前回携帯電話を使用してGoogleマップに地図上の正確な位置を特定させたとき、 (Google Maps pinpoint your exact location)GPSがどのように正確に機能するのか、立ち止まって疑問に思ったことはありませんか。
全地球測位システム(Global Positioning System)（GPS）システムは、実際には1973年に米国国防総省(U.S. Department)によって(Defense)開始されました（ NAVSTARとして知られています）。1993年までに、地球を周回し、軍隊が航法やその他の軍事目的に使用できる軌道および位置データを放送する24個のGPS衛星がありました。(GPS)今日、この記事を書いている時点で、28があります。
1980年代には、GPS衛星から送信されたデータが一般に公開され、現在のさまざまなGPSナビゲーションデバイスの市場全体が開かれました。
この記事の執筆時点で、ロシア(Russia)、中国(China)、ヨーロッパ(Europe)、およびインド(India)はすべて独自のアクティブなGPSシステムを持っています。日本(Japan)は、2023年に運用を開始する予定の独自のGPSシステムを開発しています。(GPS)
GPSはどのように機能しますか？(How Does GPS Work?)
GPSが基づいている衛星技術は非常に高度ですが、システムの動作方法は非常にシンプルです。
個々のGPSナビゲーションシステムには3つのコンポーネントがあります。
- 衛星(Satellites)：GPS衛星は地球を周回し、(Earth)現在の時刻と軌道位置を地球の側面にあるすべてのGPS受信機に送信します。(GPS)
- コマンドセンター(Command Center)：コマンドセンターは、軌道データ、時間補正、および軌道上の衛星までの他の衛星の軌道位置を送信します。
- GPS受信機(GPS Receivers)：地球上の(Earth)GPS受信機は、範囲内の同数の衛星から軌道時間を受信し、少なくとも4つのGPS衛星の位置に基づいて地球上の自身の位置を計算します。(Earth)
GPS受信機は、三角測量と呼ばれる数学的原理を利用して、自身の位置を計算します。
GPS三角測量はどのように機能しますか(How Does GPS Triangulation Work)
地球上のどの地点からでも、 GPS(GPS)受信機（携帯電話にあるものなど）を持っている場合、GPS受信機は各(GPS)GPS衛星の頭上にある同期された時計からタイムスタンプを受信します。
GPS受信機は、タイムスタンプの違いと、電波が伝わる一定の光速を使用して、立っている場所から各衛星までの距離を判断できます。
これにより、GPS受信機に球の半径が提供され、衛星が中央に配置され、球の端に位置が示されます。
各衛星は地球上の予測可能な軌道を移動するため、受信機はすべてのGPS衛星の現在の既知の位置の保存された年鑑を使用して、これらの衛星が現在地球上のどこにあるかを判断できます。
各衛星の既知の位置、およびそれらの衛星とあなたの位置との間の測定された距離を使用して、GPS受信機は、これら3つの球の交点が(GPS)地球(Earth)の表面のどこに集まるかを決定することによっておおよその位置を計算できます。
次に、受信者はその場所を地図上に表示します。
3つの衛星が大まかな位置を示し、GPS受信機は、三辺測量と呼ばれる別の数学的原理を使用して地表の現在の高度を決定するために、別のGPS衛星からの4番目の信号を必要とします。
お使いの携帯電話のGPSセンサーがどのように機能するか(How Your Phone GPS Sensor Works)
今日のほとんどの最新のスマートフォンには、 GPS(GPS)受信機チップが搭載されています。このチップは、GPS衛星からの無線信号を受信できます。
お使いの携帯電話の時計は原子時計ではないため、その時刻は軌道上の衛星の原子時計と同期されていません。ただし、これらの衛星からの信号を使用して位置を計算する場合、これは重要ではありません。
これは、携帯電話のGPS受信機が、衛星から受信したデータと、(GPS)地球(Earth)上の既知の衛星位置のデータベースに焦点を合わせているためです。すべての衛星には原子時計が付いているので、各衛星の現在の時刻はいつでもまったく同じです。
ただし、衛星からの距離と、無線信号が光速で伝わるという事実により、受信した各タイムスタンプの違いにより、電話と各衛星の間の距離が明らかになります。
このGPSプロセスの仕組みは次のとおりです。
- 4つの衛星はすべて、午後5時12分14秒に同じ正確なタイムスタンプを携帯電話に送信します。
- お使いの携帯電話は、衛星1から5:12:15にそのタイムスタンプを受信します。
- 衛星2から5:12:16にタイムスタンプを受信します。
- 最後に、5：12：17に、衛星3からタイムスタンプを受信します。
これは、無線信号が衛星1から衛星1から2秒、衛星3から3秒でGPS受信機に到達するのに1秒かかったことをGPS受信機に伝えます。(GPS)
光の速度は、毎秒299,792,458メートルの既知の定数です。
簡単な計算を使用して、受信機はその距離が衛星1からおよそ30万メートル、衛星2から60万メートル、衛星3から90万メートルであると計算できます。
