全地球測位システムと全球測位衛星システムで建設現場の精度を向上

全地球測位システムと全球測位衛星システムの基礎

全地球測位システム（GPS: Global Positioning System）と全球測位衛星システム（GNSS: Global Navigation Satellite System）は、建設現場における測量技術の根幹を成す技術です。GPSはアメリカが開発した単一の衛星測位システムであり、地球上空約2万メートルを周回する少なくとも24個の衛星で構成されています。一方、GNSSはGPSを含む複数の国や地域が運用する測位衛星システムの総称であり、ロシアのGLONASS、欧州のGalileo、中国のBeiDou、日本のみちびき（QZSS）など、世界中の衛星システムを統合した概念です。
参考）衛星測位システム - Wikipedia
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国土地理院が定める公共測量に係る作業規程の準則では、2011年4月から従来の「GPS測量」の用語に代えて「GNSS測量」の用語を使用するように改訂されました。これは、測位技術の進化と国際的な標準化の流れを反映したものです。建設業界では、この変更により測位精度が大幅に向上し、より信頼性の高い施工管理が可能になっています。
参考）GNSS測位とは
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全球測位衛星システムの「全球」という訳語については、「全地球」よりも適切とする議論があります。その理由は、globe/globalの本義が「球」であり、火星や月の衛星型測量機の名称にも使用されているため、地球に限定しない表現として「全球」の方が正確だからです。建築事業者にとって、この技術の理解は現代の施工現場において不可欠な知識となっています。
参考）GNSSとは？土木測量での活用法と最新デバイスLRTKの実力
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全地球測位システム（GPS）の仕組みと特徴

全地球測位システム（GPS）は、衛星群、地上管制局、GPS受信機の3つの要素で構成される宇宙ベースのナビゲーションシステムです。衛星は自身の位置と信号を送信した正確な時刻を含む無線信号を送信し、地上管制局は衛星を監視・管理して軌道の正確性を保証します。受信機は複数の衛星からの信号を受信し、信号の時間遅れを計算することで地球上の位置を決定する仕組みです。
参考）全地球測位システム（GPS）
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GPSは当初、米国防総省が軍事ナビゲーション用に開発しましたが、現在ではナビゲーション、地図作成、時刻同期など幅広い民間アプリケーションに欠かせない技術となっています。建設分野では、不動産の境界線の明確化、建設計画、環境モニタリングなどのタスクをサポートしています。GPS単独の測位精度は、一般的に数メートル程度とされており、カーナビゲーションなどの日常的な用途には十分ですが、建設現場で求められるセンチメートル級の高精度測位には不十分です。
参考）RTKと無人建機が変える道路工事の現場：ICT施工による効率…
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GPS衛星の配置は世界中で共有して利用しているため、各地点で見える衛星数は十分ではない場合があります。特に、ビルや樹木などで視界が狭くなる都市部や山間部では、測位の安定性が低下する課題があります。2024年10月の東京における観測データでは、仰角マスクが30度の場合、GPS単独では4つの衛星しか見えない状況も報告されています。こうした制約から、建設業界では複数の測位衛星システムを統合したGNSSの活用が進んでいます。
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全球測位衛星システム（GNSS）の構成と利点

