衛星航法システム（えいせいこうほうシステム）とは、衛星航法のシステムを指す。衛星航法とは、複数の航法衛星（人工衛星の一種）が航法信号を地上の不特定多数に向けて電波送信（放送）し、それを受信する受信機を用いる方式の航法（自己の位置や進路を知る仕組み・方法）を指す。システムは航法衛星群とそれらを管制する幾つかの地上局から構成される。日本では「衛星測位」及び衛星測位システム（えいせいそくいシステム）と呼ぶことが多い。草分けは軍用のトランシット (人工衛星) である。現在の身近な用途はカーナビゲーションであるが、他にも船舶や航空機の航法支援、建築・土木では測量やICTブルドーザーの制御などに用いられている。衛星航法システムの構築と保有は、財政的に比較的余裕のある工業国にとって、長期的な安全保障と社会の利便性向上の観点から重要政策と位置づけされることがある。それは電波航法が主流であったときから続く一般論である。衛星航法のシステムを指す公式な用語としては、英語圏と日本ともに、「航法衛星システム」"navigation satellite system(s)" (NSS) が用いられる。その衛星を「航法衛星」"navigation satellite" と呼ぶ。一般の間では「衛星航法システム」"satellite navigation system(s)" も多く使用される。ただし日本では「衛星測位システム」と呼ばれることも多い。また「航法衛星」を「測位衛星」と呼ぶことも多い。英語圏と日本ともに，「全地球航法衛星システム」または「汎地球航法衛星システム」"Global Navigation Satellite System(s)" (GNSS) という用語が用いられる。国土地理院が定める公共測量に係る作業規程の準則においては、従来の「GPS測量」の用語に代えて、2011年4月からは「GNSS測量」の用語を使用するように改訂された。全地球を利用可能範囲とするシステムを「全地球航法衛星システム」(GNSS)、特定地域向けのシステムを「地域航法衛星システム」(RNSS) と呼んで分類する。全地球的システムでは、中地球軌道すなわち地上高度2万 km前後の赤道面に対して55度から65度ほどの傾斜を持ったほぼ円形の3つや6つなどの軌道状に等間隔になるよう衛星が配置されている。特定地域向けのシステムでは、赤道を中心とする8の字状の軌道が構想されている。代表的な機能は、衛星航法システムの電波を受信することで地表面上や空中で自らの位置を知ることであるが、それ以外にも幾つかの機能が実現できる。すべての衛星航法システムに備わっているのではないが、以下のような特殊な機能を持つシステムがある。formula_6複合的なシステムも含む。アメリカのグローバル・ポジショニング・システム (GPS) は最大32機の6種類の異なる軌道平面の中地球軌道衛星によって構成される。1978年から運用され1994年に全地球上で常時使用できるようになった。GPSは現在世界中で最も普及している衛星航法システムである。ヨーロッパ共同体とヨーロッパ宇宙機関は2002年3月にガリレオと呼ばれる独自の全地球航法衛星システムを導入する事で合意した。予定では24億ポンドで30機の中地球軌道の衛星によって2010年から運用する予定だった。財源などの課題により運用開始は2012年の予定になった。最初の実験衛星は2005年12月28日に打ち上げられた。ガリレオは近代化されたGPSと共存性・相互運用性が確保される見込みである。ソビエトと現在のロシアによる正式名称"GLObal'naya NAvigatsionnaya Sputnikovaya Sistema"（全地球航法衛星システム）またはGLONASSは完全に機能する航法衛星だがソビエト連邦の崩壊により荒廃に陥って一部の地域で部分的に運用されていた。なおこれは航法衛星システムの維持がいかに財政的な裏付けを必要とする困難な事業であるかを語っている。2010年9月にはGLONASSは完全に復旧した。（24機中24機が運用中である。）中国は"北斗"と呼ばれる地域衛星航法システムを拡張することで2020年までに全地球規模で測位できるようにする。計画は"コンパス"と中国の公式の報道機関である新華社で呼ばれる。コンパスシステムは30機の中地球軌道の衛星と5機の静止衛星から構成される。中国の地域航法衛星システムで全地球規模のCompass ナビゲーションシステムへ拡張中。Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite (DORIS) はフランスの衛星測位システムである。Indian Regional Navigational Satellite System (IRNSS) はインド政府の下でインド宇宙研究機関によって現在開発が進められている衛星航法システムである。2006年5月に政府は計画を承認して2014年に完成して運用を始める予定である。7機の航法衛星から構成される。7機の衛星は全て静止軌道から地域の地図情報を送信する。天候に関わらず7.6m以上の精度でインドとその周辺のおよそ1,500 kmの地域を網羅する。最終目標はインド全域で端末も全てインド製になる予定である。