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全球測位衛星システム(GNSS)とは?GPSとの違いや測位の仕組みを徹底解説!

スマートフォンの地図アプリやカーナビ、自動運転技術まで、私たちの生活のあらゆる場面で活躍する全球測位衛星システム(GNSS)

しかし、「GPSとの違いがわからない」「測位誤差が大きい」「セキュリティは大丈夫?」といった疑問を持つ人も多いのではないでしょうか?

本記事では、GNSSの仕組みや活用事例、最新技術、将来の展望までわかりやすく解説します。

GNSSが私たちの生活をどのように変えていくのか、一緒に見ていきましょう!

外資系エンジニア

この記事は以下のような人におすすめ!

  • 全球測位衛星システム(GNSS)とは何か知りたい人
  • GNSSとGPSの違いがわからない人
  • GPSだけで十分なのか、GNSSを活用すると何が違うのか知りたい

GNSSの基礎知識

全球測位衛星システム(GNSS)は、私たちの生活のあらゆる場面で利用されている重要な技術です。

ナビゲーションシステムやスマートフォンの位置情報サービスだけでなく、農業、建設、災害対策など多くの分野で活用されています。

このセクションでは、GNSSの基本的な仕組みや種類について詳しく解説します。


1-1. GNSSとは何か

全球測位衛星システム(GNSS)とは、人工衛星を利用して地球上のあらゆる場所で高精度な位置情報を提供するシステムの総称です。

世界各国が独自のGNSSを運用しており、それぞれの特性を持っています。まずはGNSSの基本的な定義と役割を見ていきましょう。


1-1-1. GNSSの定義と役割

全球測位衛星システム(GNSS:Global Navigation Satellite System)は、地球周回軌道上の人工衛星から送信される信号を利用して、地球上のどこにいても正確な位置や時刻を測定できるシステムです。

GNSSの主な役割は以下の3つです。

  1. 位置測定(測位)
    • GNSSを活用することで、緯度・経度・高度を正確に測定できます。
    • スマートフォンのGPS機能やカーナビのルート案内は、この技術を利用しています。
  2. 時刻の提供
    • 衛星に搭載された高精度な原子時計により、世界中で正確な時間を共有できます。
    • 金融取引や通信ネットワークの同期にも使用されています。
  3. 移動速度の測定
    • GNSSを使うことで、移動中の速度や進行方向を把握できます。
    • 自動運転技術や航空機のナビゲーションなどに応用されています。

したがって、GNSSは単なるカーナビの技術ではなく、社会のあらゆる分野で重要な役割を果たしています。


1-1-2. GPSとの違い

GNSSとGPSは混同されがちですが、厳密には異なる概念です。

比較項目GNSSGPS
定義全球測位衛星システム(複数の測位システムの総称)アメリカが運用する測位システム
運用国世界中の複数の国(アメリカ、ロシア、欧州、中国、日本など)アメリカのみ
衛星数GNSSに含まれる各システムの衛星を合計すると100基以上約30基
測位精度複数のGNSSを組み合わせることで高精度(数センチメートル精度も可能)GPS単独では数メートルの誤差が発生することも

つまり、GPSはGNSSの一部であり、GNSSには他にもGLONASS、ガリレオ、北斗(BeiDou)、みちびきなどが含まれます。

複数のGNSSを組み合わせることで測位精度を向上させることができます。


1-2. 主なGNSSの種類

現在、世界各国で独自のGNSSが運用されています。それぞれのシステムには特徴があり、地域ごとに異なるメリットがあります。

ここでは代表的なGNSSを紹介します。


1-2-1. アメリカのGPS

GPS(Global Positioning System)は、アメリカ国防総省が運用するGNSSで、世界で最も広く利用されています。

  • 1970年代に開発が始まり、1995年に正式運用開始。
  • 24基以上の衛星が地球を周回し、全球で測位可能。
  • 軍事用と民間用があり、民間向けは測位精度が若干低い。
  • 現在では、多くのスマートフォン、カーナビ、航空機、船舶などで利用されている。

GPSはGNSSの中で最も歴史が長く、信頼性が高いシステムの一つです。


1-2-2. ロシアのGLONASS

GLONASS(Global Navigation Satellite System)は、ロシアが運用するGNSSです。

  • 1982年に運用開始し、2010年に全球対応を達成。
  • 24基の衛星が運用されており、GPSと組み合わせることで測位精度を向上可能。
  • 北緯50度以上の高緯度地域で特に強い信号を提供。

