人工衛星の位置を知る方法として「GPSを使う」と聞くことがあります。地球の近くを飛ぶ衛星なら実際にGPS受信機を搭載し、自分の位置や速度、正確な時刻をリアルタイムで求めることができます。しかし、静止軌道のような高い場所や、月・火星へ行く宇宙機では、地上のスマートフォンと同じ条件でGPSを使えるわけではありません。
結論からいうと、人工衛星のGPS測位は、受信機のいる高度や天体によって、見える測位衛星の数、信号の強さ、衛星配置の幾何学、大きな天体による遮蔽、基準となる座標系・時刻系が変わるため、使える条件や精度が変わります。 地球低軌道では地上に近い感覚でGNSSを利用できますが、高高度では地球の反対側から漏れてくる弱い信号まで利用する必要があり、月では地球GNSSを補助的に利用しつつ、将来は月周回の測位衛星を使う仕組みが検討されています。
まず「GPS」と「GNSS」は同じ言葉ではない
GPSは、米国が運用するGlobal Positioning Systemという固有の衛星測位システムです。一方、GNSSはGlobal Navigation Satellite Systemの略で、GPSのほか、欧州のGalileo、ロシアのGLONASS、中国のBeiDou、日本の準天頂衛星システム「みちびき（QZSS）」などを含む衛星測位システムの総称として使われます。
日常会話では衛星測位全体を「GPS」と呼ぶことがありますが、宇宙機の航法を正確に考えるときは、どのGNSSの信号を受信するのかを区別する必要があります。複数のGNSSを同時に使うマルチGNSSにすると、見える衛星数が増え、高高度でも測位できる機会を増やせるからです。
GPSはどうやって位置を求めているのか
GPS衛星は、自分の軌道情報と非常に正確な時刻を含む信号を送信しています。受信機は、信号が衛星を出てから届くまでの時間を測り、電波が光速で進むことを利用して衛星までの距離を求めます。
複数の衛星について「衛星がどこにいたか」と「そこから自分までの距離」が分かれば、受信機は自分の三次元位置を計算できます。実際には受信機側の時計のずれも未知数になるため、通常は4機以上の測位衛星の信号を使って、位置3成分と時刻誤差を同時に求めます。
内閣府のみちびき公式サイトでも、測位衛星からの信号の到達時間を使って距離を測り、衛星の位置と組み合わせて受信機の位置を計算する仕組みが説明されています。
地球用GPSの衛星配置は地球上の利用者を中心に設計されている
GPS衛星は地表から約2万200kmの中軌道を飛びます。GPS.govによると、基本となる24衛星の配置では6つの軌道面に衛星を分散させ、地球上のほぼどこからでも少なくとも4機を見通せるように設計されています。
重要なのは、GPS衛星のアンテナが主に地球方向へ信号を送っていることです。地上利用者や低軌道衛星は、この地球向きの強い主ビームの中に入りやすく、複数衛星を見つけやすい位置にいます。
したがってGPSは、単に「宇宙に測位衛星があるから、太陽系のどこでも同じように使える」仕組みではありません。衛星の軌道、アンテナの向き、信号電力、座標系は地球周辺での利用を前提に作られています。
地球低軌道の人工衛星ではGPSを使いやすい
高度数百kmから1000km程度の低軌道衛星は、多くの場合GPS衛星よりはるかに内側を回っています。この領域では、GPSや他のGNSS衛星の地球向き信号を比較的受信しやすく、地上と似た考え方で位置・速度・時刻を求められます。
人工衛星がGPSを利用すると、地上局から毎回距離や速度を測らなくても、搭載受信機が自律的に自分の軌道を推定できます。また高精度な時刻を得られるため、地球観測データの時刻付け、複数衛星の同期、科学観測などにも役立ちます。
内閣府のみちびき公式サイトでも、宇宙空間でGPSを使った衛星の軌道決定が行われていることが紹介されています。NASAも、低軌道ではGNSS信号の受信条件は地上利用と比較的似ていると説明しています。
高度が上がるとなぜGPS測位が難しくなるのか
人工衛星の高度がGPS衛星の軌道へ近づき、さらにその外側へ上がると、通信条件が大きく変わります。
第一に、GPS衛星の強い主ビームは地球へ向いています。高高度の宇宙機から見ると、同じ側にいるGPS衛星のアンテナ背面を見る形になり、十分な信号を受けにくくなります。
