GPS、Wi-Fi、電波塔。スマホが「今どこにいるか」を知る本当の仕組み

GPSは実際に何をしているのか

GPS、正確にはGNSSと呼ばれる仕組みは、上空およそ2万キロメートルを周回する衛星からの電波の到達時間を測ることで成り立っています。それぞれの衛星は自分が信号を送った正確な時刻を常に発信し続けています。スマホはそれと受信した時刻を比べ、そのわずかな差から衛星までの距離を割り出します。これを四基以上の衛星で同時に行えば、スマホは自分の位置を三次元で、わずか数メートルの誤差まで絞り込めます。

問題は、これが比較的開けた空を必要とすることです。GPS信号は宇宙から届く時点でかなり弱く、コンクリートや鉄、水をほとんど通過できません。屋外の開けた場所ではGPSは非常に優秀で、しばしば3から5メートル程度の精度が出ます。屋内や地下、高層ビルに囲まれた街路では、信号がまったく届かないか、建物に反射してから届くため到着時刻の計算が狂います。これがいわゆる「ビル峡谷」効果で、設計上の欠陥ではなく、本当の限界です。

Wi-Fi測位は、接続していないネットワークでどう機能するのか

これは意外に思われる点ですが、スマホは位置を知るためにWi-Fiネットワークに接続する必要がありません。ネットワークの名前と電波の強さが見えていれば十分なのです。AppleやGoogleなどの企業は、Wi-Fiアクセスポイントの物理的な位置を示す膨大なデータベースを、長年にわたり多数のスマホが匿名で「どのネットワークが見えているか」と「そのときGPSがどこにいると判断したか」を報告することで作り上げています。スマホが三つか四つの見覚えのあるアクセスポイントを検知すると、その組み合わせをデータベースと照らし合わせ、10から20メートル程度、ときにはさらに狭い範囲まで位置を推定できます。

屋内での位置確認がそもそも可能なのは、この仕組みのおかげです。屋内に入るとGPSはほとんど使えなくなるためです。一方でこれは、自信満々に間違った点が出る一番よくある原因でもあります。理由は単純で、そのデータベースが古くなるからです。引っ越したルーター、同じメーカーの初期設定名を持つ隣家の新しいルーター、何年も前に一度だけ記録されて更新されていないアクセスポイント。こうしたものが、スマホの推定を街区一つ分ずれた住所へと引っ張ることがあります。

携帯基地局は何を補っているのか

携帯基地局による三角測量は、三つの中でいちばん古く、いちばん大まかな仕組みです。携帯電話網につながっているスマホは、少なくとも一つ、通常は複数の基地局の圏内にいます。近隣の基地局間の電波強度と到達時刻を比較することで、通信会社はおおよその位置を推定できますが、基地局の間隔は都市部で数百メートル、地方では数キロメートルと大きく異なるため、結果として得られる精度は数百メートルから数キロメートルまで幅があります。

基地局による推定は最後の砦として存在しています。電波さえ届けばほぼどこでも機能し、GPSもWi-Fi測位もまったく使えない地下駐車場や地下室でも動きます。電話やデータ通信のためにどのみち基地局とやり取りしているため、バッテリー消費もごくわずかです。他の二つの方法が届かない場所でも、スマホがおおまかな位置、街ではあっても番地までではない位置を表示できるのはこのためです。

三つの方式を並べて比べると

この表のどの行も「これが正確な方式」で他が「不正確な方式」というわけではありません。それぞれが、他の二つが届かない場所を補っています。スマホが一つの方式だけに頼らない理由は、まさにここにあります。

「統合された位置情報」とは何を意味するのか

現代のスマホは一つの方式を選んでそれに固執することはありません。「統合位置情報」あるいは「ハイブリッド測位」と呼ばれる仕組みを常に動かし、そのときどきで使える信号を、それぞれの信頼度に応じて重みづけしながら組み合わせます。道を歩いているときはGPSが優勢になり、ショッピングセンターに入るとGPSが弱まりWi-Fiに重心が移り、地下駐車場に入ると基地局と、可能であれば動きを推定するセンサーにほぼ全面的に頼るようになります。

この切り替えはほとんど目に見えず、たいていうまく機能しますが、ある特有の不具合を説明してくれます。スマホが優勢な信号を切り替える瞬間に点が急に飛び、一瞬あり得ない位置を示してから落ち着く、というものです。この飛び方は、統合の仕組みが入力の重みづけをやり直しているだけで、何かを間違って追跡しているという意味ではありません。

地図上の「誤差の範囲」は何を伝えているのか

多くの家族向け地図アプリは、点の周りにうっすらとした円を表示します。この円は飾りではなく、明示された誤差の範囲です。おおむね「この円の中のどこかに、たぶん中心付近にいると考えています」という意味です。円が小さく引き締まっているときは、強いGPS信号と最近の信頼できるWi-Fi情報を組み合わせています。円が数百メートルにも広がっているときは、今まさに基地局だけを頼りにしている、屋内にいる、あるいは電波が弱いという、正直な告白です。

なぜバッテリー消費がこれほど違うのか

GPSは三つの中で最もバッテリーを消費します。無線機がかすかな衛星信号を捉え続けるために、位置を確定するまで数秒間ずっと聞き耳を立てている必要があるからです。Wi-Fiと基地局を使った推定は、はるかに省電力です。スマホはもともと通信のためにネットワークを探したり基地局とやり取りしたりしているからです。だからこそ、「常に正確な位置」を求め続けるアプリほど、目に見えてバッテリーを消耗するのです。よく作られた家族向け見守りアプリは、細かい精度が必要ない場面では意図的にWi-Fiや基地局ベースの推定に切り替え、到着した、エリアを出た、確認が必要な瞬間など、精度が本当に重要なときだけGPSの電力コストを払います。

不確かさを正直に見せてくれる位置情報の仕組みのほうが、いつも自信満々に見せる仕組みより信頼できます。