、10.23MHz×120=1227.60MHzである。

搬送波は衛星からの情報を 地球に戻すために重要です それは我々の受信機が どこにいるのかを知るための情報ですこれについての詳細は、 GPS信号のページを参照してください。

制御セグメント

コントロールセグメントは、それぞれのGPS衛星に情報を追跡、制御、送信するために使用される、世界各地(赤道付近)に位置する多くの地上局を指します。システム全体がタイミングに依存しているため、各衛星のクロックを同期する重要な役割を果たしています。

各衛星に送られる軌道情報も、情報が送信されたときに衛星がどこにあったかを知るために必要なので非常に重要です。これらの情報はすべて衛星に送信され、L1搬送波ナビゲーションメッセージでGPS受信機に返信されます。

ユーザーセグメント

ユーザーセグメントは、ほとんどの人が関心を持つ部分です。このセグメントには、ナビ、携帯電話、UAV、法執行機関など、GPS受信機を持つ人または搭載したすべてのものが含まれます。では、それはどのように動作するのでしょうか?

すでに見たように、頭上を周回する衛星群があり、光の速さで一定の情報を地球に送り返しています。これがどのようにして位置を特定するのかを理解するには少し時間がかかりますが、これはトリラテレーションと呼ばれるプロセスに基づいています。
その前に、よくある誤解を正しておきましょう。衛星ナビや携帯電話に内蔵されているGNSS受信機が衛星に情報を送信することはありません。現在使用されている受信機は、情報を受信するだけの完全なパッシブ型です。ヨーロッパのガリレオシステムが運用されると、緊急時に情報を送信する機能がありますが、通常の運用ではその機能はありませんので、受信機は少し変わってきます。

例えば装甲車か何かがGPSに追跡されているという場合、何が起こっているのでしょうか。車両のGNSS受信機は衛星から信号を受信して現在地を計算します。位置を割り出すとGSMデータ接続などの他のシステムを使用して、この情報を何らかの監視局に送り返します。

したがって、現在のところ、GNSS受信機は軌道上の衛星から送信された信号を受信することによって動作しています。使用される信号は、受信機のタイプによって異なります。GPS受信機が使用できるのはGPS衛星からの信号のみで、GLONASS受信機はGLONASS衛星からの信号のみを使用することができます。その測定能力を増強するために、両タイプの衛星(GPSとGLONASS)からの信号を実際に取ることができる、別のタイプの受信機があります。

さて、ここまででGNSS受信機の仕組みについて説明してきました。GNSSとは何か」という質問に対する包括的な答えを提供するために、 次のテーマは GPS受信機です。

GNSSとは何か」シリーズの続きを読む GPS受信機はどうやって自分の位置を把握しているのか?
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