第二に、地球そのものが電波を遮ります。宇宙機は地球の反対側にいるGPS衛星から、地球の縁をかすめて届く信号を受信することになります。NASAは、高高度のSpace Service Volumeでは、地球による遮蔽、弱い受信電力、見える衛星の少なさ、衛星配置の偏りがGNSS利用を難しくすると説明しています。
第三に、測位衛星が空の一方向へ固まって見えると、距離測定が正確でも位置計算の誤差が大きくなります。これは衛星配置による幾何学的な精度低下です。測位では「衛星が何機見えるか」だけでなく、「空のどの方向に分散して見えるか」も重要なのです。
高高度ではGPS衛星の「漏れ電波」も利用する
GPS衛星のアンテナから出る電波は、主ビームだけに完全に閉じ込められているわけではありません。主ビームの周囲にはサイドローブと呼ばれる弱い電波も存在します。
高高度の宇宙機では、地球の縁を越えて届く主ビームの端や、さらに弱いサイドローブを高感度受信機で捉えることで測位できる場合があります。NASAでは、このような高高度GNSS利用をSpace Service Volumeとして研究・標準化してきました。
ただし地上利用より信号は弱く、常に4機以上を理想的な配置で受信できるとは限りません。そのため、高感度アンテナ、弱信号を長時間積分して検出する受信機、過去の軌道情報を使った航法フィルタ、複数GNSSの同時利用などを組み合わせます。
複数のGNSSを使うと高高度で有利になる
GPSだけを見ると受信できる衛星が少ない時間でも、Galileo、GLONASS、BeiDou、QZSSなど別のGNSSを合わせれば、利用できる信号が増える可能性があります。
NASAが推進するInteroperable GNSS Space Service Volumeでは、複数のGNSSを相互運用することで、高高度宇宙機の信号可用性と測位性能を高める考え方が示されています。
日本でもGNSSの宇宙利用技術が進められており、JAXAは2020年に、地球のほぼ反対側にあるGPS衛星の微弱信号を利用した静止軌道上でのGPS航法を実現した技術実績を紹介しています。
測位精度は信号の強さだけでは決まらない
GPSの精度を左右する条件には、衛星の軌道・時計の誤差、受信機の雑音、衛星配置、大気中での電波遅延などがあります。
地上利用では特に電離圏が重要です。みちびき公式サイトでは、上空の電離圏を電波が通ると伝搬が遅れ、衛星までの距離を実際より長く見積もる原因になると説明されています。異なる周波数の信号を同時に使うと、この遅延を推定して誤差を小さくできます。
一方、宇宙機では地上と同じマルチパス環境は少ないものの、高高度になるほど信号強度や衛星配置が厳しくなります。つまり、場所によって主な誤差要因が変わります。
月では地球のGPSをそのまま使えるのか
月は地球から平均約38万km離れています。GPS衛星のアンテナは地球方向へ向いているため、月面で受信できるのは地球の縁を越えて届く非常に弱い信号が中心です。地球上のスマートフォンのように、いつでも多数のGPS衛星を強い信号で受信できるわけではありません。
それでも技術は進歩しています。NASAとイタリア宇宙機関のLunar GNSS Receiver Experiment（LuGRE）は、2025年3月に月面で地球のGNSS信号を取得・追尾することに成功しました。これは、地球GNSSが月近傍でも航法の助けになり得ることを実証した重要な成果です。
ただし「月でも普通のGPSがそのまま使えるようになった」という意味ではありません。信号は弱く、見える衛星の方向も地球付近に集中するため、可用性や幾何学条件には大きな制約があります。月面活動を本格化するには、地球GNSSだけに依存しない月圏向けの測位サービスが必要になります。
月では月専用の測位衛星システムが検討されている
JAXAではLunar Navigation Satellite System（LNSS）という月測位システムの技術開発が進められています。月周回の測位衛星が自分自身の軌道と時刻を高精度に決め、その衛星から月面や月周回の利用者へ測位信号を送る考え方です。
興味深いのは、月測位衛星自身の位置決定に、地球を回るGNSS衛星から漏れてくる微弱な信号を利用する技術も検討されていることです。つまり「地球GNSSを月面利用者が直接使う」だけでなく、「地球GNSSで月周回の測位衛星を支え、その月測位衛星が月面へサービスする」という階層的な構成も考えられています。
