GPSラップタイマーを使う前に知っておきたいGPSの基礎｜1Hz・10Hz・GPS精度・GNSS・GPXを初心者向けに解説

 GPSラップタイマーを調べていると、

「GPSってそもそもどうやって位置を測っているの？」

「1Hzとか10Hzって何の数字？」

「スマートフォンのGPSと外付けGPSは何が違う？」

「10Hzなら必ず高精度なの？」

「GNSSってGPSと違うの？」

「GPXって何に使うの？」

といった言葉が出てきます。

GPSラップタイマーを実際に使ってみると、単純に「GPSが付いていればOK」というわけではありません。

特にサーキット走行では、車両が短時間で移動するため、位置情報がどのくらいの間隔で更新されるのか、どのようなGPS受信機を使っているのか、そして取得した位置情報をラップタイマーがどう処理するのかが重要になります。

この記事では、GPSラップタイマーを使い始める前に知っておきたいGPSの基本用語を、できるだけ難しい専門用語を使わずに整理します。

私自身、自作GPSラップタイマー「KLAP」を開発し、実際のサーキット走行でGPSを使ってきました。

その中で分かったことも交えながら、

• GPSとGNSSの違い

• GPSの位置情報はどうやって決まるのか

• GPSの「Hz」とは何か

• 1Hzと10Hzでは何が違うのか

• GPSの精度は何で決まるのか

• スマートフォンGPSと外部GPSの違い

• GPSモジュールとは何か

• NMEAとは何か

• GPXとは何か

を順番に説明します。

GPSラップタイマーでは「GPSの基礎」を知っておくと選びやすい

GPSラップタイマーを選ぶとき、

「10Hzだから高性能」

「スマートフォンだから精度が悪い」

「外付けGPSだから必ず正確」

と考えてしまうことがあります。

しかし、実際にはそれほど単純ではありません。

GPSラップタイマーの計測結果には、

GPS受信機の性能

位置情報の更新頻度

衛星からの信号状態

アンテナの環境

スマートフォンやアプリ側の処理

ラップラインを判定するアルゴリズム

など、さまざまな要素が関係します。

そのため、まずはGPSに関する基本的な言葉を理解しておくと、ラップタイマーの違いも分かりやすくなります。

そもそもGPSとは？

GPSは、人工衛星から送られてくる電波を利用して、自分が地球上のどこにいるのかを測定するシステムです。

GPSという言葉は、もともとはアメリカが運用している衛星測位システム「Global Positioning System」を指します。

現在では日常会話で、スマートフォンなどの位置情報測位全般を「GPS」と呼ぶことが多くなっています。

しかし、実際の衛星測位にはGPS以外にも複数の衛星測位システムがあります。

GPSとGNSSは何が違う？

GNSSは、

Global Navigation Satellite System

の略です。

簡単に言えば、

GPSを含む、衛星測位システム全体を表す言葉

と考えると分かりやすいです。

代表的なものには、

• アメリカ：GPS

• 日本：QZSS（みちびき）

• 欧州：Galileo

• ロシア：GLONASS

• 中国：BeiDou

などがあります。

現在のGPSモジュールは、GPSだけでなく複数の衛星測位システムに対応しているものが多くあります。

そのため、正確には「GPSモジュール」というより「GNSS受信機」と呼んだほうが適切な場合もあります。

ただし、この記事では分かりやすさを優先して、一般的に使われている「GPS」という言葉を使用します。

