「GPSよ、道を空けろ」：低軌道の航法衛星が100倍の信号強度で復活
注目画像： 低軌道を飛行するXona Pulsar衛星の想像図；クレジット：Xona Space Systems
30年以上にわたり、GPSは現代文明の静かな基盤として、飛行機の着陸からスマートフォンの地図まであらゆるものを導いてきた。しかし、高度2万200キロメートルから発信されるその信号は、ささやくように弱い。わずか30ドルの妨害装置で都市の1ブロック全体を遮断できる。戦時下のウクライナでは、ロシアの電子戦によりGPS誘導兵器が無効化されている。
今、新世代の航法衛星が地球に近づくことで復活を遂げようとしている。スタートアップ企業や宇宙機関は、高度約1,080キロメートルの低軌道に航法ペイロードを展開している。この高度では、GPSの100倍の強さで信号が届き、建物や樹冠、意図的な干渉を透過することができる。
「LEOの航法衛星はGPSと比較して100倍の信号強度を提供している」と、Jeremy Hsu氏がこの新興産業に関するArs Technicaの7月16日付記事で報じている。
XonaのPulsarコンステレーション
主要な商業プレーヤーは Xona Space Systems である。カリフォルニア州バーリンゲームに拠点を置き、SpaceXやBlue Originの出身者によって2019年に設立されたスタートアップだ。同社は258機の Pulsar衛星 をLEOに展開し、暗号認証によるなりすまし防止機能を備えたセンチメートル級の測位を提供する計画である。
信号強度の優位性は劇的である。Pulsar信号は民生用GPS L1 C/A信号の100倍の強さを持ち、妨害装置の有効範囲を95パーセント減少させる。複数国で実施された実環境妨害試験では、GPSが完全に遮断された場所でも、システムは正確な測位を維持した。また、GPSでは達成できない屋内測位や都市の谷間での航法も可能にする。
Xonaの衛星は、GPS L1およびL5に隣接するデュアルバンド周波数で動作し、既存のGNSSサービスとの干渉を避けるために中央ローブに電力を集中する変調方式を採用している。システムはファームウェアまたはソフトウェアのアップデートにより既存のGPS受信機と後方互換性があり、ユーザーは新しいハードウェアを必要としない。
同社は、Craft Ventures、Mohari Ventures、Toyota Ventures、Lockheed Martin Ventures、Trimble Venturesなどの投資家から8ラウンドで1億5,000万ドル以上を調達し、さらに米国宇宙軍から2,000万ドルの助成金を受けている。
TransitからPulsarへ
LEO航法のコンセプトは新しいものではない。1964年から1990年代まで運用された米海軍の Transit システムは、36機のLEO衛星を使用し、ドップラーシフト測定によってポラリス潜水艦に測位を提供していた。しかしTransitは1〜2時間に1回しか位置を特定できず、リアルタイム航法には役立たなかった。GPSは、継続的なカバレッジを提供する中軌道の24〜31機の衛星に取って代わった。
変わったのは打ち上げコストである。SpaceXによる軌道投入価格の暴落により、258機のLEOコンステレーションを構築・維持することが経済的に可能になった。これは10年前には財政的に不可能だったことだ。
技術の仕組み
LEOの地球への近さが核心的な優位性を提供する。約1,080キロメートルの高度では、Pulsar衛星は高度2万200キロメートルのGPS衛星よりも約20倍近い。信号強度は逆二乗則に従うため、この差は地上の受信機に届く信号電力にして約100倍に相当する。
LEO衛星の空を横切る高速な動きも利点をもたらす。受信機は、従来のGPS精密単独測位に必要な10分以上ではなく、数秒で搬送波位相の曖昧性を解決できる。
LEOはまた、ヴァン・アレン放射線帯を避けるため、民生用既製電子部品の使用が可能で、より迅速な技術アップグレードを可能にする。Xonaは特許取得済みの分散クロックアーキテクチャを開発し、搭載原子時計の必要性を排除している。
目標精度は水平方向2センチメートル、垂直方向4センチメートルで、タイミング精度は10ナノ秒未満である。同社のPulsar-0試験衛星ですでに実証済みの暗号認証ウォーターマークが、なりすましを防止する。
展開スケジュール
Xonaの最初のデモ衛星Huginnは2022年5月に打ち上げられた。最初の生産型衛星Pulsar-0は2025年6月に打ち上げられ、信号インスペースユーザーレンジ誤差はわずか43ミリメートルを達成し、後にソフトウェアアップデートにより15ミリメートルに改善された。
最初の6機の生産衛星（2機は社内製造、4機はベルギーのAerospacelabに委託）は2026年10月に打ち上げ予定である。初期の商業サービスは2027年に中緯度カバレッジで開始される見込みで、その後数年で完全な258機のコンステレーションに拡大する予定である。
課題と競争
最大の課題はコンステレーションの規模である。LEOは同等の地球規模カバレッジのためにMEOの約10倍の衛星を必要とする。約1,080キロメートルでの大気抵抗は軌道減衰を引き起こし、ステーションキーピング用の推進剤と迅速な補充を必要とし、特に太陽活動が活発な時期にはその必要性が高まる。
衛星が少ない場合、カバレッジの空白がリスクとして残る。持続的なタイミングサービスには都市部のユーザーで少なくとも16機の衛星が視野内にある必要があり、センチメートル級の測位には4機以上が必要である。
競争も生まれている。バージニア州のTrustPointはCバンド周波数を使用した300機のLEO航法コンステレーションを計画しており、2027年のサービス開始を目指している。欧州のESA Celesteミッションは2026年4月に最初のLEO航法信号を捕捉した。中国は実験的なLEO PNT衛星を軌道上に保有している。
しかし、より広い文脈が最大の推進力かもしれない。GPS妨害は世界中で記録的なレベルに達し、民間航空便、海上輸送、民生用スマートフォン航法を混乱させている。ロシア・ウクライナ戦争は、最も洗練されたGPS誘導兵器でさえ電子戦によって無効化されうることを実証した。オハイオ州立大学の航法研究者Zak Kassas氏がArs Technicaに語ったように、「さらなる冗長層が必要だ。」
雅子 訳