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知ってるようでしらなかったGPSの仕組み

By 2020年8月23日No Comments

以前こちらのブログ「my new toys」で見せたラズベリーパイの画像にはGPSモジュールが上から接続されている。
ラズベリーパイは小型パソコンみたいなもので今回のようなデバイスや一般的にカメラを付けたりして電子工作を楽しむ要素がある。
プログラミングの勉強といえば一般的にソフトウェアをいじったり作ることを指すが、こちらは物理的でハードウェア側からマシーンをいろいろ触ることができる。
これをどうネットとつなぎ合わせて遠隔の機械・PCとつなげてデータを取ったり操作ができるかがもしできれば
いわゆる「IOT」の世界を自分で作って体験することができる。

IOTとは(wikiより)

モノのインターネット(物のインターネット[1][2]、英: Internet of Things:IoT)とは、様々な「モノ(物)」がインターネットに接続され(単に繋がるだけではなく、モノがインターネットのように繋がる[3])、情報交換することにより相互に制御する仕組みである[4][5]。それによるデジタル社会(クロステック)の実現を指す[6][7][8]。現在の市場価値は800億ドルと予測されている[9]。経済産業省が推進するコネクテッドインダストリーズやソサエティー5.0との関連でも注目を集めている[10]。近年ではIoTに次ぐ技術として、ヒトのインターネット(Internet of Human:IoH = ヒトがインターネットと繋がる)[11]、能力のインターネット化であるIoA[12](Internet of Ability)が言われている。

これでみると次ぐ技術と言われてるものもデバイスを何個も持ち歩いたり身に纏っていたり、だいぶ実現してると思える。

で、前々から気になっていたのがGPS。

これすごいなーと思ったきっかけはは何年も前に海外に行った時のこと、現地の通信キャリアとは契約しておらずSIMも利用していないため持っていたスマホはネットにつながっていない。それでもgooglemapを開いたら以前ネット接続時に残っていた地図の上に現在地が示されているではないか。

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眉を潜めてさらに覗き込んでみると、やはりネットには繋がっていないので地図の更新ができない、でもGPSは地図上で動き続ける。詳細の道などは見れないが海外の国の地形やその国の大体のどのへんかまではわかるのだ。

すげえ。今書いていて気になってみたら地図はダウンロードできるらしい。「ダウンロードしたエリアをオフラインで見る」上の体験談ではGPSがリアルタイムで動いて地図がオフラインのため荒い情報しか使えないということだったが事前に詳細の地図をダウンロードしておけばネットに繋がっていなくても詳細の地図とGPSを組み合わせてみれる。

で当時GPSはネットに繋がっていなくても情報を取得することができる。ということに衝撃をうけた。

wifi/bluetooth/通信キャリアくらいは日常の利用で存在を知っていたがGPSアンテナと電波は別個にあるということ。キャリアは規制の問題などからvisaのようなグローバルカンパニーが運営してはおらず国ごとの事業者と契約が必要だったり(国内キャリアが繋いでくれたりはするがべらぼうに高い)制約があるイメージだったのにGPSにはそのような国境が基本的にない。さらに通信キャリアが必要ないということはつまり無料で得られる情報だというのもカーナビが高額なイメージがあったので驚いた。

また当時東南アジアなどの新興国ブームでも韓国や中国に押されていた中で今でも世界の建設機械シェア2位の小松製作所がGPSを搭載し世界中の稼働中の建機の情報を集めて地域ごとのニーズやマーケットを可視化できた。盗難被害を減らし保険料を下げることができたという効用もあったそう。とうような話をテレビ番組のニュースか特集で知ってとてつもない情報の独自性と優位性やなと思った記憶もあった。

その他の理由もあって初めてのラズベリーパイのデバイス拡張は王道のカメラではなくGPSモジュールから入ることにした。

自分で用意したマシンが地球上の衛星と繋がるだなんてなんてロマンがあるんや。

ラズベリーパイにGPSモジュール設置

GPS・位置情報という重要で貴重な情報を電源とマシンさえあれば無料で自由に世界中で基本的には使えるようになるということは、ラズベリーパイを触ってみる体験にさらに機械にGPSを取り付ける経験と合わせて自分のアビリティを向上させるにはとても都合の良いやる気のでるテーマだった。

めちゃめちゃ設定つまづきまくったけど。ただ情報とるだけのことで何度も数え切れないほど。どえらい時間がかかった。意味のわからんコマンド書き写してエラーして直すための情報ネットで探して試しての繰り返し。ただでさえプログラミングわからへんのにマニュアルのコマンドに誤字があったのも地獄だった。まさかそこにあるとは。

