GPSは代替システムに取って代わられるのか？

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2025年8月にフロリダ州ケネディ宇宙センターから打ち上げられる宇宙船は、全地球測位システム（GPS）技術の未来を決定づける可能性を秘めている。このミッションの目的は大部分が秘密だが、科学者たちは、ボーイング社製のこの宇宙船が、将来GPSを不要にする可能性のある新しいナビゲーションシステムの実験を行う予定であることを明らかにした。しかし、これまで考案された中で最も成功したナビゲーション方法の一つに代わる、現実的な代替手段は本当に存在するのだろうか？

このギャラリーをクリックして、この秘密のミッションとGPSの進化について詳しく見てみよう。

X-37B宇宙飛行機の打ち上げ

2025年8月22日、X-37B軌道試験機がフロリダ州のケネディ宇宙センターから打ち上げられた。

テクノロジーミッション

この無人宇宙飛行機はスペースX社のファルコン9ロケットによって地球の軌道に打ち上げられ、国防イノベーションユニットや空軍研究所を含む複数の米国政府パートナーの技術デモンストレーションや実験の会場となる予定だ。

GPSに代わる可能性を探る

X-37Bが宇宙で行っていることの多くは秘密である。しかし、私たちが知っていることの一つは、これらの実験の一つが、量子科学をナビゲーションツールとして活用する、全地球測位システム（GPS:Global Positioning System）技術の潜在的な代替手段、つまり量子慣性センサーであるということである。

全地球航法衛生システム

GPSのような全地球航法衛生システム（GNSS）は、航空から物流まで、あらゆる分野で利用されており、私たちの日常生活に欠かせない存在である。しかし、その普及にもかかわらず、GPSはどこでも利用できるわけではない。

量子慣性センサー技術

科学者たちは、量子慣性センサー技術が、GPSが利用できない環境、あるいはGPSが利用できない環境での宇宙船、航空機、船舶、潜水艦の航行方法に革命をもたらす可能性があると考えられている。写真はX-37Bの3Dイラストである。

GPSの限界

宇宙では、GPS信号は信頼できなくなるか、あるいは完全に消えてしまう。水中でも同様だ。例えば、潜水艦はGPSに全くアクセスできない。地球上でも、紛争時などにGPS信号が遮断されたり、無効化されたりすることがある。そのため、特定の状況ではGPSを使ったナビゲーションが非常に困難になる。

慣性航法システム

従来の慣性航法システム（INS）は、モーションセンサー（加速度計）、回転センサー（ジャイロスコープ）、およびコンピューターを使用して、外部参照を必要とせずに移動物体の位置、方向、速度を継続的に計算する。

独立したナビゲーション

INSがどのように機能するかの典型的な例は、このテクノロジーが車両の独立したナビゲーションが車両の動きを追跡して推定する方法である。

GPSの必要性

しかし、視覚的な手がかりがなければ、旋回や姿勢変化、特に急激な操縦はINSに悪影響を及ぼす可能性がある。小さな測定誤差が蓄積されると、INSは徐々にコースから外れ、GPSなどの外部信号による補正が必要になる。

解決策を求めて

では、これらとX-37Bとは何の関係があるのか？この宇宙船に搭載された量子慣性センサーは、原子干渉法と呼ばれる技術を用いて航行する。原始の特性を利用して、回転などの動きを非常に正確に測定する。

GPSが利用できない環境の空白を埋める

センサーの回転や加速といったごくわずかな動きの変化も、これらの原始特性に検出可能な痕跡を残す。その結果、GPSなどの外部参照を必要とせずに、長時間かつ高精度なナビゲーションが可能になる、科学者たちは、将来、量子慣性センサーがGPSに取って代わり、GPSが利用できない環境の空白を埋めることを期待している。

GPSの進化

これらすべてを文脈の中で理解するために、GPS技術の進化を振り返ってみる価値がある。そして驚くべきことに、物事が動き始めたのは、1957年にソ連がスプートニク1号衛星を打ち上げた時だった。

ラジオ信号にチューニングする

ジョンズ・ホプキンス大学応用物理研究所の物理学者たちは、スプートニクの無線送信を監視していたことから、無線信号に基づく測位システムのアイデアを思いついた。この画像は、衛星の軌道によって生じた光の軌跡を示している。

トランシット衛星プログラム

1959年、アメリカ海軍は海上艦艇および潜水艦のニーズを満たす通信および航法衛星プログラムの開発を開始した。このプログラムの成果の一つが、トランシット（TRANSIT）衛星の数々である。

GPSの始まり

トランシットは1960年に初めて実験に成功した。5つの衛星のコンステレーションを使用し、約1時間に1回、ナビゲーションの位置特定を提供できた（この場合のコンステレーションとは、特定のGNSSシステムを構成する衛星のグループである）。これが、今日知られているGPSシステムの始まりとなった。

ティメーション衛星

1967年、アメリカ海軍はティメーション（Timation）衛星を開発した。ティメーションは、GPSに必要な技術である原始時計と呼ばれる高精度の計時装置を宇宙に設置する実現可能性を証明した。この計画を率いたのは、GPSの主たる発明者および設計者として知られるロジャー・イーストン（写真）だった。

オメガ航法システム

1970年代初頭に発表された地上ベースのオメガ（OMEGA）航法システムは、世界初の無線航法システムとなった。しかし、より汎用的で、より高精度な航法システムが依然として求められていた。

ナブスター衛星システム

1974年、GPSシステムナブスター（NAVSTAR）の試験が開始された。米軍が開発したナブスターシステムは、24基の衛星からなる衛星群を提案していた。1970年代後半にには、ナブスターは単に「GPSシステム」と呼ばれるようになった。しかし、GPSは依然として米国国防総省の管轄だった。

悲劇がGPSの民間利用を促した

1983年9月1日、大韓航空007便は、航路を逸脱して誤ってロシア領空に侵入したため、ソ連の迎撃機によって撃墜された。乗客乗員269名全員が死亡した。

ホワイトハウスの決定

この悲劇を受けて、ロナルド・レーガン米国大統領は、1988年からGPSシステムを民間でも利用できるようにすることを決定した。

民間航空向けに設計されたGPS

当初、この民間利用は、軍用受信機で補正可能なGPSデータに意図的に導入された誤差「Selective Availability（セレクティブ・アベイラビリティ）」の使用により、平均精度が330フィート（100メートル）に制限されていた。2007年までにこの機能は完全に廃止され、その後GPSの精度は約16フィート（5メートル）になった。