GLONASSは、GPSと同時に利用することでより安定した測位が可能となります。


1-2-3. 欧州のガリレオ

ガリレオ(Galileo)は、欧州連合(EU)が運用するGNSSで、高精度な測位を特徴としています。

  • 2003年に開発開始、2016年に初期運用を開始。
  • 30基の衛星を目標に展開中(2025年頃に完成予定)。
  • 民間利用に特化しており、高精度な測位が可能(誤差1m以下)。
  • 認証機能付き信号を提供し、安全性の高い測位が可能。

ガリレオは特に商業用途での精度向上を目的として開発されました。


1-2-4. 中国の北斗(BeiDou)

北斗(BeiDou)は、中国が運用するGNSSで、急速に発展しています。

  • 2000年に運用開始し、2020年に全球対応を達成。
  • 35基の衛星を運用し、アジア地域での精度が高い。
  • GPSと互換性があり、併用することで高精度測位が可能。
  • 軍事・民間の両方で利用されており、中国国内では優先的に使用される。

北斗は中国国内だけでなく、アジア全体での利用が拡大しています。


1-2-5. 日本の準天頂衛星システム(みちびき)

みちびき(QZSS: Quasi-Zenith Satellite System)は、日本が開発した独自の測位衛星システムで、高精度な位置情報を提供します。

  • 2010年に初号機打ち上げ、2018年に4機体制で本格運用開始。
  • 日本上空に常に1機以上の衛星が位置し、安定した測位が可能。
  • GPS補完システムとして機能し、日本国内での測位精度を向上。
  • 将来的には7機体制へ拡張予定(2024年目標)。

みちびきは特に日本国内での利用に最適化されており、センチメートル級の測位精度を実現しています。

GNSSの仕組みと測位方法

全球測位衛星システム(GNSS)は、人工衛星からの信号を利用して位置を特定するシステムですが、その測位の仕組みや精度に影響を与える要因を理解することが重要です。

このセクションでは、GNSSの測位原理と測位精度に関する基本知識をわかりやすく解説します。


2-1. 衛星測位の基本原理

GNSSを利用すると、地球上のどこにいても正確な位置情報を取得できます。

では、どのような仕組みで測位が行われているのでしょうか?


2-1-1. 測位の基本原理

GNSSによる測位は、人工衛星からの電波を受信し、その信号の到達時間をもとに距離を計算することで行われます。

この原理は「疑似距離測位法(Pseudo-Range Positioning Method)」と呼ばれ、以下のようなステップで測位が実現します。

  1. 衛星の信号受信
    • GNSSの人工衛星は、それぞれ固有の電波信号を一定の周期で発信しています。
    • 受信機(スマートフォンやカーナビなど)は、この電波をキャッチします。
  2. 距離の計算
    • 受信機が電波を受け取るまでの時間差を測定します。
    • 電波は光速で進むため、「受信時間 × 光速」で衛星との距離を計算できます。
  3. 位置の特定
    • 1つの衛星からの情報だけでは、位置を確定することはできません。
    • 3つ以上の衛星の信号を利用することで、三角測量の原理を使い、緯度・経度・高度を特定します(トリラテレーション法)。
    • 4つ以上の衛星を利用すれば、より高精度な測位が可能になります。

2-2. 測位精度に影響を与える要因

GNSSは非常に高精度な位置情報を提供できますが、環境や外的要因によって誤差が生じることがあります。

ここでは、測位精度に影響を与える主な要因とその対策を解説します。


2-2-1. 誤差要因とその対策

GNSSの測位精度に影響を与える主な要因は、以下の通りです。

誤差要因内容対策
電離層遅延衛星からの信号が電離層を通過する際に速度が変化し、測位誤差が発生する。二周波GNSSを利用することで補正可能。
対流圏遅延大気中の水蒸気などの影響で、信号の伝播速度が変化する。気象データを活用した補正を行う。
衛星軌道誤差衛星の軌道が予測とずれることで、測位誤差が発生する。衛星の軌道情報をリアルタイムで更新することで補正。
マルチパス誤差建物や山などにより電波が反射し、誤った位置情報を受信してしまう。マルチパス対策アンテナを使用する。
受信機の精度受信機の計算精度が低いと、誤差が大きくなる。高性能なGNSS受信機を使用する。

