本報記者李名揚
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。
軍事 探油 插秧… 統統GPS
衛星導航系統（GPS）當初是為軍事目的發展，所以最初是應用在核子潛艇遠洋定位、飛彈導航等。在這次美國打伊拉克戰爭中，美國98％的武器都用了GPS。自從1995年GPS開放民用後，應用範圍擴張的速度，遠超出人們的預期。
中國大陸20多年前在新疆塔克拉瑪干沙漠探勘石油，因流沙會把測量標誌埋掉，鑽探工作遭遇嚴重瓶頸，直到1986年他們引進GPS用在大地測繪，從此讓大陸的地面建設有了重大變貌。像現在大陸多數的國道、省道修測定位，甚至包括4萬多座古蹟位置的確認都靠GPS。
日本人在前一陣子，發表了全球第一部GPS插秧機，讓農人不必再扛著農具下田，只要學會如何輸入，就可以不費力氣，把田種好。日本人甚至在小學生的書包裝上了定位接收器，以預防小孩被綁架。
美國農業部更厲害，他們可透過GPS系統及衛星照片，計算農戶所種各類農作物面積和生產量，而稅務單位就利用探測資料換算出售價，就可知要向每個農戶課多少稅。
其實，應用全球衛星定位的業者企圖愈來愈大，且認為無處不是商機。有人形容，將來老人、孩子、甚至寵物都會需要隨身配備一個接收器，以防走失。現在車輛裝了GPS是為了找路方便、讓駕駛人知道身在何處，但將來這GPS還是個人保全，一旦車輛遇到匪徒或車禍，它會主動報警。
三大GPS 誰優？
歐洲伽利略衛星導航計畫之前，已有美國「全球定位系統（GPS）」和俄羅斯「全球導航衛星系統（GLONASS）」，這3個計畫差異如何？
1978年，美國軍方發射第一組GPS衛星，現在共24顆衛星，分布在6個軌道面，高度2萬公里，每12小時繞地球1圈。
海洋大學助理教授王和盛指出，GPS定位誤差可小於1公尺，但一開始美國提供民用系統定位誤差卻高達100公尺，後來因GLONASS加入競爭，才解開民用鎖碼，讓定位誤差減少為10公尺；但因經費不足，目前天上只有不到10顆。
俄國的GLONASS發展略晚於GPS，有24顆工作衛星，分布於3個軌道面，每11小時繞地球1圈，定位誤差軍事1公尺、民生10公尺。
至於伽利略計畫，預計發射30顆衛星，分布於3個軌道面；定位誤差是1公尺，理論上，會比美俄兩系統好用。此雖是歐洲太空總署計畫，但有6個非歐盟國家參與，預計2008年起提供服務。
伽利略 是誰？
伽利略1564年出生在義大利比薩，自小表現出獨特思考能力。當時歐洲人都信奉「重的物體比輕的物體下落得快」；26歲在比薩大學當教授的伽利略，讓學生將2個不同重量鉛球從樓上丟下，結果同時落地，讓在場的人都大吃一驚。
1609年，伽利略製成可以放大32倍的望遠鏡，發現月球表面凹凸不平，銀河是由無數星星組成，木星有4個衛星，太陽表面有會移動的黑點。
這些推翻「地球是宇宙中心」的發現嚴重打擊教會，1611年教廷警告伽利略不准宣傳他的發現，1632年他有關「地球繞著太陽轉動」的書終於激怒教廷，遭教廷軟禁，1642年伽利略含冤而逝，時年78歲。
直到1984年，教廷才承認迫害伽利略是錯的。
指考注意：刻卜勒第三定律
跟人造衛星有關的題目，已在大學入學考試連續出現3年，92學年和94學年出現在學科能力測驗自然科，93學年則出現在指定科目考試物理科。
物理補教老師張鎮麟指出，指考4年還沒考過刻卜勒第三定律，就是「半徑的3次方和周期的2次方成正比」，因此這1、2年很可能會出現；例如「同步衛星距離地球35000公里，24小時繞地球1圈；GPS衛星高度2萬公里，多久繞1圈？」只要用1個很簡單的比例式就可算出。
學測則偏重觀念，張鎮麟認為，可能出現衛星環繞地球是「以萬有引力作為向心力」這種基本概念題；若在指考出現，則會要學生根據向心力推導軌道周期、速率等，但不一定要計算，只是像93學年指考物理第12題那樣，學生只要知道公式型態，就可回答。
衛星高度和周期的關係也可能出題。張鎮麟表示，高度約35000公里的同步衛星1天繞地球1圈、高度2萬公里的GPS衛星12小時繞1圈、台灣發射的低軌道衛星福爾摩沙衛星約90分鐘繞1圈，高度愈高、周期愈長。
張鎮麟說，學測還可能考衛星的定位原理，例如「為什麼要有3顆衛星才能定位？」可能會在考題中給一大堆資料，要求學生判讀；也可能會問同步衛星和地球的什麼一樣？答案是自然角速度。
除了前面講的圓形軌道，也可能考橢圓形軌道，張鎮麟指出，橢圓軌道會和刻卜勒第二運動定律結合，要學生根據衛星軌道和地球連線畫出的扇形面積大小，推算衛星速度。 【2006/01/20 聯合報】
沒有留言:
張貼留言