全球測位衛星システム（GNSS）は、複数の国が運用する衛星測位システムを統合した包括的な技術体系です。具体的には、アメリカのGPS、ロシアのGLONASS、中国のBeiDou（北斗）、日本のみちびき（QZSS）、ヨーロッパのGalileo（ガリレオ）などが含まれます。これらのシステムは独立して動作しており、GNSS対応の受信機を使用すると複数の衛星システムを組み合わせて測位が可能です。
参考）【2025】GNSSとGPSの違いは？測量技術の違いと活用事…
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GNSSとGPSの最大の違いは、その範囲と精度にあります。従来のGPS受信機はGPS衛星からの信号のみを使用して位置を計算していましたが、GNSS受信機はGPS以外にもGLONASSやGalileo、BeiDou、みちびきなど複数のシステムの衛星信号を同時に受信して位置計算ができます。この違いにより、GNSS対応の機器は「見えている衛星の数」が増えるため測位精度が向上します。前述の2024年10月の東京における観測では、GPS単独で4つの衛星しか見えなかった状況でも、全GNSS衛星を使用すると32個の衛星が見えることが確認されています。
参考）GNSSとGPSの違いを解説：高精度測位で何が変わる？
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複数のコンステレーションにアクセスできるため、GNSSは密集した都市部、山岳地帯、森林地帯などGPS単体では対応が難しい環境でも正確な位置データを提供できます。高品質のGNSSアンテナは、さまざまな衛星コンステレーションからの信号を受信するよう設計されており、強固で中断のない接続を確保します。建設現場では、この特性により上空視界が限られた環境でも安定した測位が可能となり、ICT施工やマシンコントロール技術の基盤として活用されています。
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全地球測位システムにおける測位精度を左右する要因

全地球測位システムの測位精度は、複数の要因によって影響を受けます。最も重要な要因の一つは衛星の配置と数です。衛星測位を行う場合、上空の人工衛星がなるべく広い範囲にまんべんなく配置されていると測位精度が良くなり、この配置バランスの度合いをDOP（Dilution of Precision）と呼びます。水平位置については低仰角の衛星が含まれると精度が良くなり、全体の測位誤差を改善するには高仰角の衛星が含まれることが望ましいとされています。
参考）衛星測位サービス｜みちびきとは｜みちびき（準天頂衛星システム…
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マルチパスによる誤差も測位精度に大きく影響します。マルチパスとは、電波がまっすぐに届くだけでなく山やビルなどに反射して複数のルートで伝播することです。反射した電波は受信機に到達するまでに時間がかかることから「距離が遠い」と計測されるため、正確な測位を乱す要因となります。高仰角から発信される測位衛星の電波は反射波が遠くまで届かないことからマルチパスが起きにくく、測位誤差を改善できます。​
大規模な土木現場で活用されている高精度GNSS測位システムでも、上空視界が限られると同一種の測位衛星4～5ペア以上からの測位衛星信号を受信できないケースがあります。清水建設が開発した新たなGNSS測位システムでは、こうした制約を克服するため、異なる種類の測位衛星を組み合わせて利用するマルチGNSS技術が採用されています。2020年頃からは、L1周波数だけでなくL5周波数なども使用するマルチバンドGNSSも普及し、測定精度が向上しました。これらの技術革新により、建設現場での測位精度は飛躍的に向上しています。
参考）建設機械の位置情報や法面等の地盤変位を高精度でリアルタイムに…
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全球測位衛星システムが建設業界にもたらした変革

全球測位衛星システムの普及により、建設業界では測量作業の省力化・省人化が劇的に進みました。かつて土木工事の測量といえば、トータルステーションやレベル（測量用水準器）を用いて測量士が手作業で行うのが一般的でしたが、GNSS技術の導入により、測量専門会社に依頼していたような高精度の位置出し作業も自社で行えるケースが増えています。GNSSによって得られる座標は世界共通の基準系（日本ならJGD2011/JGD2022等）に基づくため、設計CADやGIS地図とのデータ連携が容易です。​
ICT施工やi-Constructionといったプロジェクトにより、建設業界ではGNSSを活用した施工管理が当たり前になりつつあります。ブルドーザーやショベルカーにGNSS受信機を搭載して自動で精密な削土・盛土を行うマシンコントロール技術や、ドローンによる空撮写真測量（フォトグラメトリ）でもGNSSが基盤技術として使われています。測量結果の即時共有や一元管理が可能となり、工事の進捗管理や出来形検測の精度・効率は飛躍的に向上しました。​
大手ゼネコンでは、品質向上と現場の負担削減を両立させるために、GNSSを使った高精度測位システムを活用する取り組みが広がっています。低価格のみちびき対応マルチGNSS受信モジュールの普及も、その動きをあと押ししています。土木工事における建設機械の位置情報や法面等の地盤変位を高精度でリアルタイムに検出できる新たなGNSS測位システムも開発されており、安全管理の面でも大きな貢献をしています。これらの技術革新により、建設業界の生産性向上と働き方改革が実現されつつあります。​

