GPS衛星が出す電波

5チャネル以上の周波数を送信

GPS衛星「NAVSTAR」とは


図1　GPS衛星NAVSTARは，10.23MHzを基準とした複数の周波数で電波を送信し，民生用と軍用に対応した測位信号を提供している．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］樋田啓詳細:自動運転＆SLAMロボット開発要点100【セッション5】cm測位「キネマティックGNSS」の始め方

一般にGPS衛星と呼ばれるものは，正式には「NAVSTAR（Navigation Satellites with Time And Ranging）」といいます．これらの衛星は，地上の受信機に対して高精度な位置情報を提供するために，複数の電波を同時に送信しています．

NAVSTARは5種類以上の異なる周波数帯で電波を送信しています．測位に直接使われるのはL1，L2，L5の3チャネルで，L3とL4はそれぞれ核爆発検知や電離層観測といった目的に利用されます．

送信周波数の中心にあるのが10.23MHzという基準周波数です．これはわざと端数を含んだような値ですが，実際には一定の整数倍率で搬送波に変換されます．

このように，すべての周波数が10.23MHzの整数倍または分数倍となっている点が特徴です．

GPS衛星の信号は，単なる搬送波ではありません．実際には，2つの主要な情報が変調されて送信されます．

これらの情報は，I（In-phase）とQ（Quadrature-phase）の信号にわかれて変調され，IQ変調器を通じて搬送波に載せられ，アンテナから地上へ向けて送信されます．

PRNコードとは「Pseudo-Random Noise Code（擬似乱数コード）」の略で，GPS衛星から送信される信号に含まれる重要な情報の1つです．一見すると無作為な0と1の並びですが，受信機側でも同じ系列を生成できるように設計されています．

PRNコードの主な目的は，送信された信号がどの衛星からのものであるかを識別し，さらに送信時刻と到達時刻の差から距離を計算することです．これによって，3次元的な位置測定が可能になります．

PRNコードには複数の種類があります．もっとも一般的なのがC/Aコード（Coarse/Acquisition）で，主に民生機器で使われています．スマートフォンやカーナビのGPSはこのコードを利用して測位を行います．

一方，P（Y）コードは軍用向けに設計されており，より高精度かつ秘匿性の高い信号です．このコードは暗号化されており，通常の民生受信機では復調することができません．

GPS受信機は，あらかじめ衛星ごとに異なるPRNコードを知っています．受信信号と一致するコードを見つけることで，どの衛星から来た信号かを特定します．さらに，受信側で再現したコードと受信信号とのタイムシフトを比較することで，信号が到達するまでにかかった時間を導き出し，そこから距離を計算します．

この距離情報を3つ以上の衛星から得ることで，現在の位置を三角測量によって導き出すことが可能になります．

PRNコードは，GPS測位の根幹を支える要素であり，衛星識別と距離測定の両方を実現する機能を担っています．民生用と軍用で異なるコードが使われており，それぞれの用途に応じた信号処理がなされています．

〈著:ZEPマガジン〉