GPS衛星データベースのルックアップテーブルを使用して、お使いの携帯電話のGPS受信機は、3つすべての衛星の地球上のおおよその現在位置を認識し、3つすべての経度と緯度の座標を提供します。
その情報を使用して、携帯電話は地球上の独自の経度と緯度の座標(your own longitude and latitude coordinates)を計算できます。
GPS受信機は、既知の座標を使用して、GPS受信機と4番目の衛星の間で測定された距離を使用して、現在の地球(Earth)上の高度を判断できます。
アシストグローバルポジショニングシステムとは何ですか？(What Is An Assisted Global Positioning System?)
スマートフォンがGPS回路の統合を開始する前は、人々は通常、単3電池で動作するハンドヘルドGPS受信機を使用していました。(GPS)または、携帯電話のバッテリーに接続して走る車にGPSユニットを設置します。(GPS)
これは、無線通信がより多くの電力を必要とするためです。これの制限は、 GPS受信機が位置を計算するのに十分な(GPS)GPS衛星に「ロックオン」するまで数分待たなければならないことが多いことです。
スマートフォンメーカーは、セルラー三角測量の既存のテクノロジーを組み合わせることで、このバッテリーの制限を回避しました。携帯電話がGPS対応になる(GPS)ずっと(Long)前から、 GPS衛星 と同じ種類の三角測量タイムスタンプと距離技術を使用して、携帯電話の塔からの信号を使用して位置を三角測量することができました。
残念ながら、携帯電話の塔は地上にあるため、このナビゲーション計算の精度ははるかに低くなります。そのため、スマートフォンのGPSソフトウェアは、最初にセル信号の三角測量を使用しておおよその位置を決定し、衛星(GPS)GPSデータの準備ができたらその位置を更新します。
これにより、最新のスマートフォンは、位置情報の更新が必要な場合にのみGPSデータを使用してバッテリー電源を予約できます。これが、より正確なデータが利用できる場合に、Googleマップで(Google Maps)現在地(see your location)が新しい場所にジャンプすることがよくある理由です。
HDG Explains : How Does GPS Work?
The laѕt time уou used your phone to have Google Maps pinpoint your exact location on a map, did you ever stop and wonder how does GPS work so accurately?
The Global Positioning System (GPS) system was actually launched by the U.S. Department of Defense in 1973 (known as NAVSTAR). By 1993, there were 24 GPS satellites orbiting the Earth and broadcasting orbital and positional data that the military could use for navigational and other military purposes. Today, as of this writing, there are 28.
In the 1980s, data transmitted from GPS satellites were opened up to the public, which opened up an entire market for the wide assortment of GPS navigation devices we have today.
As of the writing of this article, Russia, China, Europe, and India all have their own active GPS systems. Japan is developing its own GPS system slated to be operational in 2023.
How Does GPS Work?
While the satellite technology GPS is based on is very advanced, the way the system operates is impressively simple.
There are three components to any individual GPS navigational system.
- Satellites: GPS satellites orbit the Earth and transmit their current time and orbital position to all GPS receivers on their side of the planet.
- Command Center: The command center transmits orbital data, time corrections, and the orbital position of other satellites up to the satellites in orbit.