2-2-2. 測位精度向上のための技術

GNSSの測位精度を向上させるためには、以下の技術が活用されています。

  1. RTK(リアルタイムキネマティック)測位
    • 基準局と移動局のデータをリアルタイムで比較し、誤差を補正する方法。
    • センチメートル級の高精度測位が可能。
  2. SBAS(衛星航法補強システム)
    • 衛星の測位誤差を補正するためのシステムで、日本では「みちびき(QZSS)」が対応。
    • 誤差を低減し、測位精度を向上させる。
  3. マルチGNSSの活用
    • GPS、GLONASS、ガリレオ、北斗(BeiDou)など複数のGNSSを組み合わせることで、測位精度を向上
    • 特に都市部ではマルチGNSSが有効。

GNSSの活用事例

全球測位衛星システム(GNSS)は、私たちの日常生活から産業分野に至るまで、さまざまな場面で利用されています。

特にスマートフォンのナビ機能や自動運転技術、精密農業など、GNSSの正確な位置情報を活用することで効率化が進んでいます。

このセクションでは、GNSSの具体的な活用事例を紹介します。


3-1. 日常生活での利用

GNSSは私たちの身近なところで活用されています。

普段意識することは少ないかもしれませんが、スマートフォンの地図アプリやカーナビのルート案内など、多くのサービスがGNSSによって支えられています。


3-1-1. スマートフォンやカーナビでの活用

スマートフォンやカーナビは、全球測位衛星システム(GNSS)の代表的な活用例です。

以下のような用途で私たちの生活を便利にしています。

スマートフォンにおけるGNSSの活用
  • 地図アプリ(Googleマップ、Appleマップ など)
    • 現在地の特定、目的地へのルート案内
    • 交通渋滞情報の提供
  • ライドシェアサービス(Uber、Lyft など)
    • ドライバーと利用者の位置情報をリアルタイムで共有
  • スポーツ・健康管理アプリ(ランニングアプリなど)
    • 移動距離や速度の測定
カーナビにおけるGNSSの活用
  • ルート案内と交通情報の提供
    • 最適なルートの計算
    • 渋滞回避のためのリアルタイムデータ活用
  • 事故防止やドライバーサポート
    • 車線逸脱警告や速度制限情報の提供

GNSSは、スマートフォンやカーナビにとって不可欠な技術となっています。

今後はより高精度な測位技術が搭載され、さらなる利便性向上が期待されています。


3-2. 産業分野での応用

全球測位衛星システム(GNSS)は、農業や建設業、自動運転技術など、産業分野でも幅広く活用されています。

ここでは、具体的な事例を紹介します。


3-2-1. 農業における自動運転トラクター

近年、GNSSを活用したスマート農業が急速に発展しています。

特に、自動運転トラクターは農業の効率化に大きく貢献しています。

GNSSを活用した農業のメリット
  1. 精密農業の実現
    • センチメートル単位の高精度な測位により、正確な種まきや肥料散布が可能。
  2. 作業の省力化・自動化
    • 自動運転トラクターにより、農作業の負担を軽減。
  3. コスト削減
    • 人件費削減、燃料や肥料の無駄を減らすことで、コストを最適化。
具体的な活用事例

例えば、日本国内では「みちびき(QZSS)」を活用した高精度測位により、自動運転トラクターが導入されています。

農地の広い地域では、GNSSを活用した精密農業が標準になりつつあります。


3-2-2. 建設業での測量技術

建設業では、高精度な測量技術が求められます。

従来は人が測量機器を使って位置を特定していましたが、GNSSの導入により、大幅な効率化が実現しました。

GNSSを活用した建設業のメリット
  1. 高精度な測量
    • 従来の測量手法より短時間で正確なデータを取得可能。
  2. 無人建機の運用
    • GNSSを活用した無人ブルドーザーやショベルカーが登場。
  3. 施工管理の効率化
    • 工事現場の位置情報をデジタル管理し、作業の最適化が可能。
具体的な活用事例

