新聞中的科學 – GPS衛星怎定位?

歐洲伽利略衛星導航計畫第一枚衛星Giove A在去年12月28日,從哈薩克搭乘俄羅斯火箭「聯合號」發射升空,這是繼美國「全球定位系統(Global Positioning System簡稱GPS)」和俄羅斯「全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System簡稱GLONASS)」後,世界第三個全球衛星導航系統。

這些衛星距離地面至少2萬公里,約南極到北極的大圓距離,為什麼能幫地球上的車輛、船舶、行動電話、甚至是公車定位、導航?

國家實驗研究院院長李羅權指出,簡單來說,衛星定位的基本原理是,衛星A和地表距離固定的點會有無限多個;若有兩枚衛星A、B,則地表上與A、B距離固定的點只有2個;但加入第三枚衛星C,則地面與A、B、C距離相同的點,就只有1個。

所以地表任何一個接收者只要同時接收3顆衛星訊號,監測系統就可透過這3顆衛星位置,以及衛星和這人的距離,算出接收者位置。這就是為什麼裝有GPS的車子,可以知道開到哪裡了;反過來說,警察可以透過裝有GPS的監測系統,找出用手機發話的歹徒藏在何處。

數學上用3點可定位,實際運用上,3顆衛星還不夠。國科會副主委謝清志表示,3顆衛星上的時鐘一定是準的,但接收器的時鐘可能有點不準,因此須再接收第四顆衛星的資料,校正後才能準確定位。

也就是說,全球定位衛星系統若要在全世界每一個角落都能發揮功用,就必須讓地球上每一點(屋內、特殊地形除外),一抬頭,就能同時看見4顆 以上衛星(事實上衛星太遠、太小,是看不見的);謝清志說,24顆是數學計算後的結果,美國當初曾想減到18顆,後來發現少於24顆定位效果就會大打折。

GPS衛星離地面高度2萬公里,繞地球1圈約需12小時,謝清志指出,衛星繞地球是受萬有引力作用,離地表愈遠,繞1圈所需時間愈長;所以同步衛星(繞地球1圈要24小時,永遠固定在某一點上空),高度在3萬5千多公里。

台灣已經發射的的福爾摩沙衛星一號軌道高度600公里,規劃使用壽命4年,福衛二號軌道高度891公里,規劃使用壽命5年,而全球定位衛星的使用壽命約8 到10年;謝清志說,全球定位衛星高度高,大氣比較稀薄,摩擦力較弱,而且會損耗衛星壽命的帶電離子也比較少,所以壽命也較長。

source post [2006/01/20 聯合報]

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