GPSはどうやって現在位置を測っている？

それぞれの衛星から届く信号の情報を利用して、自分の位置を計算します。

イメージとしては、

衛星 → GPS受信機 → 現在位置を計算

という流れです。

GPS受信機からは、

• 緯度

• 経度

• 高度

• 移動速度

• 時刻

• 測位状態

などの情報を取得できます。

GPSラップタイマーでは、この中でも特に重要なのが、

緯度・経度・時刻・速度

です。

例えばサーキットを走行している場合、

「今どこを走っているのか」

を連続して取得することで、走行軌跡を記録できます。

そしてスタートラインを通過した位置と時刻を判定することで、1周の時間を計算できます。

これがGPSラップタイマーの基本的な仕組みです。

GPSの「1Hz」「5Hz」「10Hz」とは？

GPSラップタイマーを調べていると、必ず出てくるのが「Hz」という数字です。

これはGPSの位置情報を更新する頻度を表します。

例えば、

となります。

つまり10HzのGPSなら、理論上は1秒間に10回位置情報を出力します。

上の画像は、自作ラップタイマーアプリで1Hzの更新レートで走行しGPSデータを解析した画像になります。

1秒に1回、位置データが送信されているため地図上に表示すると走行ラインがなんかカクカクした表示になっています。

上の画像は外部GPSモジュールを10Hzに設定し、実走行をおこなった画像になります。

走行ラインが滑らかでどこをどう通ったか非常にわかりやすいです。

1Hzと10Hzでは位置情報の送信が10倍となり解析で走行ラインを確認する場合など非常に優れた結果となることがわかります。

1Hzと10Hzではどのくらい違う？

例えば時速100kmで走っているとします。

時速100kmは、秒速にすると約27.8mです。

1Hzの場合、位置情報が1秒に1回なら、単純計算では次の位置情報まで約27.8m移動することになります。

一方10Hzなら、0.1秒ごとに位置情報を取得できます。

単純計算では、

約2.8mごと

に位置情報が更新されることになります。

もちろん、これはGPSの実際の測位誤差を含まない単純な距離計算です。

「10Hzなら2.8mの精度になる」という意味ではありません。

ここは非常に重要です。

例えば、

ラップタイマー計測でスタートラインを横切ったら計測するというプログラムで1Hz、10HzのGPSモジュールで位置情報取得し動いていたとします。

時速100kmで走行し、スタートラインの手前で1Hz、10Hzでともに位置情報取得、1秒後、0.1秒後にスタートラインを通過し通過判断しました。

仮に通過した瞬間に次のラップ計測が始まると1Hzではスタートラインから27.8ｍ進んでいる、10Hzでは2.78m進んでいるということになります。

次の周回で正確なスタートラインでともに計測できた場合、1Hzも10Hzもスタートラインから先に進んでいますので、かなり速いラップタイムになるかと思います。

ストップウォッチで手動で計測したとき早めに押してしまった、遅れて押してしまったということと同じことが起こるということです。

実際、自作でラップタイマーアプリを開発したとき、単純に通過のみ判定するというプログラムを作りました。

その時、遅いラップの次は速いラップとラップタイムが非常にバラツキ精度がでないことがわかりました。GPSモジュールを10Hzにすれば改善されるのですが、それでも0.1秒で数ｍの誤差が生じるわけですからバラツキは抑えられませんでした。