最近自分対して疑問を抱くのは自分のあまりのつまづきの多さに本当にプログラミング向いてないなとか、期待しない結果に対して殺気を抱くほどの怒りを感じたり、抱きながらずっとやることがあるくせに何時間でも時間を忘れてやれること。自己理解のためには重要なポイントな気がするので改めてするとしてメモがわりに自分独自の好奇心と目的達成の意味、あと時間が立つほどに理解が進むので他の作業を入れずに没頭しやすくなる。無理ゲーといわれる難関ゲームにイラつきつつもはまってしまってる人の感覚にも近いのかもとその類のゲームは絶対やりたくない自分が考える、勘違いだとしても少しの進展と仮説ができると試したくなるの連続。

でまあ、なんとかして全く動かなかったターミナルの真っ黒い画面にどばばばばばばばーーーー!と英文字と数字が次から次へと流れるように表示されていった。

うわ。きた。電波はキャッチできてるぽいぞ。最初はデバイス繋いだらすぐ表示されるのを期待していたのだが、やっとの思いで進展が。

でも思っていたのと違った。

緯度と経度を出してくれると思っていたら出てくる文字はなんやら難解そうな数列ばかり。流れる文字列に絶望。わいの力ではここまでやと。

せめて緯度経度が見れたらGPSを利用できたとかっこうだけでも思えたのに。流れてくる文字列はNMEAフォーマットの情報。
参考サイト「GPSのNMEAフォーマット

今見たら読み方わかるし、使用している衛星数からなんと海抜までみれるので驚いている。ちなみに今計測してみたら9つの衛星をつかっていた。

当時はこれが何すらもわからないので解読すらできず、GPSの緯度経度をみやすく表示してくれるフォーマッターをいれてなんとか見れるようになった。とりあえず普段使用し知ってるつもりだったGPSを全く知らないことがわかった。

まずはGPSがみれる仕組みから辿ることにした。それがまた奥深い。利用者数や世の中の貢献度合いからすると簡単な仕組みだけでも義務教育か必須科目で教えてくれててもえんちゃうかな。そうならないのは軍事などのセンシティブな面もあるのかもしれない。

GPSについて

正確な情報は自分で調べて欲しい。
印象に残った点をいくつか

測位する方法

衛星と受信機とで通信してるのはなんとなく知ってたけど、繋がったタイミングで位置情報がくるのかとおもったらそうではなくて、衛星につんである正確な原始時計なるものからなんと「時間」の信号が送られているそうな。発進時と受診時の差から距離を出しなおかつ、2機目の衛星、3機目とつなげばその差分から位置情報が2次元的、3次元的なものへと精度が増す仕組み。

位置情報を送られてきてるわけではないんや。とまた割り出しかたに納得感。今では当たり前のように正確な位置を示してくれるけど約30ほどの衛星があってその中のいくつかと複数情報をとることで得られる。上記に書いたように今日見た使用衛星数のデータをみると9つもある。

軍事目的で作られた

インターネットの発祥も軍需からだというのは有名だけれど御多分にもれずこちらもそう。GPSはアメリカが運営している。さくっと誰でも使えてすでに正確ではあるが私たち民間が使っているGPSと軍事利用とは精度がまた違い、軍事利用では誤差は数センチレベルで移動車両だけでなくミサイルなどの精度にも関わる部分。レーザー目標指示装置などとも組み合わせて使用される。私たちのスマホもwifiやbluetoothの利用で精度が上がるように使用衛星の数を増やす他にGPSとは別の仕組みも複合利用して精度をあげたりする。

全地球測位のほか、地域に特化した衛星があり日本では「みちびき」が打ち上げられている。

アメリカ以外で代表的なのは、ロシアの「GLONASS」、中国の「BEIDOU」、EUの「GALILEO」、インドの「IRNSS」、日本の「QZSS」(準天頂衛星システム「みちびき」。補完的な地域特化にかぎらずGPSに依存しない全地球測位システムを作るところもある。

実際にアメリカ軍は敵軍へ誤ったデータを送るように意図的に仕組んだこともある。たしかに軍事以外でももはやインフラとなっているGPSが使えなくなるかどうかが誰かの思惑で操作できてしまうというのは国家安全保障にも直結するような内容。さきほど世界中で「基本的に」使えると行ったのは機能的な限界だけでなく政治的要因で使えなくなるものでもあるから。

インターネットの仕組みやお金の仕組みなど(便利なものほど?)我々にとって当たり前でなくてはならないものは誰かが運営しなくてはいけないわけで、世界の主要プレイヤーには必要なものでその各国の動きや日本がおかれている現実・現状を知ることにも繋がって、ハードウェアをおもちゃとして触ってみたらそれ自体も楽しかったものの意外と社会情勢の勉強にもなったという話。それを知っておくと例えば測位に必要な衛星をどのように展開するかでもその国の思惑や他国との関係性がみて取れるのかもしれない。

GPSの技術的・利用上の魅力とその重要度の他にGPSを通じた視点から社会の仕組みも覗けたような気になった話のメモ。

参考サイト

内閣府「各国測位衛星の状況について」
wiki「グローバル・ポジショニング・システム」
フルノ製品情報「GPSとは」
GPSの仕組み
IDAonline「GPSの仕組み」
データの時間