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GPSとはグローバル・ポジショニング・システムの略で「GPS」。現代の日本人なら、殆どの人がGPSとは?に詳しく答えることができないにせよ、確実にその恩恵を受けています。
世界中、どこの国であっても環境さえ整えればこのサービスを享受できるのです。

GPSとは、アメリカ合衆国単独で全人類に無償提供しているサービスです。

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ある時刻における、ある地点を特定することは非常に困難です。特に、2つ以上の点の存在場所の特定と同時性の確認は不可能です。
この辺りの話は、物理学、量子力学、さらに、哲学の分野ですので触れないでおきます。
前に進めなくなるし、「厳密」な話をしたいわけではありませんから。

人は、大昔から「場所」を特定する記録を残す、記録をたどることを行っていました。手段は人類のみが持つ汎用性に富んだ「思考」によります。

鳥類は行動範囲が人よりはるかに広いです。彼らは「思考」に頼らないナビゲーションシステムを「本能」で得ています。
ほかの動物も、多かれ少なかれ限定的ではありますが、何らかのナビゲーションシステムを備えています。「センサー」からの情報と「記憶」によるものが多いですね。
記憶されている情報は、地形、風景であったり、匂いであったりそれぞれが得意の方法で会得しています。

人にそのセンサーは本能としては与えられていないようです。ある問題が生じ解決の必要があれば、「汎用型思考」で地図を残します。

江戸時代の日本で、淡路島で出生した「カヒー・タカーダ」が北方へ大航海を行いました。彼のナビゲーションは、風景の記憶と気象海洋情報の思考的解析に基づいたものでした。

陸上風景を写生して組み立てれば地図を得ることができますが、洋上の点を示すのは困難を極めます。
実際に沿った航路を座標に記録するしかありません。権力者は、その記録を集めます。
地図のコレクションは権力の象徴です。順調だったコレクションも大航海時代となると、大地、海が球形であることを認めざるを得なくなりました。狼狽に似た大問題が起こったと容易に推測できます。
権力をもってしても、一枚の地図で世界を示すことができないことを突きつけられたからです。

チャールズ・チャップリンの映画「独裁者」では、ヒトラーをパロッた彼が、地球儀を弄(もてあそ)んでいます。この時代以降、人類は地図の所有による権力の誇示を止めました。

1972年に打ち上げられたアメリカ合衆国の探査機パイオニア10号、翌年の11号には、地球の場所を記した陽極酸化処理アルミニウム合金・プレートが搭載されています。

無線航法測位システムは、すべて、兵力展開のための軍事用位置測位手段が起源です。のちに民生に開放されました。GPSとは? GPSも例外ではありません。

はてな

はてな

アメリカ合衆国は慈善団体ではありません。現在のところ世界最強の腕力を持っている国家です。アメリカ合衆国に限らず、あまねく国家の行動は「戦略」に基づいています。

アメリカ合衆国の行動の一つに「GPS」のカーネルのオープンソース化があります。

GPSとは何かというと、現在では、地上に小さなGPS端末装置が、厚さ10mm以下の薄い携帯端末にも埋め込まれています。カーナビ、介護用位置通報監視装置、自動販売機防犯装置にも搭載されています。個人のポケットにも入っています。

GPSの中心的役割りを担っているのが、地球を縦横に回る30個の人工衛星です。全部アメリカ合衆国1国だけで打ち上げました。寿命更新されています。

このGPSとは「ロラン」の後継測位システムです。

「ロラン(LOng-RAnge Navigation)」は、アメリカ合衆国、ヨーロッパによる電波航法システムで、GPSへと収束し、まもなくその役目を終了します。

管理管轄役所は大半がアメリカ合衆国沿岸警備隊「コースト・ガード」によるものです。
軍隊ではありません、日本の海上保安庁にあたる組織ですが、この国の方針として、世界中に展開しています。

このシステムに使用する電波は地上から発射していました。波長と使用目的の理由から非常に長く(高い)、無指向性のアンテナが必要でした。
電波は「地表波」を使用する必要があるため周波数は短波でした。地球上の適当な陸地に設置され、船舶等の長距離移動体が自分のポジションを知るために、必要な機材を搭載さえすれば自由に使うことができました。現在のGPSと考え方は同じです。

当時は、世界中、このシステムの恩恵にあずかりました。単純な原理です。
電波からポジションを得るには、同時に最低2か所のアンテナからの電波を受信し、その方向線の交点から求めることができます。
ロランは「A」と「C」があります。ロランは、このアンテナからパルス(一定間隔で瞬間だけ電波を発射する。)を使用していました。
2か所のアンテナから測定するパルスにより、ポジションを求めます。

私が通信士の国家試験を受験した頃は、チャート(海図)にその受信電波の図(双曲関数曲線)を作図し、交差する2点からポジションを特定していました、手作業です。
というより、現代のような専用機器が必要なかったという利点はありました。交差点は2点ありますが、自分が航行している方を誤ることはありません。
また、3つを受信すると確実です。(三角形が得られ、その中に自分が存在し、小さな三角形を要求される。)さらに、正確な時刻を持っていると、理論上一つのロラン電波でもポジションを得ることができます。