スタートラインで常に計測するということが必要だった訳です。

赤外線ラップタイマー、磁気ラップタイマーは計測位置は固定されています。

ただし、GPSラップタイマーは衛星で位置情報を取得している訳ですから固定されていません。

そのため、プログラム上でスタートラインを常に固定できるよう修正が必要だった訳です。

GPSの更新レートだけでなく、計測するアプリのプログラムの精度にもラップタイムの精度は依存するということを理解してもらえれればと思います。

10Hzなら必ず高精度なの？

これはGPSラップタイマーを選ぶときに、特に注意したいポイントです。

10Hz＝必ず高精度

ではありません。

10Hzというのは、あくまで

位置情報を更新する頻度

です。

実際の測位精度には、

• GPS/GNSS受信機の性能

• アンテナ

• 衛星の受信状態

• 周囲の建物や構造物

• 電波の反射

• 受信機の設定

• アプリ側の処理

• ラップ判定方法

なども影響します。

そのため、

「1Hzより10Hzのほうが位置情報を細かく取得できる」

ことと、

「10Hzなら絶対に正確」

ということは別の話です。

それでもラップタイマーでは10Hzが欲しくなる理由

では、なぜ私がGPSラップタイマー「KLAP」を開発する中で10Hzにこだわるようになったのでしょうか。

理由の一つは、サーキット走行では車両が短時間で大きく移動するからです。

ラップタイマーは単純に「現在位置」を表示するだけではありません。

例えば、

スタートラインを通過した

セクターラインを通過した

といった位置関係を判断する必要があります。

1Hzでは、次の位置情報を受け取るまでの間に車両が大きく移動します。

10Hzなら、より短い間隔で位置情報を受け取ることができます。

そのため、サーキット走行のような用途では10HzのGPSが非常に魅力的になります。

ただし、ここでも重要なのは、

更新頻度だけでラップタイムの精度が決まるわけではない

ということです。

GPSの性能と、それを利用するソフトウェアの処理方法を合わせて考える必要があります。

10Hz GPSについて実際の走行データを使った検証については、別の記事で詳しく紹介しています。

GPSの「精度」と「更新頻度」は別物

ここは混同しやすいところです。

例えば、

更新頻度

は、

「1秒間に何回位置情報を取得するか」

です。

一方、

測位精度

は、

「計算された位置が実際の位置からどの程度ずれているか」

という話です。

そのため、

10Hzだから高精度  

ではなく、

10Hzなら位置情報をより細かい時間間隔で取得できる

と考えるのが正確です。

GPSラップタイマーでは、この2つを分けて考えることが重要です。

画像は自作ラップタイマーで10Hzで計測結果です。

走行ラインは滑らかですが、コースの外を走行したり隣のコースにはみ出したりと実際の走行ラインとはかけ離れた位置を走行しています。

これは開発過程の画像で、GPSモジュールの古いモデルを10Hzに設定し走行した結果です。

位置情報が正確にとれていない　ということになります。

画像はGPSモジュールを交換し、10Hzで計測した結果です。

走行ラインも滑らかで、きれいにラインをトレースしています。

更新頻度が高くても測位精度が悪いと正確に計測できないという例でした。

更新頻度、測位頻度ともにGPSラップタイマーには必要だということがわかります。

スマートフォンのGPSと外付けGPSは何が違う？

GPSラップタイマーには、大きく分けて2つの使い方があります。

スマートフォン内蔵GPSを使う

スマートフォンにはGPS/GNSS受信機が内蔵されています。

そのため、アプリをインストールするだけでGPSラップタイマーとして利用できる場合があります。

最大のメリットは、

スマートフォンだけで始められること

です。

GPSラップタイマーを試してみたい初心者には、とても手軽な方法です。

スマートフォンのGPSは1Hzが多いです。

また、位置情報はネットワークを使うことにより補正をかけ正確な位置を取得しています。

ネットワーク環境でない場合は、スマホのGPSの性能に位置情報は委ねられます。

1Hzでもラップタイマーアプリによりスタートライン補正がかかっているとは思いますが、そちらはアプリのプログラムに委ねられます。

外付けGPSを使う

もう一つが、スマートフォンとは別にGPS受信機を用意する方法です。

外付けGPSから位置情報をスマートフォンやラップタイマーへ送ります。

接続方法には、

• USB

• Bluetooth

などがあります。

外付けGPSのメリットは、使用するGPS受信機を選べることです。

特にGPSラップタイマーで10Hzの位置情報を利用したい場合には、10Hz出力に対応した外部GPSが選択肢になります。

無料アプリでも外付けGPSモジュールに対応しているものも多いです。

