航法衛星：宇宙のコンパス

古代から、方向を見つける方法は人間にとって最も厄介なことの一つでした。地上であろうと、森の中であろうと、草原であろうと、あるいは海の中であろうと、人々は自分がどこにいるのか、どこから来たのか、どこへ向かっているのかを知らないことが多い。おそらくこのため、「私は誰か?」という 3 つの有名な哲学的質問があるのでしょう。私はどこから来て、どこへ行くのでしょうか？

初期のナビゲーションシステム

人類の天文学的観測が深まるにつれ、星を航海に利用することが次第に一般的な方法となっていった。特に広大な海の上では、空の星とまばゆい太陽以外、ほとんど何も見えません。しかし、天文航法にも欠点があり、最も致命的な問題は精度の欠如です。帆船時代、船の移動速度は非常に遅く、正確さは生死に関わる問題となりました。なぜなら、もし数度方向が変わって本土の方向がわからなかったり、あるいは港に数日遅れたりしただけで船内の真水と食料が尽きれば、人々は死ぬ可能性があるからです。

そのため、航空宇宙技術の出現以降、人工衛星を使用して地球の大気圏内の人々にナビゲーションおよび測位サービスを提供することが強く求められるようになりました。世界で初めて実用化された衛星ナビゲーション システムは、ドップラー ナビゲーション技術を使用したトランジット システムでした。ドップラー効果はよく知られていますが、これは、人が電磁波の方向に移動すると、周波数が増加し、波長が減少するのを感じるというものです。逆に、周波数は減少し、波長は増加します。子午線システムは技術的には成功でしたが、測位精度が低い、測位に時間がかかる、装置が大きいため大型船でしか使用できないなど、依然として多くの欠点がありました。

もちろん、無線通信技術が発明された時代においては、システムの位置精度が低いために乗組員が飢えや渇きで死ぬことは必ずしもありませんが、それでも航行には大きな影響を及ぼします。特に、子午線システムは、車両や航空機のナビゲーションには使いにくいです。人々は依然として、ナビゲーションの精度と速度を向上させ、ナビゲーションの効率を高めるための、より正確で便利な手段が存在することを望んでいます。

現代のナビゲーション技術の原理

一般的に言えば、極度の軍事的ニーズだけが工学における大きな進歩を促進しますが、衛星ナビゲーション技術についても同じことが言えます。 1970年代、弾道ミサイル原子力潜水艦の航法問題を解決するために、米国海軍は世界をカバーする新世代の衛星航法システムを開発することを決意し、有名なGPSシステムが誕生しました。 GPS システムと交通システムの最大の違いは、プラットフォームの特定の場所を特定するためにナビゲーション コードが使用されることです。簡単に言えば、長い数字の列が電波に変換されて送信されます。この電波には衛星の識別情報と時刻情報が含まれています。受信機はこの情報を使用して衛星までの距離を計算します。

原理はこうです。電磁波の伝播にも時間がかかります。地表から20,200キロメートル離れたGPS衛星から発信された航法メッセージは瞬時に地球に到達しますが、通常は0.1秒もかかりません。しかし、高精度の電子システムでは、電波がどのくらいの距離を移動したかをメートル単位の精度で正確に計算できます。そして、幾何学の基本原理によれば、3 つの衛星からナビゲーション メッセージを取得すれば、受信機の特定の位置を計算できます。これが GPS ナビゲーションの基本原理です。その後に確立されたロシアのGLONASSシステム、欧州のガリレオシステム、中国の北斗システムはすべて同じ原理を採用しました。

もちろん、さまざまな電磁干渉要因が存在するため、3 つの衛星からの信号を計算して正確な位置を取得することは困難です。受信機は通常、正確な位置を計算するために 4 つ以上の衛星を必要とします。しかし、GPSの利点は測位速度が非常に速いことです。受信機の計算速度が十分に速ければ、リアルタイムの測位を実現できます。これは、自動車、高速鉄道、飛行機、ミサイル、さらには低軌道衛星などの高速移動物体にとって非常に重要であり、これらはすべて GPS を使用して位置を特定できます。

飛行機や低軌道衛星は比較的高い高度を飛行するため、12 個の GPS 衛星からの信号を同時に受信できることが多く、ナビゲーションに適した条件が整います。

ナビゲーションシステムが生活を変える

GPSシステムの応用により、中国の関連部門は全地球衛星ナビゲーションシステムの必要性を十分認識するようになった。中国は20年以上の努力を経て、徐々に独自の北斗衛星ナビゲーションシステムを構築し、地域システムから世界システムへと拡大し、世界4大衛星ナビゲーションシステムの1つにもなった。

現在、米国、ロシア、欧州の航法システムを含めると、宇宙には100基以上の航法衛星があり、昼夜を問わず地上に航法メッセージを送信している。これにより、人々が考えるべきもう 1 つの事柄も浮かび上がります。つまり、これら 4 つのコンステレーションのサービスが統合されると、ユーザーはより優れたエクスペリエンスを得ることができるのでしょうか。これを相互運用性と呼びます。現在、4つの主要なナビゲーションシステムは互換性と相互運用性を実現しています。最大の利点は、ユーザーがいつでも 4 つ以上のナビゲーション衛星を確認でき、ナビゲーション効果も当然向上することです。ほぼいつでも、携帯電話を取り出すことで正確な位置を知ることができます。

衛星ナビゲーションの導入は人々の生活に大きな変化をもたらしました。電子地図と組み合わせることでパーソナルナビゲーションサービスを実現し、歩行中でも運転中でも迷子になりにくくなります。モバイルネットワークと組み合わせることで遠隔監視を実現します。子供たちの手首に着けている子供用腕時計は、ナビゲーション衛星によって位置が特定されます。ナビゲーションは、無人システムのナビゲーション問題も解決し、ドローン、無人車両、無人船の長距離ナビゲーションを可能にします。感染症の流行中、多くの人々は買い物や食事の問題を解決するために宅配業者に頼らざるを得ません。衛星ナビゲーションを使用すると、宅配業者は購入者の位置を正確かつタイムリーに見つけることができます。

もちろん、衛星ナビゲーションは戦争にも大きな影響を及ぼしてきました。かつては破壊するために大規模な爆撃を必要とした目標も、今ではたった 1 発か 2 発のミサイルで除去できるようになりました。米国のGPS誘導砲弾は、その致死力を減らすために意図的に爆薬の装填量を減らす必要がある。精度が非常に高いため、標的の頭部を正確に攻撃することができます。たとえ力が小さくても、破壊することができ、誤って他人を傷つけたり、世論から批判されたりすることを避けることができます。

もちろん、ロシアとウクライナの紛争の勃発により、GPS システムと GLONASS システム間の連携は人為的に中断されました。しかし、中国人にとって、北斗ナビゲーションシステムのおかげで、ナビゲーションサービスは基本的に保証されています。