準天頂衛星システムQuasi-Zenith Satellite System (QZSS) は日本で構築中の3機の衛星が交代で待機するシステムでGPSを補完する。2010年9月11日に技術実証のための準天頂衛星初号機みちびき (QZS-1) が打ち上げられた。衛星側から利用者側への情報の流れは、2010年現在の航法衛星システムのすべてが、一方向の電波によるダウンリンクのみで実現されている。航法信号は、衛星メッセージとコードの2つを重ねて多重化したデジタルデータで搬送波を変調して生成される。このデジタルデータは衛星時刻と高度に同期している。衛星メッセージはコードを排他的論理和 (Exclusive-Or) によって変調することで両者は多重化される。この多重化されたコードを元に搬送波がスペクトル拡散による変調を受けて送信すべき航法信号が生成される。一般にはコードは擬似ランダム雑音 (Pseudo Random Noise; PRN) を使って生成される。擬似ランダム系列の信号は、開始位置の時刻を定めておけば、復調時にその生成時刻を知ることができる。航法衛星は航法信号生成の基準として原子時計を搭載している。航法衛星搭載の原子時計には、時計バイアスの短中期的変動予測が規定誤差内に収まる品質が求められ、宇宙空間で長期に亘る稼働を続ける信頼度が求められる。一般に航法衛星には複数個の原子時計を搭載し、そのうちの一つを動作させるが、寿命等による信頼度低下が地上局での監視により限界を超えると判断された場合は停止させ、残りの原子時計の一つへ動作切り替えを行う。搭載している全ての原子時計が劣化した場合には、その航法衛星は退役とする。米国のGPSでは衛星搭載原子時計の高い技術と運用実績を持ち、寿命限界の近くまで原子時計を動作させることも行われている反面、予期せず急速に劣化する事象への対処が遅れ、利用者への通知が遅れるトラブルも発生している。ディファレンシャル測位もしくはディファレンシャルGNSS (DGNSS) と呼ばれる。各衛星からの航法信号送信時刻に関わる精度阻害の程度のうち、系統誤差に分類される要因（衛星の天体暦と原子時計の誤差及び大気遅延）によるものを合わせた寄与（和）はおよそ1から7mに相当する範囲にある。これを補正情報として利用者へ伝送すれば、測位計算の際に系統誤差だけは相殺でき正確な測位に近づけることができる。補正情報は、位置情報が既知である地上に固定された基準局受信機における各衛星の測定値を用いてほぼ実時間的に生成し利用者へ伝送する。陸域では誤差が1cm以下の高精度補正情報を基準局網から生成することが日本国内では既に行われている。なおランダム誤差については補正情報（ディファレンシャル測位）によっては除去できない。測位の精度阻害の程度は、各阻害要因からの誤差の総和で決まってくる。誤差の統計的性質は系統誤差とランダム誤差とに分類される。ここでは単独測位の場合の各阻害要因を取り上げる。信号基準である衛星時計の時刻ずれ（バイアス）は、その中長期的変動値の情報が航法衛星から送信され、利用者側で補正計算を施す。しかし、このバイアス補正値には多少の誤差が含まれ、また短期的変動については補正されない。最終的には、ほぼ確実に5 ns（距離に換算して1.5 m）以内にバイアスは補正される。航法衛星から送信される、その天体暦（軌道座標）の情報には、多少の誤差が含まれる。これの誤差は視線方向成分がほぼ1.5m以下となる。大気の屈折率は大気中を伝播する衛星電波信号の伝播遅延を生じ、これを大気遅延と呼んでいる。衛星航法システムではおおよその推定値を利用者へ伝送し、利用者はこれを用いて大気遅延の影響を取り除く測位計算の処理をおこなう。また大気遅延の大きさは衛星視線方向が低仰角になるほど増大するが、この遅延量は通常は、天頂方向遅延に仰角依存性係数（傾斜係数）を乗じた形を用いてモデル化される。大気遅延の推定誤差は測位座標へ誤差を生じさせる。この大気の屈折率を決める大きい要因は、大気を構成する気体中の電離電子の量である総電子数 (total electron content, TEC) であり、電離電子は主に電離圏及びプラズマ圏に存在する。電離電子に起因する伝播遅延を指して習慣上、電離圏遅延と呼んでいる（天頂方向ではおよそ2mから20mに相当する遅延となる）。TECは太陽黒点活動、季節変化、日変化、高度と位置による変化があり、これを高精度に推定することは容易ではない。GPSで利用者へ伝送される電離圏天頂遅延値の推測値に含まれる誤差は距離に換算しておおよそ1.5 m以下であるが、これを超えることもある。電離圏遅延の傾斜係数は仰角30度ではおよそ1.7、仰角20度ではおよそ2.1の値となる。中性大気とは大気中の電離電子を排除して考えた大気成分を言い、主に対流圏及び成層圏に存在する。この中性大気成分も屈折率を生ずる。中性大気に起因する衛星電波信号の伝播遅延を指して習慣上、対流圏遅延と呼んでいる（天頂方向ではおよそ2mに相当する伝播遅延となる）。中性大気はさらに気体としての水（水蒸気）とそれ以外の気体成分とへ二分でき、湿潤成分及び乾燥成分と呼ばれる。対流圏遅延のうち湿潤成分による伝播遅延はおよそ10%以下であり（湿度：水蒸気分圧の寄与）、すなわち天頂方向遅延は0mから0.2mの範囲にある（したがって±0.1mの誤差）。