GPS衛星からの信号は光より遅い

電離層や大気圏の影響

GPS信号が遅れる理由


図1　電離層や対流圏による減速や屈折が発生するため，GPS信号は真空中の光速では到達しない．光速度不変という原理は真空中だけの話．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］樋田啓詳細:自動運転＆SLAMロボット開発要点100【セッション5】cm測位「キネマティックGNSS」の始め方

図1　電離層や対流圏による減速や屈折が発生するため，GPS信号は真空中の光速では到達しない．光速度不変という原理は真空中だけの話．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］樋田啓
詳細:自動運転＆SLAMロボット開発要点100【セッション5】cm測位「キネマティックGNSS」の始め方

GPS測位で重要なのは，GPS衛星から発せられた信号が地表の受信機に到達するまでの時間です．この到達時間を基に，距離や位置を計算します．信号は光速で伝わると理解されがちですが，実際には真空中とは異なり，地球の大気を通過する過程で光速が低下する現象が生じます．

光は真空中では秒速約299,792,458mで進みます．これが「光速度不変の原理」と呼ばれるものです．しかし，物質中ではこの速度は低下します．光の速度は屈折率に反比例して変化し，比誘電率や比透磁率の影響を受けます．たとえば，光ファイバ内では光速が真空中の約3分の2にまで遅くなります．

GPS信号は，地上約20,000kmのGPS衛星から地表まで届きます．その途中には，電離層や対流圏といった空間が存在します．これらの層は真空ではなく，光速の減速を引き起こす原因です．

電離層は高度約60km?800kmにあり，太陽放射の影響で空気中の分子がイオン化し，電子が大量に存在する領域です．この電子は電波に対して屈折や遅延の原因となり，信号が本来の速度よりも遅れてしまいます．

対流圏は地表から高度約11kmまでの大気層で，水蒸気や空気分子が密集しています．ここでも信号は光速より遅く進みます．このような理由により，GPS信号は真空中の光速では計算できない遅延を伴って観測点に届きます．

GPS測位では，電波の到達時間から距離を計算するため，わずかな遅延も誤差につながります．特に電離層での影響は変動が大きく，時間帯や太陽活動により異なります．高精度な測位を実現するためには，これらの遅延を補正する技術が重要です．

このように，大気圏の影響を考慮することで，GPS測位の精度を高めることが可能です．

電離層とは，高度約60kmから800kmの範囲に存在する大気層で，太陽の紫外線やX線によって空気中の分子がイオン化され，自由電子が発生する領域です．電波はこの電子の存在によって屈折や反射を受けるため，通信や測位において重要な役割をもちます．

GPS信号もこの電離層を通過するため，電子密度の変化によって速度が低下します．特に，昼夜で電子密度が変化しやすく，太陽活動の影響も受けやすいため，遅延量が一定でないという問題があります．

電離層内の電子は，電波の進行方向を曲げる作用をもちます．これにより，電波は直線的には進まず，わずかに屈折しながら進みます．また，伝搬速度が低下することで，到達時間が延びます．この遅延を補正しないと，GPS測位に数m単位の誤差が生じる可能性があります．

これらの技術によって，電離層による誤差を抑えることが可能です．

電離層はGPS測位にとってもっとも大きな外乱要因の1つです．電子密度の変動による遅延や屈折の影響を受けるため，常に補正処理が必要です．精度の高い測位を実現するためには，電離層の性質を理解し，適切な補正手法を選択することが欠かせません．

〈著:ZEPマガジン〉