GPSの三角測量（三辺測量）
真っ暗な部屋の中で、3人の友達が呼ぶ声の「届いた時間」だけで、自分が立っている正確な場所を突き止めるような仕組みです。
定義 GPS測位（三辺測量）とは、宇宙を周回する複数の人工衛星から送られる電波がスマートフォンに届くまでの時間を計算し、地球上のどこに自分がいるかをピンポイントで特定する位置測定技術です。
目をつぶっていても自分の居場所がわかる原理
霧の立ち込める大海原で、3つの灯台が「何時何分何秒」に光をピカッと放ったのかが正確にわかれば、自分の船がいる場所を特定できます。1つ目の灯台から5km離れていると分かれば、自分の位置はその灯台を中心とした半径5kmの大きな円の円周上のどこかに絞られます。
ここに2つ目の灯台から3km離れているという情報が加わると、2つの円が重なり合うたった2つの交点だけが位置の候補として残ります。最後に3つ目の灯台との距離まで確認できた瞬間、3つの円が完璧に交わるたった1つの交差点が決まり、自分の船がどこに浮かんでいるのかが確実にわかるのです。
スマホの位置情報機能も、まったく同じ原理で動いています。灯台の代わりに、地球の上空およそ2万キロメートルを周回する数十機のGPS人工衛星が休むことなく電波を送り続けています。スマホは衛星からの電波が手元に届くまでのごくわずかな時間を計ることで、各衛星との距離を数学的に計算し出します。
結局、地図アプリの上で点滅している青い現在地アイコンは、スマホが闇雲に居場所を探し回っているのではなく、空の衛星たちが送ってきた時刻表をもとに周囲の円を重ね合わせて導き出した、賢い幾何学の賜物なのです。
なぜ衛星は3機ではなく4機も必要なのか？
平面上の地図なら3つの円を重ねるだけで位置が決まりますし、3次元の立体空間でも3つの球体が交差すれば2つの交点に絞られます。そのうち1点は宇宙空間で、もう1点は地表ですから、理屈の上では衛星が3機あれば位置がわかりそうに思えます。しかし、実際のナビゲーションが動作するには最低でも4機以上の衛星シグナルをキャッチしなければなりません。
その理由は、スマホの中に組み込まれている時計の誤差にあります。衛星から飛んでくる電波は光の速度で進むため、1秒間に地球を7周半も回ってしまいます。スマホの時計がたった100万分の1秒狂っただけでも、計算される距離にはなんと300メートルものズレが生じてしまうのです。
宇宙を飛ぶ人工衛星には、何百万年に1秒しか狂わない極めて高精度な原子時計が搭載されていますが、私たちが持ち歩くスマホには安価な電子時計しか入っていません。そこで4機目の衛星は、スマホの時計を衛星の原子時計と寸分たがわず同期させる「時間のズレを補正する救世主」としての役割を果たしているのです。
4機目の信号が加わることで、スマホの時計誤差という未知の変数が消え去り、ようやく誤差数メートルという精密なナビ案内が可能になります。
もう少し専門的に言うと
私たちが日常ではよく「三角測量」と呼んでいますが、技術的により正確な名称は「三辺測量（Trilateration）」です。伝統的な三角測量が基準点間の「角度」を測って位置を求めるのに対し、GPSは衛星までの「距離（辺の長さ）」を直接計算して現在地を割り出すためです。
さらに現実の電波は、真空中ではなく地球の大気圏を通過するため、その速度がごくわずかに変化します。電離層や対流圏を通る際に電波が屈折したり遅れたりする現象が起きるのですが、スマホや基地局は高度な補正アルゴリズムを使い、こうした大気の歪みをリアルタイムで補正しています。
ビルが立ち並ぶ都心部や地下駐車場に入ると、ナビの現在地が突然変な場所に飛んでしまうことがあるのもこれが原因です。衛星からの直接波がコンクリートのビルに跳ね返る「マルチパス誤差」が起きたり、電波そのものが遮断されたりするためです。
そのため最新のスマホは、衛星の電波が弱いときにはWi-Fiアクセスポイントや携帯電話基地局の電波強度を組み合わせた補助技術を活用し、より素早くスムーズに現在地を捉えています。
🤔 よくある誤解
スマホが衛星に向けて電波を飛ばし、自分の位置を問い合わせている。
スマホは電波を発信しておらず、衛星が一方的に送信している電波シグナルを受信しているだけです。ラジオ放送を聴くのと同じ原理なので、GPSをONにしても自分の居場所が衛星側に送信されるわけではありません。
🧺 日常で出会う場面
複数の人工衛星から届く電波の到達時間を測定し、自分の正確な位置と現在時刻を割り出す技術です。