【GIS基礎知識】GNSSとは？主要な衛星群やGPSとの違いを解説

人工衛星を用いた位置情報システムにおいて、GPSと同様近年よく聞かれるようになったGNSS。

ただ言葉だけは聞いたことがあるものの仕組み自体を知らないという方も多いかと思います。

この記事ではGNSSについて概要とGPSとの違い、測位方法について簡単にお伝えします。

GNSSとは

GNSSは、正式にはGlobal Navigation Satellite System（全地球航法衛星システム）といい、人工衛星を利用して地球全ての位置のの現在位置を計測するためのシステムの一つです。

地球上の複数の衛星システムを用いることからこれまでの仕組みに比べてより正確な測定ができます。

そのため自動車や農業機械の自動運転、大規模土砂災害の際の移動土塊観測などかなり高精度な位置情報を必要とするものでも対応できるということから、近年注目度が高まっています。

GPSとの意味の違い

人工衛星を用いた位置情報、測量衛星というとGPSを思い浮かべる方も多いかと思います。

GPSは正式にはGlobal Positioning System（全地球測位システム）といい全地球規模の測位ができ、元々はアメリカが軍事的に開発されたものでした。

現在スマートフォンやタブレット、スマートウォッチなどに搭載され地図アプリのもととなっているためかなり馴染み深いものになっているものの、衛星自体は現在でもアメリカが運営していることには変わりはありません。

一方GNSSは世界各国が持つ衛星測位システムの総称であるため、GPSだけでなく、ロシアのGLONASS、EUのGalileomなど世界各国の人工観測衛星を用いたシステムを含みます。

このGNSSを構成する衛星については後ほど詳細をお伝えいたします。

私たちは特にそのような違いを感じることなく位置情報を取得する衛星そのものをGPSと呼ぶことは多いかもしれません。

ただ実際にはGPSは衛星の数が限られるため信号がビルや高い山に遮られると測位制度が安定しないこともあり、前述通り衛星が2つ以上あるGNSSの方が安定した精度を確保しやすいということは理解しておくといいでしょう。

GNSS衛星の種類

全世界をカバーする代表的なGNSSとしては以下の4種類が存在します。

• GPS：スマートフォンやタブレットの地図アプリなどで運用される米国の衛星システム
• GLONASS：ロシアが20年以上にわたって運用する衛星測位システム
• Galileo：欧州委員会が運用する、世界初の文民統制による衛星測位システム
• BeiDou：「北斗衛星導航系統」と呼ばれる中国政府が運用する、33基の衛星からなる衛星測位システム

また以下の衛星についてもGNSSの代表例として紹介されることが多いです。

• みちびき（QZSS）：主にアジア・オセアニアを対象に測地する日本の準天頂衛星システム
• IRNSS：インドが運用し、同国含む主にインド亜大陸を中心に測地する準天頂衛星システム

特に「みちびき」は日本の衛星ということもあり代表的な位置情報測位衛星として、多くのメディアで取り上げられています。

ただ上記の通り「みちびき」の測定範囲はアジアとオセアニアに限定されるため、地球の全地域を観測しているわけではないことには注意してください。

これらの特定地域の観測を行う衛星群は地域航法衛星システム（RNSS：regional Navigation Satelite System）とも呼ばれます。

衛生による位置情報の測位としては、さらに補強衛星群を利用して衛星測位の強度を高める非自律型システムである静止衛星型衛星航法補強システム（SBAS:Satelite-Based Augmentation System）も存在。

その代表としてはアメリカのWASS、欧州委員会のEGNOS、日本のMSAS、インドのGAGANなどが挙げられ、主に航空機向けの補正信号として利用されています。

出典：みちびきウェブサイト「みちびきの軌道」

GNSS測位方法と種類

単独測位

出典：国土交通省国土地理院　「GNSS測位とは」

単独測位は、GNSS衛星から送信される衛星の位置や信号送信時刻などの情報を1台の受信機で受信する際にかかった時間を測定して距離に変換する方式です。

この方式では4機以上の衛星からGNSSアンテナまでの同一時刻における距離を測ることで、観測点の位置を決定しています。

自動車や飛行機、船舶など交通機関のナビゲーションに利用する方式として広く普及しています。

ただ複数ある衛星ではそれぞれの位置誤差がでやすいこと、受信側は機材が1台しかないために電波の遅れなどの影響を受けやすいという無視できない問題が存在するので、無意識で単独測位のデータを使うのは避けるようにしましょう。

