GPSチップとは
GPSチップとは、GPS衛星からの信号を受信するGPSアンテナを接続又は内蔵して現在位置を算出するための回路が組み込まれたチップです。
GPSは全地球測位システム (英: Global Positioning System) の略で、アメリカ国防総省が運用する測位衛星と通信して地球上の位置を特定しています。GPSを用いた位置情報の測定は日常生活でも欠かせない技術になっており、GPSチップは高精度化や小型化などの高性能化に向けた開発が積極的に行われています。
現在はGPS衛星だけでなく、ロシアのGLONASS、EUのGalileo、中国の「北斗」の4つの衛星システムを指すGNSS (英: Global Navigation Satelite SYstem) に加えて、インドのGAGANや日本の「みちびき」等の信号にも対応したものが一般的となっています。
GPSチップの使用用途
GPSは誘導ミサイルなどの軍事用として開発されましたが、民生向けの開放により船舶や航空機の航法支援に用いられるようになりました。
GPSチップが開発され小型化されたことで、現在はカーナビ、スマートフォンやタブレット等の携帯端末に使用されています。これによって地図アプリで現在位置や目的地へのナビゲーションを実現しています。
また、スマートウォッチなどのウェアラブルデバイスにもGPSロガーとして搭載されており、移動距離や歩数、移動履歴などを確認することができます。これらの他、宇宙ビジネスへの応用に向けた開発等も進められています。
GPSチップの原理
GPS衛星には原子や分子のスペクトル線が持つ周波数に基づいた非常に精密な時計 (原子時計) が内蔵されています。GPS衛星から発せられる信号は、この正確な時刻と衛星の位置情報が主に発信されています。
GPSからのGPSチップまでの信号の到達時間に光速を掛けるとGPS衛星からの距離が算出できます。すなわち、その時の距離を半径とした球面上のどこにGPSチップが有るのかがわかります。
これを複数の衛星で行い、全ての衛星からの球面が交差する点が現在地として特定されます。最低3つの衛星から情報を受信できれば位置を同定することができますが、受信した衛星の数が多いほどその精度は向上します。
衛星側は原子時計を搭載しているので非常に正確な時刻を発信することができますが、受信側のGPSチップには原子時計は搭載されていません。受信側では一般的なクオーツ時計が搭載されていますが原子時計ほどの精度が出せないため、最低でも4つ以上の衛星から受信して、x、y、z、tの4つを変数とすることで時刻の補正を行う必要があります。
GPSチップのその他情報
1. GPSチップの高精度化
光は1秒間に約30万km (3億m) を進むため、1,000万分の1秒の誤差でも30mの誤差となります。このような時間情報による誤差以外に、衛星の位置情報による誤差、電離層や大気中の水分の影響による誤差、建物や山の反射による誤差、受信できる衛星の数が少ないことによる誤差等がありますが、様々な方式で修正することで数m以内の誤差となっています。
近年はGNSSを用いることで誤差数10cmを実現し、日本版GPSの「みちびき」では天頂近くにあって受信可能な衛星数が増えるため、これをサポートするチップであれば数cmの誤差が可能となり、トラクタや田植え機などの自動運転に用いることが可能です。
2. GPSチップの小型化で搭載が実現したもの
GPSチップの小型化により、以下のものに搭載されるようになりました。
- GPSトラッカー
コイン程の大きさで様々なものに取り付けて位置情報を発信できる汎用タイプのGPSチップ搭載デバイスで、子供やお年寄り、障害者の方の衣服に取り付けて見守りに用いたり、犬の首輪や荷物等に取り付け対象の位置を確認するために使用します。2.7cmｘ2.7cmで16ｇという小型・軽量で3,000円程度で購入することが可能です。 - ドローン
GPSモジュールが小型で安価になったことから、GPS搭載のドローンも普及してきました。特に市販価格が大幅に下がってユーザーが購入しやすくなっています。4K高角HDカメラを装備するようなモデルでも大手通販サイトで1万円台前半で購入できるようになりました。
参考文献
http://www.ne.jp/asahi/nature/kuro/HGPS/principle_gps.htm
https://wirelesswire.jp/2011/02/35184/
https://www.amazon.co.jp/
https://c-smart.jp/item/detail/1_1_APWs6-C-ST-SB_1/SV001