求精準 GPS衛星攜原子鐘測距

中國時報 B4/科學周報 2008/09/28

【唐鎮宇/專題報導】
  全球衛星定位系統GPS自1983年開放民間使用以來,衍伸出許多應用,很多人以為衛星定位需要很複雜的計算,事實上,它靠的是最基礎的物理數學公式:距離=速度×時間。
  由於電子信號的速度與光速相同,所以公式中的「速度」就以每秒約30萬公里計算。
  信號從衛星傳送到地球會有0.06秒的誤差,由於衛星距離地球達2 0200公里,如此會使定位誤差達超過300公里。故時間誤差除了要在訊號中加入「偽亂碼」使兩方時間一致外,還必須要設立非常精準的時鐘,GPS系統多半以「原子鐘」做為時間基準。
  原子鐘是以特殊原子的震盪頻率作為測量單位,每顆GPS衛星都會攜帶數個銫原子鐘。由於銫原子鐘每140萬年才會出現1秒誤差,用在 GPS上才能夠確保計算時間正確,定位才不會出現大幅誤差。
  各國為了降低對美國GPS系統的依賴,紛紛投入衛星定位系統的發展,目前除了GPS,還有歐洲的Galileo系統、俄國的GLONASS系統與中國的「北斗」系統。
  俄國GLONASS系統發展約與GPS同期,但GPS商用市場開始蓬勃之際,俄國正崩解中,也由於GLONASS衛星壽命只有8到10年,比美國GPS 衛星平均15年的壽命短,使俄國維護非常不易。1995年時,GLONASS 系統已無法全球覆蓋,衛星數更是長期處於10顆以下。近1、2年在大陸的支持下,今年才漸漸恢復到20顆衛星,但由於其採用頻率與GPS 不同,加上不穩定因素較多,商用規模一直很小。
  歐洲Galileo系統仍在發展中,原先由歐洲民間企業籌辦,後來因財力無法支持,改由歐盟接手,並加入中國、印度、以色列、摩洛哥、沙烏地阿拉伯和烏克蘭等非歐盟國家等。去年經濟部技術局曾針對 Galileo系統舉辦商機說明會,希望透過台法合作會議,讓國內廠商也能參與Galileo系統的發展。目前Galileo系統已發射2顆衛星,預計2013年完成建置。
  中國的北斗系統(CNSS)是將用戶需定位之信號,通過衛星轉發至地面控制中心後,由控制中心解算出位置,再藉衛星轉發給使用端,原理與其他系統不太相同。「北斗系統」現今的5顆衛星僅用於中國及周邊地區導航與軍事用途,籌備中「北斗二代」25顆衛星建構完成,就可覆蓋全球。