私がKLAPの開発で使用しているGPSモジュールについても、別記事で詳しく紹介しています。

GPSモジュールとは？

「GPSモジュール」という言葉も、GPSラップタイマーの記事ではよく出てきます。

簡単に言えば、

GPS衛星からの電波を受信して、位置情報を出力する電子部品

です。

GPSモジュールには、

• GNSS受信チップ

• アンテナ

• 通信回路

• 各種設定

などが組み合わされています。

自作GPSラップタイマーでは、このGPSモジュールから位置情報を取得して、マイコンやスマートフォンのアプリで処理します。

KLAPでは、u-blox製のM8やM10系GPSモジュールを使用した検証も行っています。

GPSモジュールの設定で「10Hz」にすることがある

例えば、

1Hz → 5Hz → 10Hz

のように設定できる機種があります。

また、GPSモジュールからどのようなデータを出力するかを設定できる場合もあります。

自作GPSラップタイマーでは、このようなGPSモジュールの設定が重要になります。

ただし、すべてのGPSモジュールが同じ設定方法ではありません。

メーカーやチップによって設定方法が異なるため、実際に使用するGPSモジュールの仕様を確認する必要があります。

NMEAとは？

NMEA

という言葉も登場します。

NMEAは、GPS受信機などから位置情報を送るために広く使われているデータ形式です。

例えば、

• GGA

• RMC

などのデータがあります。

GPSラップタイマーを自作する場合、GPSモジュールからこのようなデータを受信して、

緯度・経度・速度・時刻

などを取り出して利用します。

つまり、

GPS衛星 → GPSモジュール → NMEAデータ → ラップタイマー

という流れになります。

自作GPSラップタイマーを作る場合には、NMEAはかなり重要なキーワードになります。

GPXとは？

GPSラップタイマーを使っていると、

GPXファイル

という言葉も出てきます。

GPXは、GPSなどで取得した位置情報を保存するために使われるXML形式のファイルです。

GPSラップタイマーで走行ログを保存すると、

「どこを走ったのか」

「どのようなラインを走ったのか」

といった情報を後から確認できるようになります。

例えば、

• 走行ルート

• 走行軌跡

• 位置情報

• 時刻

• 速度

などを利用して、走行データを解析できます。

GPXを使うとラップタイム以外も見えてくる

走行ログを保存しておけば、後からデータを確認できます。

例えば、

「この周はどこを走っていたのか」

「前の周とラインが違うのか」

「速度の変化はどうだったのか」

といった分析につなげることができます。

KLAPでもGPXログを利用した走行解析を行っています。

ラップタイムだけでは分からなかった部分を、GPSログから確認できるのが大きなメリットです。

セクタータイムを比較できる

例えば、以下は実際に走行したラップを切り取ってみました。

　　L1４

　L16

S2でベストタイムが出たL14の方が４コーナー５コーナーをコンパクトにまわり、その後の直線でスピードにのってることがわかります。

このように、GPXログの代表的な活用方法が「走行ラインの確認」です。

実際にどのラインを通っていたのかを地図上に表示できます。

• 進入位置が毎周違っていないか
• クリッピングポイントが安定しているか
• 立ち上がりラインが広がっていないか

などを客観的に確認できます。

また、「同じように走っているつもりだったのに、実は毎周ラインが違っていた」ということも珍しくありません。

ベストラップとの差が分かる

ラップタイムだけを見ると、

「今日は0.5秒遅かった」

という結果しか分かりません。

しかしGPXログを解析すると、

• 1コーナー進入で失っている
• 最終コーナーの立ち上がりが遅い
• ストレートの加速が足りない

など、タイム差が生まれた場所を把握できます。

改善ポイントが明確になるため、次の走行につながります。

GPXログを複数保存しておけば、

• 今日の走り
• 前回のベストラップ
• セッティング変更後の走行

などを比較できます。

「速かった日の走り」を再現するための参考資料として活用できます。

感覚だけに頼らず、データで振り返ることができるのは大きなメリットです。

セッテイングの効果を確認できる

GPXログはライダーだけでなく、マシンセッティングにも役立ちます。

例えば、

• ギヤ比変更
• サスペンション調整
• タイヤ変更
• 空気圧変更

を行った際に、

• 最高速が伸びたのか
• コーナー速度が上がったのか
• タイム短縮につながったのか

を確認できます。

「なんとなく良かった気がする」ではなく、実際のデータとして比較できます。

GPSラップタイマーで覚えておきたい用語