NASAのLunaNetも、月で通信とPositioning, Navigation, and Timing（PNT）を共通の規格で提供する構想です。ESAのMoonlightでは、月を回る複数の衛星を使って通信・航法サービスを提供する計画が進められています。
月の測位システムはなぜ地球GPSと同じ配置ではないのか
月は地球より小さく、重力も弱く、自転の仕方や利用地域も違います。また将来の月探査では、特に南極域への着陸や移動が重要視されています。
そのため、地球GPSのように全球を均等に覆う中軌道衛星群をそのまま縮小して置けばよいとは限りません。少ない衛星数で重要地域を長時間カバーするため、月の重力場と利用場所に合わせた楕円軌道などが検討されます。
ESAのMoonlightも、月南極域の継続的な通信・航法サービスを重視し、複数の月周回衛星を使う構成を示しています。天体が変われば、最適な衛星数、軌道、地上局との連携方法も変わるのです。
火星では地球のGPSを実用的な測位源として使えない
火星は地球から数千万kmから数億km離れます。GPS衛星の信号は地球周辺へ向けて送られているため、火星で地球GPSを地上利用と同じように受信して位置を求めることは現実的ではありません。
現在の火星探査では、地球の深宇宙通信網による電波測距やドップラー計測、火星周回機との通信、慣性航法、画像を使った地形照合などを組み合わせて位置と軌道を求めます。
将来、火星で人やロボットが多数活動するようになれば、月のLNSSやMoonlightと同じように、火星周回の航法衛星や地表基準局を組み合わせた独自のPNTインフラが検討される可能性があります。しかしそれは地球のGPS衛星をそのまま使うこととは別の仕組みです。
天体が変わると座標と時刻の基準も変える必要がある
衛星測位は、単に電波の到達時間を測れば終わりではありません。「衛星がどの座標にいるのか」「その時刻は何を基準にしているのか」という共通ルールが必要です。
地球GPSは地球中心の座標系とGPS時刻を使って運用されています。月面で独自の測位サービスを行うなら、月中心の座標系、月面地形との対応、月圏で共有する高精度な時刻基準が必要になります。
LunaNetや月測位システムでは、異なる国・事業者のサービスを組み合わせても同じ利用者が使えるよう、互換性のあるPNT信号や基準を整えることが重要になります。
「GPSが使えるか」は天体名だけでなく受信条件で決まる
地球周回衛星でも、高度や姿勢によって見えるGPS衛星は変わります。アンテナが地球や機体構造に遮られれば受信できる衛星数は減ります。高高度では地球による遮蔽と弱信号が支配的になります。
逆に月のような遠い場所でも、高感度受信機と適切なアンテナを使えば地球GNSSの微弱信号を利用できることが実証されています。
したがって「地球ならGPSが使える、月なら使えない」という二択ではありません。どの高度にいるか、アンテナがどちらを向いているか、何個のGNSSを使うか、どの程度弱い信号まで追尾できるか、どの精度と連続性が必要かによって実用性が変わります。
まとめ
人工衛星のGPS測位が軌道高度や天体によって変わるのは、GPSが地球周辺を前提に設計された衛星測位システムだからです。地球低軌道では、地球方向へ送られるGNSS信号を複数受信しやすく、搭載受信機だけで位置・速度・時刻を求めやすくなります。
一方、高高度ではGPS衛星の主ビームから外れ、地球による遮蔽も増えるため、弱いサイドローブ、複数GNSS、高感度受信機、航法フィルタなどが必要になります。月では2025年に地球GNSS信号の月面受信が実証されましたが、本格的な月面活動にはLNSS、LunaNet、Moonlightのような月圏向けPNTインフラが重要になります。
つまりGPS測位の違いは、「天体ごとにGPSの原理が変わる」からではありません。電波で距離を測り、複数の既知位置から自分の位置を求める基本原理は共通です。変わるのは、測位衛星をどこに配置し、どの信号をどの強さで受信でき、どの座標・時刻基準を使うかという利用条件なのです。
参考資料
- 内閣府・みちびき「宇宙でも使える衛星測位」
- JAXA宇宙戦略基金「月測位システム技術」
- NASA「The Interoperable Space Service Volume」
- NASA「NASA Successfully Acquires GPS Signals on Moon」
- ESA「Moonlight」
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