例えば、日本の大手建設会社では、GNSSを活用した「ICT施工」を導入し、測量から施工管理までを自動化しています。

これにより、工期短縮とコスト削減が実現されています。


3-2-3. 自動運転技術への応用

自動運転技術には、正確な位置情報が不可欠です。

そのため、全球測位衛星システム(GNSS)が重要な役割を果たしています。

GNSSを活用した自動運転のメリット
  1. 正確なルート走行
    • 高精度なGNSS測位により、自動運転車が正確に走行可能。
  2. 交通事故の防止
    • 車両の位置情報をリアルタイムで管理し、衝突リスクを低減。
  3. 物流の最適化
    • トラックやドローン配送において、最適なルート選定が可能。
具体的な活用事例

自動運転技術では、GPS単独ではなく、RTK(リアルタイムキネマティック測位)を活用してセンチメートル級の測位精度を実現しています。

これにより、高速道路や市街地でも自動運転が可能になります。

例えば、日本ではトヨタやホンダが、自動運転車の開発にGNSSを活用したシステムを導入し、実証実験を進めています。

GNSSの最新動向と将来展望

全球測位衛星システム(GNSS)は、年々進化を続けています。

特に近年では、セキュリティ強化や高精度測位の実現に向けた技術革新が進んでおり、私たちの生活や産業に与える影響も大きくなっています。

このセクションでは、GNSSの最新技術と今後の展望について詳しく解説します。


4-1. 新技術の導入

GNSSの活用が広がる一方で、信号の安全性や精度の向上が求められています。

そのため、最新技術の導入が進んでおり、特に信号認証技術の進化が注目されています。


4-1-1. 信号認証技術の進化

GNSSの信号はオープンな環境で利用されるため、スプーフィング(なりすまし攻撃)ジャミング(妨害電波)によるセキュリティリスクが存在します。

これらのリスクを軽減するために、最新の信号認証技術が開発されています。

● GNSS信号のセキュリティ脅威
セキュリティ脅威内容影響
スプーフィング偽のGNSS信号を送信し、誤った位置情報を提供自動運転や航空機の運航に影響を及ぼす
ジャミング強い電波でGNSS信号を妨害し、測位不能にするカーナビやスマートフォンの測位ができなくなる
なりすまし攻撃偽の信号を受信させて、ユーザーを誤った場所に誘導物流や軍事用途で重大な影響を与える可能性
● 最新の信号認証技術
  1. 暗号化信号の導入
    • 欧州のガリレオシステムでは、「OS-NMA(Open Service Navigation Message Authentication)」という暗号化技術を導入し、正規の信号と偽の信号を判別できるようになっています。
    • 日本の準天頂衛星システム「みちびき(QZSS)」も、認証機能を強化する予定です。
  2. 耐ジャミング技術の進化
    • 高度なフィルタリング技術を利用し、ジャミング攻撃を受けた際の信号処理能力を向上させる研究が進んでいます。
    • アメリカのGPSは、新しい「Mコード」という軍事向けの強固な暗号化信号を導入。
  3. 量子技術を活用したGNSS強化
    • 量子暗号技術を活用し、よりセキュアな信号伝達が可能になる研究が進められています。
    • 量子時計を搭載したGNSS衛星が開発され、将来的により正確な時刻同期が可能になる見込み。