マーカス

下の画像は「ロラン・アンテナ」です。セピア色で見にくく申し訳ありませんが、島の中心に細く垂直な赤い線がそのアンテナで、415mあります。根本にこの局舎建物があるのでそれが目印です。
アンテナ

ここは、「南鳥島(マーカス)」で、日本の最東です。東経154°です。日本国土ですから日本標準時を使用するのですが、実際は現地時刻です。

マーカス

この画像は1983年12月に私が赴任した時の航空写真です。1時間以上の実時間差があるので、日本標準時より2時間進めています。
上の石は最南東端とありますが、実際の日本の最南は沖ノ鳥島です。このアンテナのメンテナンスのため、コースト・ガードの隊員が天辺先端まで登って行った現場を見ました。

話によると、先端には、サインができるところがあるそうで、登頂した人は、記念にそこへのサインが許されているそうです。
今はそのアンテナ自体が撤去されています。往復垂直900m以上ありますから、途中で何度も休憩する必要があるし、命綱をかけながら上るので長時間かかります。
ですから、ランチボックス(弁当)を持って午前から上り始めるのです。

無線で何か言ってきました。下で見守る者が全員風上へ自動車で逃げ出しました。私も慌てて飛び乗りました。「放尿」です。
地上へは霧となって飛んでしまい到達しません。この島には民間人が住んでいません。現在は気象庁職員と彼らの支援のために海上自衛隊南鳥島航空派遣隊員がいらっしゃるだけです。

電波航法システム(電波測位システム)は「ロラン」の他にもあります。次の記事でご紹介しましょう。

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海

ロランより原始的な電波航法があります。「NDB」と言い、正式には航空電波標識です。世界中の飛行場にあり、現役です。

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電波はシンプルに、カッティング・ウエーブ(CW)で、正弦波電波をモールス信号で切りながら発射します。文字は2~3文字で世界中の飛行場が決められている信号を発射しています。測位方法は2か所を受信し、その方向線をチャート上の交点でポジションを求めます。

羽田空港のNDBは、「・・・・ ―― ・(HME)」です。

もうひとつが「デッカ」。「NDB」は直線測位でしたが、「デッカ」も「ロラン」同様、双曲線測位です。「ロラン」がパルスであったのに対し、「デッカ」は単純に正弦波を発射しつづけ、測位は「位相差(ドップラー)」から求めます。

「ロラン」「デッカ」は消えつつあります。ここまで紹介しました電波航法システムは機械で自動的に測位できますが、手作業でも可能なことが利点でした。「NDB」は原始的でありながら有効ですから、いつまでも残るでしょう。

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もう一つ古くからある航法シスムに「オメガ」があります。

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「オメガ」も双曲線測位システムですが、特徴は非常に低い周波数を使用していることです。
民生用はなくなったはずです。電波は周波数が低くなるほど水中を伝番(通り)しやすくなります。
低い周波数(超長波)を使用することにより、潜水艦に情報を送れることから、民生使用はなくなりましたが、一部アメリカ海軍が使用しています。

1999年に解体された対馬にあった、このシステムのアンテナは、歴史上、2010年の東京スカイツリー出現前まで、世界最高峰の電波塔でした。
「wikipedia」にその航空写真があります。
私が南鳥島を撮影した時のアンテナとそっくりです。

もう一つ、有名な無線航法システムが「タカン」です。「タカン」は民生用ではありません。
こちらは、非常に高い周波数を使用することと、地上局、移動局の両方に備えられており、極地的な測位に使用します。主に極地洋上作戦に用いるものです。wikipediaにチャンネル周波数が公開されています。
使い方は公開されていませんので、民生用として測位できません。

・ロラン(LOng-RAnge Navigation)

・NDB(Non-Directional Beacon ※無線航空標識局と説明しましたが、日本国内法である電波法の定める名称では、装置としては、無指向性無線標識です。)

・デッカ(Decca Navigator System)

・オメガ(OMEGA radio navigation system)

は、地上からの電波源を利用した無線測位システムでした。

地上から発射する電波の伝番は、3種類(超長波の水中伝番は除きます。)の経路があります。周波数の高い(波長が短い)領域は光に似た伝番で、直進、反射、回折があります。
地球の大気圏外側にある3層の電離層を抜けて行きます。ですから、この領域の電波を利用した広範囲な航法システムには向きません。

短波と呼ばれる周波数帯は地表を這うように伝番する経路と地上、電離層間を反射しながら伝番していく経路があります。
後者の電離層反射波は無線通信に応用しますが、パルスや位相を検出して測位する無線航法には、時間差があり使用できません。地表伝番経路の電波を使用します。

しかし、この経路は減衰が大きいので、複数の無線局を地球上に配置せねばなりません。維持する組織団体、経費の問題があります。

この広域無線航法システムの多くをアメリカ合衆国が引き受けていました。