利用者受信機においては乾燥成分に比べ湿潤成分の屈折率を高精度に推定することは容易ではなく、測位座標へ誤差を生じさせる。これらの対流圏遅延の傾斜係数は仰角30度ではおよそ2.0、仰角20度ではおよそ2.9の値となる。航法信号は衛星のアンテナから受信機のアンテナまで直接到達することを前提に衛星航法システムは構築されているが、電波が地面や建物のような面に反射してから受信機のアンテナに到達するマルチパスが起きると、測定精度は大きく低下する。カーナビのような移動体での大きな誤差の主な原因として考えられているが、個別に対処するだけであり容易に解決できない。マルチパスによる誤差はランダム誤差の性質を持つ。受信機及びアンテナの作りによっては、誤差の大きさは数十mを超える場合がある。測量用に用いられる受信機及びアンテナではマルチパス誤差軽減の技術が進んでおり、ほぼ数m以下に軽減されている。しかし普及型の受信機及びアンテナではこのような技術の採用は困難とされている。対共産圏輸出統制委員会(COCOM)規制の名残で高度以上、速度1,900km/h以上では大陸間弾道ミサイルのような用途への搭載を防ぐために使用できない。受信アンテナの形状に応じてアンテナ平均位相中心が変わるため、フィールド研究のような精密な測量を行う場合には、キャリブレーションが必要になる。2010年現在運用中、もしくは運用の現実化がある程度期待される全地球航法衛星システムとして、GPS、GLONASS、ガリレオ、北斗の4つがあり全てが稼働すると100機以上の航法衛星が運用されることになる。また、地域航法衛星システムとしてIRNSSや準天頂衛星システムも計画されている。このような航法衛星システムの構築と維持には多額の経費が掛かるため、特定の国家や軍組織が関与する割合が高い。利用者側の立場から考えれば、GPSに限らず複数の航法衛星システムを1つの安価な受信機で測位に使用できれば可用性もしくは利便性や冗長性が向上が期待できる。具体的には、空が開けていない場所等の条件下でも、利用者受信機が可視衛星（さらには精度阻害の小さい可視衛星）を4機以上受信できる可能性が増大することになる。また利用者にとって、特定の1つの航法衛星システムだけに頼って永続的なサービスの受益を期待することには不安が付きまとう。例えば、GPSは、航法衛星の長期運用の優れた技術を有しているが、その反面、寿命リスクが高まるぎりぎりまで衛星の更新を遅らせる傾向も見られ、利用者の立場では信頼度低下及び衛星数減少の不安も若干生じている。ただし上記の複数の航法衛星システムは互いに独立して運用中、または運用が計画されており、軍用/民間用の種別や有料/無料の種別や使用周波数帯を含めた電波特性や基準系、時系、信号構造、コードも含めて、ほとんどが異なる仕様に基づいているため、共用受信機の設計においてはそれぞれの仕様を取り込む必要がある。しかし、今後計画されているGPS Block III 衛星及びガリレオ衛星については、そのL1C信号の仕様について相互運用性が確保されており、共用受信機の設計は容易である。したがって両システムが稼働すれば利用者にとってあたかも現状の2倍すなわち50機以上の航法衛星を持つ全地球航法衛星システムとして利用できることが期待され、特に都市ビル街など天頂方向しか空が開けていない場所での可視衛星数の増加に劇的に寄与する。なお準天頂衛星システムの航法衛星（1機、もしくは3機体制を計画）はGPSと統合運用を前提に設計されており、従って共通化されたL1C信号を送信するので上記の衛星群（50機以上）に加えて利用できる。ただし信号共通仕様化がそれほど完全でなくても、各国の航法衛星システムの航法信号は中心周波数の共通化（L1周波数及びL5周波数）、共存性の確保、CDMA方式の採用、変調帯域幅のおおよその共通化、及びこれらの信号の民生使用開放が行われる見通しであり、多数の航法衛星システム信号に対応し100機以上の航法衛星に対応可能な安価な受信機も作り易く、将来は普及することが見込まれている。最近では一般向けのGPS受信機（L1周波数）もGPS, GLONASS, SBAS, QZSS対応のICチップの発表が始まっている。iPhone 4S にもQualcommの MDM6610 が搭載され、衛星測位の受信機機能を担っている。NEYRPIC ACS 450はアルストム社が開発した衛星追跡システムでLバンドからKuバンドの帯域の周波数をカバーする。走行中の車両から正確に赤道上に位置する任意の静止衛星にパラボラアンテナを向ける事が可能である。GSMとW-CDMA携帯電話でGPS信号を組み合わせることによってより高精度に短時間で位置情報を提供する事が出来るシステム。異なる規格の複数の測位システムを使用してより高精度に測位する。GPS信号を受信することによって着陸を支援するシステム。着陸支援設備の整備されていない空港で視界の悪い状態で従来であれば着陸を断念しなければならなかったような気象状況においても従来よりも高精度で進入、着陸することが出来る。また、着陸支援設備が災害等で被害を受けた場合でや未整備の地域でも効果を発揮する。

出典:wikipedia