今後のGNSSは、より安全かつ精度の高い測位システムとして進化し、重要インフラの一部としての役割を強めていくでしょう。


4-2. 将来の展望

GNSSの発展は、私たちの生活や産業に大きな影響を与えます。

特に高精度測位技術の進化により、新たな可能性が広がっています。


4-2-1. 高精度測位の実現とその影響

現在のGNSSは、一般的な利用では数メートルの誤差があるものの、最新技術の導入によりセンチメートル級の測位精度が実現しつつあります。

高精度測位技術の進化
技術特徴測位精度
RTK(リアルタイムキネマティック)基準局と移動局の差分データを活用し、誤差をリアルタイム補正数センチメートル
PPP(精密単独測位)高精度な軌道・時計データを活用し、グローバルな測位精度を向上数センチメートル
SBAS(衛星航法補強システム)静止衛星を利用して測位精度を補正1m以下
高精度測位がもたらす未来の可能性
  1. 自動運転の完全実現
    • センチメートル級の精度により、自動運転車が車線を正確に維持できる。
    • 高速道路だけでなく、都市部でも安全な自動運転が可能に。
  2. スマートシティの構築
    • 高精度な位置情報を活用し、都市全体の交通管理を最適化。
    • スマートパーキングシステムや、自動配送ロボットの導入が加速。
  3. 災害対応の高度化
    • 精密な位置情報により、地震や津波の際の被害予測が向上。
    • 災害時のドローンやレスキューロボットの精度が向上し、迅速な救助活動が可能に。
  4. 航空・宇宙分野での活用
    • 月面探査や火星探査における測位システムとしての活用。
    • 地球低軌道(LEO)衛星との連携による宇宙通信ネットワークの確立。
  5. 精密農業・建設業のさらなる進化
    • 完全自動の農業機械が導入され、農作業の完全無人化が実現。
    • 建設業では、ロボットやドローンを活用した完全自動施工が可能に。

GNSS利用時の注意点

全球測位衛星システム(GNSS)は、正確な位置情報を提供する便利な技術ですが、いくつかの注意点があります。

特に、測位誤差やセキュリティリスクに対する理解と対策が重要です。

このセクションでは、GNSSの測位誤差の原因とその補正方法、そしてスプーフィングやジャミングといったセキュリティリスクへの対策について詳しく解説します。


5-1. 測位誤差とその対策

GNSSの測位精度は、さまざまな要因によって影響を受けます。

そのため、利用する際には誤差の発生要因を理解し、適切な補正方法を活用することが重要です。


5-1-1. 誤差の原因と補正方法

GNSSの測位誤差は、主に以下のような要因によって発生します。

測位誤差の主な原因
誤差要因内容影響
電離層・対流圏の影響衛星信号が大気層を通過する際に速度が変化し、誤差が発生。数メートルの誤差
衛星軌道誤差衛星の軌道情報にずれが生じ、正確な測位が困難に。数メートルの誤差
受信機の時計誤差受信機側の時計のズレによる誤差。最大数メートルの誤差
マルチパス誤差建物や山などに反射した信号を受信し、位置情報がずれる。数メートル~数十メートルの誤差
測位誤差を補正する方法

GNSSの測位誤差を補正するためには、以下の技術が活用されています。

  1. 二周波GNSSの活用
    • L1、L2といった異なる周波数の信号を使用することで、電離層の影響を軽減。
    • 高精度な測位が可能になり、誤差を抑えることができる。
  2. RTK(リアルタイムキネマティック)測位
    • 基準局と移動局のデータをリアルタイムで比較し、誤差を補正する技術。
    • 数センチメートル級の測位精度を実現可能。
  3. SBAS(衛星航法補強システム)の活用
    • 静止衛星を利用して測位精度を補正するシステム。
    • 日本では「みちびき(QZSS)」がSBAS機能を提供。
  4. マルチGNSSの利用
    • GPSだけでなく、GLONASS・ガリレオ・北斗(BeiDou)など複数のGNSSを組み合わせることで、精度向上。
    • 特に都市部や山間部では有効。

したがって、GNSSをより正確に活用するためには、誤差要因を理解し、適切な補正技術を利用することが重要です。


5-2. セキュリティ上のリスク

GNSSはオープンな技術であるため、外部からの攻撃を受ける可能性があります。

特に、スプーフィングやジャミングといった攻撃により、測位情報が不正に操作されるリスクがあるため、対策が不可欠です。


5-2-1. スプーフィングやジャミングへの対策

GNSSのセキュリティリスクとして、主に以下の2つが挙げられます。

GNSSの主なセキュリティリスク
リスク内容影響
スプーフィング偽のGNSS信号を送信し、受信機を誤った位置に誘導する攻撃。自動運転車や航空機のナビゲーションに影響を与える可能性がある。
ジャミング強い電波を送信し、GNSS信号を妨害する攻撃。測位不能になり、カーナビや物流システムに影響が出る。
スプーフィングやジャミングの対策方法
  1. 認証機能付きGNSSの利用
    • 欧州のガリレオシステムでは、「OS-NMA(Open Service Navigation Message Authentication)」という認証技術を導入し、偽の信号を識別可能。
    • 日本の「みちびき」も、セキュリティ機能を強化する計画がある。
  2. 耐ジャミング技術の活用
    • 強力なフィルタリング技術を搭載した受信機を使用し、妨害電波の影響を最小限に抑える。
    • 軍事用途では、特殊なアンテナを用いてジャミング耐性を向上させる技術が進んでいる。
  3. マルチGNSSの利用
    • GPS単独ではなく、GLONASS・ガリレオ・北斗(BeiDou)を組み合わせることで、一つのシステムが攻撃を受けても測位を継続可能。
  4. 周囲の環境を考慮した利用
    • 都市部や山間部では、建物の影響でGNSS信号が弱くなるため、補助的な測位技術(Wi-Fi測位、IMU測位など)を併用すると効果的。
企業や政府の取り組み
  • アメリカ国防総省(DOD)は、軍用GPS向けに「Mコード」という強固な暗号化信号を導入。
  • 日本政府も、みちびきを活用した高セキュリティな測位システムの開発を進めている。

