說文解字第22課:全球衛星定位系統GPS

2021.04.23 01:59PM
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「喂,你在哪裡啊?」「我也不知道耶,等一下,我開個導航看看」,這是我們生活中常常會聽到的對話,然而你有想過導航系統是如何運作的嗎?

軍事用途開放民間使用

無論是智慧型手機、平板電腦或是行車導航系統所使用的定位技術,大多採用由美國主導的全球衛星定位系統,它的全名是Global Positioning System,簡稱就是大家熟悉的GPS,能夠提供精確的位置、高度、移動速度等資訊,也具有校對標準時間的功能,服務範圍遍及地球表面98%的區域。

然而GPS卻不是世界上第一套運作的定位系統,它的前身是美國軍方研發的子午儀衛星(Transit),它也被稱為海軍導航衛星系統(Navy Navigation Satellite System,簡稱NNSS)。子午儀衛星於1958年開始研發製,並於1964年正式啟用,雖然該系統的定位精準度並不理想,且無法標定高度,但是也驗證了藉由人造衛星進行定位的可能性,並讓美國累積了相關的技術經驗。

GPS的研發工作從1978年開始,期間經歷了方案驗證、初步設計、研發、試驗等階段,直到1989年2月14日發設第一顆GPS工作衛星,並於1994年落成。

GPS衛星系統由24顆衛星組成,其中21顆為工作衛星,3顆為備用衛星,均勻分布在6個軌道平面上(每個軌道面上有4顆衛星),這種布局的目的能夠保證任何時間、地點,都能觀測到4顆衛星。在使用GPS定位時候,只需接受到其中3顆衛星的訊號,就能迅速確定在地球上所處的位置及海拔高度,如果能接收到更多顆衛星的訊號,還能提高定位精確度。

GPS訊號分為民用的標準定位服務(Standard Positioning Service)和軍用的精確定位服務(Precise Positioning Service)。由於SPS無須任何授權與費用即可任意使用,但是在營運初期,美國政府為了避免其他國家或組織將GPS用於軍事用途,因此在民用訊號加入選擇性誤差訊號(Selective Availability),讓定位的誤差範圍從10公尺增加到100公尺,直到2000年才取消誤差訊號,讓民用系統也能享有10公尺的定位精確度。

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▲一般智慧型手機中的導航功能,就是透過GPS系統標定使用者位置。

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▲GPS是目前使用度最高的定位系統之一,圖為位於軌道中的GPS衛星。

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▲GPS衛星會繞著地球自轉,盡可能將訊號覆蓋到絕大部分的地球表面。

仍有其他衛星定位系統

雖然說GPS的普及度相當高,但是因為這種定位系統除了具有一般民間用途外,用於作戰的軍事用途才是其主要目的,所以當戰爭發動後,定位系統的擁有國必定會將訊號加密鎖定,或是封鎖其他國家使用其定位系統,所以當國家希望能在戰時確保定位功能的話,就必需研發自己的衛星定位系統。

在歐洲區域部分,由歐盟主導伽利略定位系統(Galileo),已有不少電子產品支援該模組,其第一顆正式衛星於2011年發射,並於2020年完成所有30顆衛星的部署任務。它最大的特色是具有求救訊號接收功能,當有人員發出求救訊號時,伽利略定位系統就能透過衛星鎖定事故地點,並回傳訊號通知受難人員。

在冷戰期間身為美國敵對國的俄羅斯,也具備格洛納斯系統(GLONASS),它的前身為1960年代開始部署的西科琳衛星定位系統(Tsiklon),第一顆衛星於1982年發射,但是到2010年才完成100%覆蓋俄羅斯領土,餅於2011年10月完成24顆衛星的部署,不要以為它在西方國家很罕見,其實iPhone 4S就開始支援這套系統囉。

除了上述3套系統之外,中國也自行研發了北斗衛星導航系統,先後部署了於2000年開始服務的北斗一號系統,以及2012年完成的北斗二號系統,這2代分別夠對中國境內與亞太地區提供衛星導航服務。北斗三號系統則於2015年開始建設於2020年完成,並提供全球定位服務。

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▲伽利略定位系統由歐盟主導,加強對高緯度地區的覆蓋,提高挪威及瑞典等地區的定位準確度。

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▲格洛納斯系統則是由俄羅斯部屬的定位系統。(圖片來源:Mondogeo,本圖採用創用CC姓名標示-相同方式分享,作者為Mondogeo)http://www.mondogeo.it/Pagine_200/pagina_02.html

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▲根據解放軍報的報導北斗衛星導航系統與GPS、伽利略、格洛納斯等系統並列全球衛星導航系統4大核心供應商。

說文解字使用範例:
O:衛星定位系統搭配導航系統雙管齊下,要迷路也不是那麼容易。
X:有了全球衛星定位系統,即便是海外的餐廳也能輕鬆預約訂位。

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