ドローンに使われているGPSはなぜ必要?【原理と仕組みについて解説】

ドローン

おはようございます!リョウタです。

ドローンの補助機能として、『GPS』は必須です。

みなさんもご存じの、あの『GPS』です!

『GPS』とはドローンが飛行している位置を、把握するために必ず搭載されている機能の1つです。

今日はみなさんが知っているようで、あまり知らないGPSについて解説していきます。

 

1つ目は『GPSの原理と仕組み』

 

2つ目は『GPSの高度の』

 

それでは、よろしくお願いしますm(__)m

 

 

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GPSの原理とは?【GPS衛星で位置情報を特定】

GPSの原理とは受信機と衛星のお互いの距離を『三角測量』で算出しています。

 

僕たちが暮らしている地球のはるか上空を、GPS衛星が高速で周回しています。

このGPS衛星からは常に『現在位置』そして『現在時刻』の2つ電波が発信されています。

GPS受信側(ドローンに搭載)が、GPS衛星から発信された電波を受信します。

すると、GPS受信側(ドローンに搭載)がGPS衛星から発信された電波伝送時間に伝送速度(光速)を掛け算し、受信側と衛星のお互いの距離を算出しています。

 

【三角測量の計算方法】

伝送速度(光速)【c】×GPS電波伝送時間【t】=距離【r】

 

さらに、地球の上空には4つのGPS衛星が存在していまして、GPS受信機(ドローン)と4つのGPS衛星が、三角測量の計算をもとに距離が繰り返し算出されます。

 

すると、4つのGPS衛星との距離から位置情報【座標(x,y)】が割り出されます。

 

GPSは正確な時間が必須

GPS衛星は正確な時間が必須です。

このため、GSP衛星には原子時計が搭載されています。

【原子時計(atomic clock)】

原子や分子のスペクトル線の高精度な周波数標準に基づき、最も正確な時間を刻む時計である。高精度なもので3000万年に1秒程度、小型化された制度の低いものでも3000年に1秒程度の誤差である。

引用元:Wikipedia

 

 

GPS衛星は、高度2万200kmの上空を秒速4kmを超えるスピードで移動しています。(地球上空を12時間周期で周回できる軌道)

 

めちゃめちゃ高速です。

 

もはや想像できません。(例えるなら、一瞬ですからね)

 

GPS衛星は超高速で移動するわけですが、正確な時間も必要とします。

 

 

 

 

ここで、クイズです!

Q.「高速で移動している物の時間はゆっくりと進む」は歴史上の誰の記述でしょうか?

 

Answer Time Start!

 

 

 

チクッタクッ

 

 

 

チクッタクッ

 

 

 

 

チクッタクッ

 

チーン!

正解!

かの有名なアルベルト・アインシュタインです。

 

アインシュタインによる『相対性理論』ですが、僕は聞いたことくらいはある程度でして、どんな内容?

 

までは、正直「・・・・・」です。

 

「光速度不変の原理」とかチンプンカンプン??

 

 

天才の考えることは、やっぱりスゴイ!としか言いようがない。

 

 

凡人には理解不能・・・『相対性理論』

 

 

『ウラシマ効果』とも言います。

光速度に近い超高速の宇宙船で、1年間の宇宙旅行に行くとします。

地球に帰還すると100年の年月(時間)が経過しているという現象です。

 

あれ?

 

なんだか某アニメの『精神と時の部屋』の逆バージョンみたいです。

 

スミマセン、脱線しました。話しを戻します。

ようは何が言いたいのか?

つまり、超高速で動くものが『GPS衛星』であり、地球上のGPS受信側(ドローン)と『時間の遅れ』が生じますので、相対性理論が無視できないよ~ということです。

このため、GPS衛星に搭載されている原子時計は『時間の進行速度が遅く設定』されています。

 

GPSの高度の決め方【ポイントは3つ】

GPSの高度の決め方のポイントは2つあります。

1つ目は『地球は球体ではなく楕円体である』

2つ目は『地形は山や谷があり凸凹である』

3つ目は『ジオノイド高の定義について』

この3つが影響します。

 

地球は『丸い球体』ではなく『楕円体』です。

GPS座標は、地球の重心に原点を持つ『3次元座標系』が用いられてます。

アメリカの国防総省が決定したものでして、『WGS84楕円体』と呼ばれています。

ちなみに、日本の測地系座標は2002年4月から『ITRF94』という地球標準座標に切り替わり『GRS80楕円体』と呼ばれる楕円体で地球方面を表しています。

なお、測量レベルに関してですが『WGS84』と『GRS80』は同一レベル。

差もほぼゼロと見なして問題なしです。

 

地形には山や谷といった凸凹があります。

地形には山や谷があり、凹凸が存在しています。

正確な高度を知るには地形の『起伏』を考慮し測定します。

 

 

ジオノイド高の定義とは?

日本における標高を決める基準があり、測量法では『平均海面』と定められています。

この『平均海面』は仮想的に陸地へ延長した面を『ジオノイド』と呼び、平均海面を基準に定義し、ジオノイド高は重力ポテンシャルで決まります。

GPS衛星の測位できまる楕円体の高さから、平均海面を基準としたジオノイド高の差で標高を求められます。

【標高の求めかた】

楕円体の高さジオノイド高標高