これらの対策を適切に講じることで、GNSSのセキュリティリスクを軽減し、安心して利用することが可能になります。

まとめ

全球測位衛星システム(GNSS)は、私たちの生活や産業のあらゆる場面で活用され、今後も進化を続けていきます。

位置情報の正確性が向上することで、私たちの暮らしはより便利で安全なものになるでしょう。

このセクションでは、GNSSの重要性と今後の展望についてまとめます。


6-1. GNSSの重要性と今後の展望

GNSSは、すでに私たちの生活や産業のあらゆる分野で活用されており、今後さらに進化することで新たな可能性を広げていきます。

技術革新によって、より高精度な測位が可能になり、新しいサービスや産業の発展につながることが期待されています。


6-1-1. 私たちの生活とGNSSの未来

GNSSの技術革新が進むことで、私たちの生活や社会はどのように変わるのでしょうか?今後の展望を以下のポイントに分けて解説します。

日常生活のさらなる利便性向上

GNSSは、スマートフォンのナビゲーションやカーナビといった身近なサービスだけでなく、新たな形で私たちの生活を支えるようになります。

  1. 精度の向上によるシームレスなナビゲーション
    • 屋内外を問わず、正確な位置情報を取得できるようになり、建物内や地下街でもスムーズに移動できるように。
    • 拡張現実(AR)技術と組み合わせた、より直感的なナビゲーションの実現。
  2. スマートシティの実現
    • GNSSとAI、IoT技術を活用した都市管理により、渋滞の最適化や公共交通機関の効率的な運用が可能に。
    • 交通事故の防止や、防災インフラの強化にも貢献。
産業分野でのさらなる発展

GNSSの高精度化により、産業分野でも革新的な変化が期待されます。

  1. 完全自動運転の実現
    • センチメートル級の測位精度により、自動運転車が安全に走行できるように。
    • 高精度な位置情報とセンサー技術の統合で、事故のリスクを大幅に低減。
  2. 農業・建設業のさらなる効率化
    • 自動運転トラクターや農業ロボットの精度向上により、人手不足の解消。
    • 建設現場では、無人重機の導入が進み、施工の自動化が実現。
  3. 物流・ドローン配送の拡大
    • 高精度な位置情報を活用し、ドローンによる無人配送がより実用的に。
    • GNSSと5Gの組み合わせにより、リアルタイムでの物流管理が可能に。
宇宙開発への応用

GNSSは地球上だけでなく、宇宙開発の分野にも応用されています。

  1. 月面や火星での測位システムの開発
    • NASAやJAXAは、将来的に月面での測位システム(Lunar GNSS)の構築を計画。
    • 宇宙探査機やローバーのナビゲーションにGNSS技術を活用。
  2. 衛星通信との統合による新たなサービスの創出
    • 低軌道(LEO)衛星とGNSSを組み合わせることで、地球全体をカバーする測位ネットワークを構築。
    • 災害時や電波の届かない地域でも、高精度な測位が可能に。
GNSSの課題と今後の対策

GNSSの発展に伴い、セキュリティリスクや測位誤差の課題も重要になります。

  1. スプーフィング・ジャミング対策の強化
    • 暗号化信号や耐ジャミング技術の開発が進み、セキュリティが向上。
    • ガリレオやみちびきの認証機能付き信号の導入が鍵に。
  2. 高精度測位のさらなる普及
    • RTKやPPPといった高精度測位技術の普及が進み、個人でも利用可能な時代に。
    • スマートフォンやウェアラブルデバイスへの標準搭載が期待される。