全地球測位システムの測位方式と精度レベルの違い

全地球測位システムには、精度と用途に応じて複数の測位方式があります。最も基本的な単独測位は、スマートフォンやカーナビで使用されている10m程度の正確さで位置を求める方法です。衛星測位は人工衛星から送信される航法メッセージとメッセージコード、搬送波位相を利用して位置を求めます。航法メッセージには衛星の位置（座標）に関する情報が含まれ、コードには衛星から信号が発射された時刻と受信機で受信した時刻差を測定するための情報が含まれています。
参考）精度を高める測位方式について
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より高精度な測位を実現する方法として、DGNSS（デファレンシャルGNSS）方式があります。この方式は、位置の異なる2点から単独測位を行い、その結果を位置がわかっている基準点の補正情報をもとに修正する測位方式で、多くの観測データを活用します。単独測位やDGNSS測位はコードによる距離のみを利用しますが、RTK（リアルタイムキネマティック）ではコードと搬送波位相を利用することでセンチメートル級の精度を実現します。
参考）GNSSとは？衛星測位システムの種類やGPSとの違いを解説！
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搬送波位相を用いることで、RTK方式では水平位置で約2～3cm、鉛直方向で約3～4cm程度の高精度測位が可能です。この精度は、単独測位の誤差数mと比較して格段に高精度であり、建設現場で求められる精密な位置出しや高さ方向の計測に十分応えうる性能となっています。さらに、長時間データを受信し後処理でより高精度に位置を求める方法もあり、サブメートルやセンチメートル程度でリアルタイムに求める方法など、それぞれの情報の詳細さに応じた測位方式が選択できます。建設現場では、用途や求められる精度に応じて最適な測位方式を選択することが重要です。
参考）高精度測位サービス徹底比較：従来RTK vs VRS vs …
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全球測位衛星システムにおけるRTKとVRSの仕組み

RTK（Real Time Kinematic）は、基準局と移動局を組み合わせて誤差をリアルタイムに補正する高精度測位方式です。まず基準局を設置してGNSS衛星の信号を受信し、「正しい位置」と「観測データ」の差を計算します。この誤差情報を通信回線で移動局（ローバー）へ送信し、移動局は補正情報を用いて数センチ単位の精度を確保します。建設機械の自動制御（ICT建機）、ドローン測量によるオルソ画像生成、農業機械の自動操舵、土木工事の出来形管理など、局所的かつ高精度が求められる現場で力を発揮する方式です。
参考）【2025】RTKとVRSとの違いは？用途・仕組みと導入の際…
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RTKは基準局からの距離が近いほど精度が高く、数キロ圏内では数センチ単位の精度を維持できます。ただし、距離が離れると誤差が増大し、数十キロを超えると精度が低下する特性があります。従来RTKでは基準局との距離が精度に影響するため、広い現場で基準局から離れすぎると誤差が若干大きくなります。​
一方、VRS（Virtual Reference Station）は複数の基準局データを利用し、利用者の位置に応じて「仮想基準局」を生成するネットワーク型の方式です。常に近傍に基準局があるかのように補正情報を配信できるため、広範囲を移動しても安定した精度を維持できます。また、自営で基準局を設置する必要がなく、通信契約だけで利用できるのも特徴です。国土地理院の電子基準点ネットワークを利用した測位、都市規模の地図整備、広大な農地における精密農業、自動運転の広域走行などに活用されています。VRS方式では常に近傍に仮想基準点がある前提なので、広範囲で均質な精度を保ちやすい利点があります。​

