知らない街を歩くとき、スマートフォンの地図アプリを開けば、画面の青い丸がちゃんと自分のいる場所を教えてくれます。歩き出すと、まるで見守られているかのように丸が一緒に進んでいくのを見て、「宇宙の衛星から見られているのかな？」と不思議に思ったことはありませんか？
実は、宇宙にある人工衛星があなたを見張っているわけではありません。スマートフォンが宇宙から届く「時報の電波」をただ受け取って、自分の頭の中で計算して居場所を突き止めているのです。
今回は、手のひらのスマホとはるか宇宙の衛星が織りなす、GPSの知られざる仕組みをのぞいてみましょう。
GPSの正体は「宇宙からの時報」
GPS衛星は、地球の上空およそ2万キロメートルという遥かな宇宙を回っています。この衛星たちが何をしているかというと、実はシンプルに「今の正確な時刻」と「自分の軌道データ（宇宙のどこにいるか）」を電波で地上に向けて発信し続けているだけなのです。
電波は光と同じ速さ（1秒間に約30万キロメートル）で進みます。宇宙から放たれた電波が地上に届くまでには、ごくわずかな時間差が生まれます。
スマホは、電波が衛星を出発した時間と、自分が受け取った時間を比べることで、「電波が届くまでに何秒かかったか」を知ることができます。速さと時間が分かれば、「衛星から自分までの距離」を割り出せるというわけです。
なぜ衛星は「4機以上」必要なの？
1機の衛星からの距離が分かると、自分はその衛星を中心とした大きな球面のどこかにいることが分かります。
さらにもう1機加わると、2つの球面が重なる円周の上に絞られます。
そして3機目の距離が分かると、候補地点は2つにまで絞られ、そのうちの1つは宇宙空間になるため、地上にいる私たちの位置がほぼ決まります。
算数の計算上は、3機の衛星があれば位置が分かるはずです。それなのに、なぜGPSを利用するには「最低でも4機」の電波が必要なのでしょうか？
その答えは、時間のズレを直すためです。
電波は1秒間に地球を7周半もする猛スピードで進みます。そのため、ほんの100万分の1秒のズレがあるだけで、計算される距離は300メートルも狂ってしまいます。
宇宙の衛星には極めて正確な「原子時計」が積まれていますが、スマートフォンの中にそんな精密で高価な時計を入れることはできません。そのため、スマホの時計にはどうしてもわずかな誤差が生まれてしまいます。
そこで登場するのが4機目の衛星です。
位置（緯度・経度・高度）の3つの情報に加えて、「スマホの時計の狂い」という4つ目の謎を解くために、4つの方程式を作るように4機目の電波を使っているのです。4機目の情報と組み合わせることで、スマホは時計のズレをその場で修正し、正確な位置を割り出しています。
実はスマホは電波を返していない？
GPSに関してよくある勘違いが、「スマホが衛星に現在地を送っている」というものです。
実は、スマートフォンは衛星からの電波を一方的に「受信」しているだけで、宇宙に向けて電波を一切送っていません。たとえるなら、みんなで同じラジオ放送を聴いているような状態です。
だからこそ、世界中の何億人という人が同時に地図アプリを使っても、衛星がパンクすることはありません。スマートフォンは、宇宙から降り注ぐかすかな声に耳を澄ませて、黙々と計算しているだけなのです。
ちなみに、衛星が飛んでいる宇宙空間と地上では、重力や移動速度の違いによって時間の流れる速さがわずかに異なります。これを正しく直すために、物理学のアインシュタインの「相対性理論」を使った時間の補正まで行われているというから驚きですよね。
おわりに
道に迷ったとき、何気なく開く地図アプリ。その画面に浮かび上がるひとつの青い丸の裏側には、はるか2万キロの上空を飛ぶ人工衛星の正確な時報と、光の速さから距離を導き出すスマホの健気な計算がありました。
空を見上げても衛星の姿は見えませんが、今日も宇宙から届く見えない光が、私たちの足もとをやさしく照らしてくれています。次にマップを開くときは、遠い宇宙との小さなチームワークに、そっと思い馳せてみてくださいね。