GPSの精度はどれくらい?人流データを活用するために知っておくべきこと

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執筆者 片岡義明
GPSの精度はどれくらい?人流データを活用するために知っておくべきこと

スマートフォンの位置情報データは、端末に内蔵されたGPS受信機によって取得された位置情報をもとにしています。では、人流データとして活用されるGPSはどれくらいの精度で測位できるものなのでしょうか?

こちらの記事では、人流データを活用する為に知っておくべきGPSの仕組みと精度について解説いたします。

INDEX

衛星測位システムの概要と仕組み

 まず、衛星測位システムの概要と、どのような仕組みで測位しているかを解説しましょう。GPSとはGlobal Positioning System(グローバル・ポジショニング・システム:全地球測位システム)の略で、米国によって運用されています。地球全体をカバーする衛星測位システムには、米国のGPSのほかにもロシアのGLONASS(グロナス)や欧州のGaileo(ガリレオ)、中国のBeiDou(北斗)などがあり、これらを総称してGNSS(Global Navigation Satellite System:全球測位衛星システム)と呼びます。

なお、日本が運用するQZSS(準天頂衛星システム「みちびき」)や、インドが運用するNavIC(ナビアイシー)は地球全体をカバーしない地域限定の衛星測位システムですが、GNSSに含める場合もあります。

GNSS衛星は受信できる衛星の数が多いほど測位が安定するため、各国とも多くの測位衛星を運用しています。現在、頭上にどのような測位衛星があるのかを知りたい場合は、衛星配置表示アプリ「GNSS View」を見ればわかります。また、複数のGNSSに対応する「マルチGNSS受信機」を搭載したスマートフォンやカーナビも増えています。

GNSS(Global Navigation Satellite System:全球測位衛星システム)View
GNSS View 出典:みちびきウェブサイト(https://qzss.go.jp/technical/gnssview/index.html)

衛星測位の仕組み

 衛星測位は、人工衛星からの電波をスマートフォンなどのデバイスで受信することにより、受信した端末の位置を推定できるシステムです。ただし、衛星から送信された電波の中に位置情報が含まれているわけではありません。測位衛星から送信される電波信号には時刻情報や衛星の識別コードが含まれているだけで、位置情報を計算する処理は地上の受信機側で行います。

位置情報の計算は、衛星から電波が送信された時刻と、受信した時刻のわずかな差分をもとに衛星と受信機の直線距離を求めて、3つの測位衛星と受信機を結ぶ3本の直線が交差した点が地上の位置として求められます。なお、このとき受信機側の時刻誤差を補正する必要があるため、測位には最低4個の衛星が必要となります。

みちびき(初号機後継機)
みちびき(初号機後継機)出典:みちびきウェブサイト(https://qzss.go.jp/)

マルチパスの影響

 GNSSは、高層ビルなど高い建築物に囲まれたエリアや山岳地帯などでは電波が建物や山に乱反射するため、衛星と受信機間での距離測定に誤差が発生することがあり、この乱反射の現象をマルチパスと呼びます。ほかにも、宇宙から地上へ電波が到達するまでの間に遅延が起こったり、信号減衰やノイズの影響を受けたりと、さまざまな原因で位置情報に誤差が生じます。

 マルチパスによって誤差が生じる可能性があるため、GNSSによる測位は周囲に建物など遮るものが少ない環境のほうが誤差が少なく、正確な位置情報を得られる傾向があります。

また、GNSSは受信できる衛星の数が多いほど測位が安定する場合が多く、各国とも多くの測位衛星を運用しています。運用中のGNSS衛星の数は2023年2月28日現在で、GPSは28機、GLONASSは24機、BeiDouは44機(試運転中・検査中の機体は除く)、Galileoは23機、NavICは7機(時刻障害が発生した機体は除く)、みちびきは4機となります。

マルチパスの影響
マルチパスの影響 出典:みちびきウェブサイトhttps://qzss.go.jp/)

日本独自の衛星測位システム「みちびき」

 日本独自の衛星測位システムである準天頂衛星「みちびき」は、米国のGPSと互換性を持ち、GPS衛星の1つとして扱うことが可能で、日本を中心としたアジア・オセアニア地域においてGPS衛星を補完する役割を担っています。