ここまでの内容を簡単にまとめます。

GPSラップタイマーを選ぶときに見るポイント

GPSラップタイマーを選ぶときは、単純に「GPS対応」と書いてあるかだけを見るのではなく、次のような点を確認すると分かりやすくなります。

① スマートフォンだけで使えるか

手軽に始めたい場合は重要です。

スマートフォン内蔵GPSを利用できるタイプなら、GPS受信機を別に購入する必要がありません。

② 外部GPSに対応しているか

より高い更新頻度のGPSを使いたい場合には重要になります。

USBやBluetoothで外部GPSを接続できるタイプなら、使用するGPS受信機を選べる場合があります。

③ 何Hzに対応しているか

1Hz、5Hz、10Hzなど、GPSの更新頻度を確認します。

サーキット走行でGPSの位置情報を細かく取得したい場合には、10Hz対応GPSが候補になります。

④ GPSログを保存できるか

ラップタイムだけでなく走行データを後から分析したい場合には、ログ保存機能も重要です。

GPXなどの形式で保存できれば、対応する解析ソフトで走行データを確認できます。

⑤ GPSだけでなくアプリ側の処理も確認する

ここは意外と重要です。

同じ10Hz GPSを使用しても、ラップラインをどのように判定するかによって結果は変わります。

GPSから得られた位置情報を、

どのように処理してラップタイムに変換するか

もラップタイマーの性能に関係します。

KLAPの開発でも、GPSの更新頻度だけでは解決できない問題があり、実際の走行データを使いながら判定方法を改善してきました。

10Hz GPSが欲しくなったら、次に考えること

ここまで読むと、

「ラップタイマーなら10Hz GPSを使ってみたい」

と思う人もいると思います。

実際、サーキット走行では10Hz GPSは非常に魅力的です。

ただし、

10Hz GPSを買えば、それだけでラップタイムが正確になるわけではありません。

GPS受信機の性能、アンテナ、受信環境、データ出力、アプリ側の処理などを合わせて考える必要があります。

私がKLAPを開発したときも、最初からすべてがうまくいったわけではありません。

実際に走行させてみると、

「GPSの更新頻度を上げれば解決する」

だけではない問題がいくつもありました。

その試行錯誤については、KLAPの開発記事で詳しく紹介しています。

GPSラップタイマーを理解するなら「GPS → 10Hz → 走行解析」の順番がおすすめ

GPSラップタイマーを初めて使う場合、最初からGPSモジュールの設定やNMEAデータまで理解する必要はありません。

まずは、

GPSとは何か

↓

GPSラップタイマーは何を測っているのか

↓

1Hz・5Hz・10Hzとは何か

↓

10Hz GPSを使うメリットは何か

↓

外部GPSやGPSモジュールとは何か

↓

GPXに保存すると何ができるのか

という順番で理解すると分かりやすくなります。

GPSラップタイマーは、単に「タイムを測る機械」ではありません。

GPSから取得した位置情報を利用することで、ラップタイムだけでなく、走行軌跡や速度など、走行そのものをデータとして残すことができます。

私自身も、この「走行をデータとして残して分析できる」という部分に興味を持ったことが、GPSラップタイマー「KLAP」を自作するきっかけの一つになりました。

まとめ

GPSラップタイマーを理解するために、まず覚えておきたいのは次のポイントです。

• GPSは衛星を利用して現在位置を測定する

• GNSSはGPSを含む衛星測位システム全体の呼び方

• Hzは位置情報の更新頻度

• 1Hzより10Hzのほうが短い間隔で位置情報を取得できる

• 10Hzだから必ず高精度というわけではない

• GPSの精度には受信機やアンテナ、受信環境なども影響する

• スマートフォン内蔵GPSだけで使えるラップタイマーもある

• 外部GPSを接続できるラップタイマーもある

• GPSモジュールからNMEA形式のデータを取得できる

• GPXを使えば走行ログを保存して後から解析できる

• ラップタイマーの性能はGPSだけでなく、データ処理やラップ判定方法も関係する

GPSラップタイマーを選ぶときは、単純に「10Hzだから良い」と考えるのではなく、

GPS受信機・更新頻度・アプリ・データ処理

をまとめて考えることが大切です。

そして実際にGPSラップタイマーを使ってみると、カタログスペックだけでは分からないこともたくさんあります。

このブログでは、自作GPSラップタイマー「KLAP」の開発と実走テストを通して、GPSラップタイマーの仕組みやGPSモジュール、10Hz GPS、走行データ解析について紹介しています。

GPSラップタイマーをこれから始める人は、まず基本的な仕組みを理解し、その上で自分の走行スタイルに合ったGPSやラップタイマーを選んでみてください。