- GPS Receivers: A GPS receiver on Earth receives orbital times from as many satellites within range, and calculates its own position on Earth based on the positions of at least four GPS satellites.
GPS receivers utilize a mathematical principle known as triangulation to calculate its own location.
How Does GPS Triangulation Work
From any point on the planet, if you’re holding a GPS receiver (like the one in your phone), a GPS receiver receives time stamps from the synchronized clocks on each of the GPS satellites overhead.
Using the differences in timestamps, and the constant speed of light at which radio waves travel, the GPS receiver can determine the distance between where you’re standing to each satellite.
This provides the GPS receiver with the radius of the spheres with the satellites at the center, and your location at the edge of the sphere.
Since each satellite travels in a predictable orbit over the earth, the receiver can use a stored almanac of the current known position of all GPS satellites to determine where, approximately, those satellites are currently located over the earth.
With the known position of each satellite, and the measured distance between those satellites and your position, your GPS receive is able to calculate your approximate location by determining where the intersection of those three spheres come together on the surface of the Earth.
The receiver then displays that location to you on a map.
Three satellites provide a rough location, and GPS receivers require a fourth signal from another GPS satellite to determine your current altitude on the Earth’s surface using another mathematical principle known as trilateration.
How Your Phone GPS Sensor Works
Most modern smartphones today come equipped with a GPS receiver chip. This chip can receive the radio signals from GPS satellites.
Your phone’s clock is not an atomic clock, so its time isn’t synced with the atomic clocks of the satellites in orbit. However, this doesn’t matter when it comes to calculating location using signals from those satellites.
This is because your phone’s GPS receiver is focusing on the data it receives from the satellites, and a database of known satellite locations over the Earth. Since all of the satellites do have an atomic clock, the current time on each satellite is exactly the same at any given moment.
However, due to distance from the satellite, and the fact that the radio signals travel at the speed of light, the differences between each received timestamp reveals the distance between your phone and each of the satellites.
Here’s how this GPS process works:
- All four satellites transmit the same exact timestamp to your phone at 5:12:14 PM.
- Your phone receives that timestamp at 5:12:15 from satellite 1.
- It receives the timestamp at 5:12:16 from satellite 2.
- Finally, at 5:12:17, it receives the timestamp from satellite 3.
This tells your GPS receiver that it took 1 second for the radio signal to reach it from satellite 1, 2 seconds from satellite 2, and 3 seconds from satellite 3.
The speed of light is a known constant of 299,792,458 meters per second.
Using simple math, the receiver can calculate that its distance is roughly 300 thousand meters from satellite 1, 600 thousand meters from satellite 2, and 900 thousand meters from satellite 3.
Using a lookup table from a GPS satellite database, your phone’s GPS receiver knows the approximate current location over the earth of all three satellites, which provides longitude and latitude coordinates of all three.
With that information, your phone is able to calculate your own longitude and latitude coordinates on the Earth.
Using your known coordinates, your GPS receiver can then use the distance measured between itself and a fourth satellite to determine what altitude above the Earth you’re located.
What Is An Assisted Global Positioning System?
Before smartphones started integrating GPS circuitry, people typically would use handheld GPS receivers that ran off AA batteries. Or they would install GPS units in cars, which ran connected to the phone’s battery.
This was because radio communication requires more power. The limitation of this is that you often had to wait several minutes for your GPS receiver to “lock onto” enough GPS satellites to calculate your position.
Smartphone manufacturers got around this battery limitation by combining its existing technology of cellular triangulation. Long before phones were GPS enabled, they could use signals coming from cellphone towers to triangulate your position, using the same sort of triangulation timestamp and distance technology as with GPS satellites.
Unfortunately, because cell phone towers are at ground level, this navigational calculation is far less accurate. So your smartphone GPS software will first use cell signal triangulation to determine your approximate position, and then update that position once satellite GPS data is ready.
This allows modern smartphones to reserve battery power by only using GPS data when those location updates are required. This is why you may often see your location on Google Maps occasionally jump to a new location when more accurate data is available.
