GNSSコンステレーションは、地球上のどこにいても、ポジショニング、ナビゲーション、タイミング（PNT）サービスをユーザーに提供するために連携する、調整された衛星群です。これらのコンステレーションは、最新のナビゲーションシステムのバックボーンを形成し、スマートフォンの位置追跡から、自律走行車の誘導、航空、海上運用、精密農業、科学研究まで、あらゆるものを可能にします。
GNSSコンステレーションは通常、慎重に計画された軌道で地球を周回する特定の数の衛星で構成されています。これらの衛星は、タイムスタンプ付きの無線信号を宇宙から送信します。GNSS受信機（スマートフォンの受信機など）は、これらの信号を受信し、信号の伝搬時間に基づいて各衛星までの距離を計算し、三角測量によって位置を特定します。この計算では、受信機は通常、緯度、経度、高度、およびクロック誤差を考慮するために、少なくとも4つの衛星からの信号を必要とします。
現在利用可能なコンステレーション
現在運用されている主要なGNSSコンステレーションがいくつかあります。
- GPS（Global Positioning System） – 米国が運用するGPSは、最初に完全に機能したGNSSでした。高度約20,200 kmの中地球軌道（MEO）を周回する少なくとも24個の衛星で構成されています。1990年代に運用を開始し、世界中のユーザーが引き続き利用しています。
- GLONASS – ロシアによって管理されているGLONASSも、MEOで動作する24衛星のコンステレーションです。GLONASSはグローバルカバレッジを提供し、特に軌道構成が有利な高緯度地域では、GPSと連携してパフォーマンスを向上させることがよくあります。
- Galileo – これは、欧州宇宙機関（ESA）が開発した欧州連合のGNSSコンステレーションです。高精度のポジショニングを提供し、GPSおよびGLONASSと相互運用できるように設計されています。Galileoは、政府機関向けの暗号化サービスや、一般向けのオープンサービスなどの独自の機能を提供し、一部のアプリケーションではセンチメートルレベルまでの位置精度を実現します。
- BeiDou – 中国衛星ナビゲーション事務室が開発した中国のGNSSは、地域システムからグローバルシステムへと進化しました。完全なコンステレーションは2020年に完成し、現在ではMEO、静止軌道、および傾斜対地同期軌道にある30個以上の衛星で世界的なカバレッジを提供しています。
GNSS コンステレーションはどのように機能するのか？
エンジニアは、ユーザーが地球上のどこからでも常に複数の衛星を見ることができるように、衛星を分散させることで、継続的なカバレッジを提供するようにGNSSコンステレーションを設計します。これには、高度、傾斜、間隔などの軌道パラメータの慎重な計画が必要です。ほとんどのコンステレーションは、カバレッジエリア、信号強度、衛星の寿命のバランスが取れているため、中地球軌道を使用します。
複数のGNSSコンステレーションを使用すると、精度が向上し、信頼性が高まります。GPS、GLONASS、Galileo、BeiDouからの信号を同時に受信できるデバイス（マルチGNSS受信機として知られています）は、特に都市部の峡谷、森林、山岳地帯などの困難な環境で、より迅速かつ正確に位置を計算できます。
GNSSコンステレーションには、衛星を継続的に追跡し、更新されたデータをアップロードし、システムの整合性を維持する地上管制局と監視ネットワークも組み込まれています。これらのネットワークは、正確なタイミングとポジショニングを保証し、衛星のパフォーマンスの異常を検出します。
基本的なPNT機能に加えて、最新のGNSSコンステレーションは高度な機能をサポートしています。これらには、航空などのアプリケーションの精度と整合性を高めるWAAS（米国）、EGNOS（ヨーロッパ）、MSAS（日本）などの拡張システムが含まれます。一部のシステムは、遭難者を特定するのに役立つ捜索救助（SAR）機能も提供します。
要約すると、GNSSコンステレーションは、衛星と地上インフラストラクチャのネットワークを使用して、グローバルなポジショニングとナビゲーションを可能にします。複数のシステムの組み合わせを使用することで、ユーザーは精度、堅牢性、および回復力の向上というメリットを享受でき、GNSSは無数の最新テクノロジーと産業に不可欠なものとなっています。