全地球測位システムを活用したマシンコントロール技術

ICT施工の中核技術となるのが、高精度衛星測位技術であるRTK-GNSSです。RTKとは基準局（基地局）と移動局（ローバー）で観測したGNSS信号の差分をリアルタイムに適用し、センチメートル級の測位精度を実現する方式を指します。具体的な精度は通常、水平位置で約2～3cm、鉛直方向で約3～4cm程度とされ、単独測位（一般的なGPS測位）の誤差数mと比較して格段に高精度です。この高精度RTK測位により、道路工事現場の測量や重機の位置決めが飛躍的に正確かつ効率的になります。​
マシンコントロール（MC）とマシンガイダンス（MG）は、建設機械にGNSS技術を統合したシステムです。無人建機とはオペレーターが搭乗せずに遠隔操作や自動制御で動く建設機械の総称です。ブルドーザーやバックホウ（ショベル）などにGNSS受信機や姿勢センサーを搭載し、3次元設計データ上の目標と現在位置を常に比較しながら動作します。RTK-GNSSによる高精度な現在位置情報があることで、建機は人手を介さずともブレード（排土板）やバケットの位置を自動で調整できます。​
最新のGNSS制御ブルドーザーでは、設定した設計面の高さに合わせてブレードが自動制御されるため、オペレーターは前進後退の操作に専念するだけで精密な敷均し作業が可能です。従来のように職員が高さを示す「丁張り」を設置したり、それを見ながら微調整したりする必要がなく、熟練オペレーターでなくても均一な仕上がり品質を実現できます。GNSSを活用したICT施工対応製品として、転圧管理システム『SmartRoller』や杭打ち管理システム『SmartPile』など、多数の製品が提供されています。これらのシステムは国土交通省「TS・GNSSを用いた盛土の締固め管理要領」に対応しており、人為的なミスによる締固め不足やオペレータによる品質の差をなくすことができます。​

全球測位衛星システムを用いたドローン測量の実用化

全球測位衛星システムを搭載したドローンによる測量技術は、建設現場の測量作業を劇的に効率化しています。RTK搭載ドローンを活用することで、広大な土木現場や急峻な山間部でも、人が立ち入らずに高精度の地形モデルを作成可能です。ドローンにRTK受信機を搭載して空撮すれば、GPSログの誤差をリアルタイム補正できるため、後処理での標定点合わせ作業を削減できます。RTK対応ドローンで取得した航空写真から生成した地図や点群データは、従来法に比べて精度が格段に向上し、設計や出来形管理に役立っています。
参考）LRTK導入で実現する建設現場の作業効率化 
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あるダム建設現場では、数十万立方メートルに及ぶ大規模な掘削土量の管理にRTK搭載ドローンを活用しました。従来は工区ごとにTSで断面測量を行い土量を算出していましたが、ドローンによる週次の空撮で現地全体の3次元地形モデルを作成することで、エリア全体の土量把握と進捗管理が一度に実施可能となりました。RTKのおかげで取得データの精度誤差は数センチ程度に収まり、出来形検査に必要な精度も十分満たしています。結果として、測量に割く日数が月ベースで半分以下に短縮され、測量担当者の人員も削減できました。
参考）ドローン測量＋RTKで出来ること：空撮から3次元地図作成まで…
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大林組とNTTコミュニケーションズは、屋内建設現場における施工管理の効率化をめざし、ドローンを活用した完全無人巡回による工事進捗管理の実証実験を3ヵ月にわたって実施しました。本実証により、屋内建設現場の巡回・記録に要する時間を従来の1時間から10分に短縮するとともに、日々変化する状況下において安全に自動巡回ができることを確認しました。従来、建設業界では工事写真の撮影および測量の目的でドローンの利用が進んでいましたが、屋外での使用が多く、GNSSが取得できない屋内での活用は進んでいませんでした。自動給電可能なドローンポートと専用システムを導入することにより、ドローンのみの完全無人巡回を実現しています。
参考）ドローンを活用した完全無人巡回による建設現場の工事進捗管理の…
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全地球測位システムによる法面変位監視の実用例