相対測位

出典：国土交通省国土地理院　「GNSS測位とは」

2台以上の受信機で同時に4機以上のGNSS衛星からの情報（衛星の位置や信号送信時刻など）を行うことができる方式を相対測位といいます。

先ほど紹介した単独測位とは異なり受信機が複数台存在するため、観測点での衛星の位置や信号送信時刻の誤差、対流層域や電離層遅延といった重大な問題を引き起こす要素を、受信機2点以上の観測値で差を用いることで共通誤差として消去できるようになっています。

相対測位には単独測位で用いるよりも高精度な信号である搬送波位相を活用。

分解能の高い信号と共通語差の消去により、10kmで1cmほどの誤差の精度で2点間の相対的な位置関係がわかるのが特徴です。

ただし高性能な受信機が複数台必要なためコストは高くつくのが難点となっているほか、技術的にまだ未熟な部分が多く提供できる企業・団体は限られます。

DGNSS方式・RTK方式

出典：国土交通省国土地理院　「GNSS測位とは」

明確な位置情報のある基準局と位置を求めたい観測点で同時にGNSS観測を行い、基準局で観測したデータを観測点にリアルタイムで送信し、基準局の位置成果に基づいて観測点の位置をリアルタイムに求める方式です。

この方式にはDGNSS（ディファレンシャルGNSS）方式とRTK（リアルタイムキネマティック）方式の2つの方式があり、それぞれ以下のような形で位置情報が決定されます。

• DGNSS方式：両点で単独即位を行い、基準局における位置成果と観測された座標値の値を求める方式です。誤差数m単位で位置が決定されます。
• RTK方式：両点で位相の測位を行い、観測データをコンピュータへ送信して位置の計算を行う方式です。最近ではクラウドで測位計算する方法もあり、誤差数cmで位置を決定できる精度の高さが特徴です。

ネットワーク型RTK測位

出典：国土交通省国土地理院　「GNSS測位とは」

衛星から得られた観測データを、民間の位置情報サービス事業者が電子基準点のリアルタイム観測データなどを用いて補正する測位方式をネットワーク型RTK測位方式といいます。

cm単位の測位を効率的に行えるため、数あるGNSS測位方式でも高い精度を誇っています。

現在はまだ提案段階のものも多いですが、すでに日本を含め数カ国で実用化されているものも存在します。

近年はスマホと連携して利用するRTK-GNSSレシーバーも増加しています。
マプリィの開発する「R1」もその1つで、アプリと連携して手軽に高精度なネットワークRTK測量ができるのが魅力です。

まとめ

衛星を使った位置情報というとGPSがあまりにも普及しすぎているため、他のシステムを意識しにくいかもしれません。

しかし実際は複数の衛星システムを用いて観測している場合も多く、衛星データを扱って地理空間分析する場合にはどの衛星システムを使っているかは、分析する上で重要です。

データダウンロード時に必ず確認するようにしましょう。

参考文献

国土交通省国土地理院　「GNSS測位とは」https://www.gsi.go.jp/denshi/denshi_aboutGNSS.html　（2024年6月15日閲覧）

ビジネスブログ「Future Stride」編集チーム「GNSSとは？ 高機能で安心・安全な社会環境を支える衛星測位システムを知ろう」ソフトバンク株式会社公式サイト　2023年5月11日https://www.softbank.jp/biz/blog/business/articles/202203/GNSS/#:~:text=GNSSとは全地球,衛星システムを指します%E3%80%82　（2024年6月16日閲覧）

KDDI株式会社「GNSSとは？GPSとの違いや仕組みを解説します」Smart Work コラム Vol.55 https://biz.kddi.com/content/column/smartwork/what-is-gnss/　（2024年6月16日閲覧）

「ガリレオとは?」GNSS asia https://japan.gnss.asia/european-gnss/galileo-programme/ （2024年6月16日閲覧）

「中国、衛星「北斗3号」打ち上げに成功 独自測位システム完成へ」 Reuters (2020年6月23日) https://jp.reuters.com/article/space-exploration-china-satellite-idJPKBN23U0X0　（2024年6月16日閲覧）