GNSSにおいて位置を特定するために最低限必要な衛星の数は4機と説明しましたが、安定した位置情報を取得するためには8機以上の衛星が必要とされています。みちびきの衛星数は現在4機で、日本のほぼ真上に滞在する時間を長くするために、初号機と2号機、4号機については、赤道上空を周回する静止軌道に対して、数十度傾斜させた「準天頂軌道」を採用しています。準天頂軌道は、地球を止めた状態で見ると8の字を描くように動いて見えます。なお、みちびきの4機のうち、3号機だけは静止軌道を採用しています。

この準天頂軌道3機、静止軌道1機の4基体制により、準天頂軌道の3機が8時間ごとに順番に高仰角の位置に現れて、日本の空では少なくとも1機以上の衛星が常に仰角70度以上の天頂付近に位置することになります。これにより、高仰角からの電波送信が可能となり、マルチパスによる誤差が改善されることが期待できます。

また、衛星が特定方向に偏った状態で信号を受信するのではなく、広い範囲にまんべんなく配置されているほうが測位精度が高くなる傾向があるため、従来のGPSにみちびきが加わることで測位精度の向上も期待できます。

みちびきは今後、現在の4機体制から、7機体制の構築に向けて開発・整備が進められており、これにより測位精度がさらに安定し、GPSを除くみちびき単独での測位も可能となります。

GNSSの測位精度

 スマートフォンやカーナビに搭載されている単独測位の一般的なGNSS受信機では、精度の誤差は10~30mと言われています。ただし、カーナビアプリなどでは、地図上の道路の線をもとに位置を補正する「マップマッチング」などの処理を行うことで、より実際の位置に近い場所に表示位置を補正することができます。

一方、一般的なGNSSに比べて、より高精度な測位方式もあります。高精度測位の方式にはさまざまな種類がありますが、代表的なものとして以下のような技術があります。

RTK(リアルタイムキネマティック)測位

 位置が分かっている基準局(既知点)と観測点で同時に観測し、基準局で観測したデータを観測点にリアルタイムに送信することでセンチメートル級の誤差で測位することができます。また、電子基準点などのリアルタイムの観測データをネットワーク経由で受信機に送ることで補正することによりセンチメートル級の精度を実現する「ネットワーク型RTK測位」もあります。近年では、携帯電話キャリアがモバイルネットワーク経由で補正情報を送るLTE-RTKという方式も普及しつつあります。

CLAS/SLAS測位

 CLAS測位(センチメータ級測位補強サービス)は、日本が運用する準天頂衛星「みちびき」から送信されるL6信号を受信することでセンチメータ級の測位精度を実現する方式です。SLAS測位(サブメータ級測位補強サービス)は、みちびきのL1S信号を受信することで誤差1m程度の誤差で測位する方式です。いずれもRTK測位とは異なり、基準局を設置したり、ネットワークを使って補正データを受信する環境を整えたりする必要がなく、対応受信機だけで完結するため、ランニングコストがかかりません。

CLAS測位の仕組み
CLAS測位の仕組み 出典:みちびきウェブサイト(https://qzss.go.jp/)

まとめ

 いずれの測位方式でも、専用の受信機やアンテナが必要となり、スマートフォン単独で高精度測位を行えるデバイスはまだ登場していませんが、将来的には高精度測位をスマートフォンで利用できるのが当たり前になる時代が訪れるかもしれません。

以上のように、衛星測位は測位方式によって誤差が異なるため、衛星測位によって得られた位置情報を使った人流データを扱う場合は、そこに多少の誤差があることを前提に考える必要があります。

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片岡 義明

専門新聞社や出版社勤務を経て、1999年よりフリーランスライターとして活動。ITの中でも特に地図や位置情報に関することを中心テーマとして取り組んでおり、インターネットの地図サイトから測位システム、ナビゲーションデバイス、法人向け地図ソリューション、紙地図、オープンデータなど幅広い地図・位置情報関連トピックを追っている。測量士。インプレスR&Dから書籍「位置情報トラッキングでつくるIoTビジネス」、「こんなにスゴイ!地図作りの現場」、共著書「位置情報ビッグデータ」が発売。インプレスより書籍「パソ鉄の旅~デジタル地図に残す自分だけの鉄道記~」、共著書「いちばんやさしい衛星データビジネスの教本」が発売。地図と位置情報を中心としたニュースサイト「GeoNews」主宰。

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