全地球測位システムは、建設現場における安全管理の分野でも重要な役割を果たしています。マルチGNSS地盤変位計測システムは、自然斜面やのり面に複数台のセンサーを設置して地盤変位を監視するシステムです。地盤変位が観測された場合は、警報や退避指示などの措置を講じることができ、突発的な斜面崩壊の予兆を捉えることが可能です。大林組は、土砂崩れの兆候をつかむ「マルチGNSS地盤変位計測システム」を開発し、複数の測位衛星で高精度に地盤変位を解析する技術を確立しました。
参考）［ICT活用事例］マルチGNSS 地盤変位計測システム｜建災…
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GPSセンサによる法面の位置ずれ把握では、法面の斜面上に複数設置したGPSセンサーを、GPS衛星が計測する複数点間の位置情報から、法面等のずれを監視センターで常時観測し、危険度予測を行います。斜面の情報は気象情報と併せて監視センターから配信され、利用者はPCや携帯端末等で最新の斜面状況を確認できます。地盤計測用に開発された小型・軽量のセンサーとデータを最新の解析手法で分析する監視センターとの組合せで、高精度（最高2mm程度）の計測が可能です。
参考）https://www.mlit.go.jp/common/001016261.pdf
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ある切取り長大斜面の現場においてGPSを用いて変位計測を実施し、さらに計測結果の逆解析に基づき斜面の安全管理を行った事例が報告されています。太陽光発電による自立給電を用いたGPS無線センサによる変位観測データを予測型フィルタ（カルマンフィルタ）を用いた変位計測の実施事例では、ソーラパネルにより自立給電されノーメンテナンスで観測測位が可能なシステムが構築されています。ただし、GPSセンサが雪に埋もれると計測に支障があるため、積雪対策が必要という課題も指摘されています。これらの技術により、建設現場の安全性が大幅に向上しています。
参考）大林組が、土砂崩れの兆候をつかむ「マルチGNSS地盤変位計測…
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全球測位衛星システムの今後の展開と可能性

全球測位衛星システムの技術革新は今後も継続的に進展すると予想されます。現代では、全地球コンステレーションとして米国のGPS、ロシアのGLONASS、欧州のガリレオ、中国の北斗の4つがあり、地域コンステレーションとしてインドのNavIC、日本のみちびきの合計6システム百数十機の航法衛星がグローバルに利用されています。スマートフォンやスマートウォッチなども対応しており、利用者側の立場から考えれば、米国のGPSに限らず複数の航法衛星システムを1つの安価な受信機で測位に使用できていて可用性や利便性や冗長性が向上しています。​
空が開けていない場所等の条件下でも、利用者受信機が可視衛星（さらには精度阻害の小さい可視衛星）を4機以上受信できる可能性が増大し、実際に日本では数十機が受信できています。さらに、2020年頃からL1周波数だけでなくL5周波数なども使用するマルチバンドGNSSも普及し、測定精度が向上しました。将来的にはNISAR衛星とSentinel-1衛星の統合により、複数の幾何学的・プラットフォーム視点から包括的な監視と早期警告が可能になると期待されています。
参考）https://www.mdpi.com/1424-8220/24/16/5449
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清水建設が開発した新たなGNSS測位システムは、同一種の測位衛星4～5ペア以上からの測位衛星信号を受信する必要がある従来の制約を克服し、上空視界が限られた環境でも高精度な測位を実現しています。開発にあたっては東京海洋大学の指導を得てRTKLIBソフトウェアをベースに新たなアルゴリズムを構築しました。低価格のみちびき対応マルチGNSS受信モジュールの普及も、建設現場での高精度測位活用を加速させる要因となっています。これらの技術革新により、建設業界の生産性向上と安全性の確保が今後も進展していくと考えられます。​
国土地理院「GNSS測位とは」 - GNSS測位の基礎知識と公共測量での活用方法について詳しく解説されています
「GNSSとは？土木測量での活用法と最新デバイスLRTKの実力」 - 土木測量におけるGNSS技術の実用的な活用事例と最新技術を紹介しています
内閣府「大手ゼネコン、現場での高精度測位活用を加速」 - 建設業界における高精度測位システムの導入事例を具体的に紹介しています