GNSS超級比一比

 
2017/09/18 王奕勝 | 國立清華大學外文系     1,244
 
什麼是全球導航系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)呢?其實我們最常聽到的美國全球定位系統(Global Positioning System, GPS)、俄國的格洛納斯系統(Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema, GLONASS)、中國北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)與歐盟的伽利略定位系統(Galileo)都可以算是一種GNSS。那麼這些衛星系統如何運作呢?它們之間有什麼不同呢?與我們的日常生活又有何關聯呢?就讓我們來一探奧秘吧!
 

衛星導航系統並非遙不可及,它們就存在我們的生活中,例如手機定位、交通導航、測時等等,為我們的生活帶來許多便利。當多個衛星系統共同合作,就能互補互足,造福人民。

 

全球定位系統(GPS)由美國國防部設計,是一個全地球、全天候、24小時工作的立體定位系統,運用於交通導航、工程施工測量等等,提供精確的位置、時間,進而推導運動速度與方向。GPS主要分為三部份:太空、控制與用戶。太空部份由24~32顆衛星環繞地球組成;控制部份由遍佈全球的監控站組成,負責掌控衛星在軌道上的位置與校正衛星時鐘的誤差;用戶部份則是指所有使用GPS接收衛星訊號者,例如汽車導航、手機GPS定位等等。那麼GPS又是如何定位的呢? GPS的定位原理很簡單:由訊號接收器接收來自至少3顆GPS衛星的電磁波訊號,接著藉由訊號傳遞時間計算出接收器與個別衛星間的距離(距離=速度x時間),進而解算出用戶的位置與海拔高度,通常用戶端的GPS接受器會接收到4顆(或以上)的衛星的電磁波訊號,能夠再解算出接收時間及更多接收器與個別衛星間的距離,藉由交互檢核,使定位更加精準!

 

格洛納斯系統(GLONASS)是俄羅斯為國防需要而發展出的定位系統,後來才普及於民間使用,一樣是全球性、全天候24小時運作。主要構成與GPS相同,定位原理也與GPS類似,都是藉由距離的量測來進行定位!但GLONASS與GPS系統在時間、座標系統以及訊號傳送方式是不一樣的。GLONASS系統目前總共有24顆衛星在宇宙中運行,衛星主要分布於高緯度地區,與分布於中、低緯度的GPS正好互相合作,完成整個地球的定位工作。

 

北斗衛星系統(北斗二代)(BDS)是中國獨立建設的衛星系統。目前已發射16顆衛星,預計最終會有35顆衛星。北斗衛星除了提供全球定位服務外,還特別加強亞太地區的定位服務,目前中國的漁船、公車等交通運輸工具都已使用BDS。BDS的組成與上述兩者相同,但有獨創的「簡訊通信」、「目標定位」功能,除了能知道「我在哪裡」,也能告訴別人「你在哪裡」,緊急救災時非常實用。

 

伽利略衛星系統(Galileo)是由歐盟製造,獨立於GPS與GLONASS系統, Galileo主要作為民用,而非軍事用途。Galileo目前仍在發展中,截至2016年12月,已發射18顆衛星,預計於2020年,將會完成共30顆衛星的發射。因為歐洲緯度高,因此Galileo特別加強高緯度地區的覆蓋。Galileo系統因更能抵抗衛星訊號干擾與反射,因此能提供較其他衛星系統精準的定位。

 

未來GNSS在新興產業應用上,具有相當大的潛力,包括智慧城市、物流運輸、大數據分析與物聯網通訊等等,其發展值得期待。

 
(本文由科技部補助「雲端太空故事館-人造衛星」執行團隊撰稿)
 

責任編輯:張志立/國家太空中心、傅麗玉/國立清華大學

審校:品保組型管小組/國家太空中心

 

名詞解釋:

智慧城市:為因應龐大人口流動,運用GNSS,讓人們以最短路徑從一地移動到另一地。

 

物流運輸:讓營運商能監控商品與資產在交通節點與樞紐間的傳輸過程。

 

大數據分析建立交通運輸流量的數據與管理,增加相關企業位置服務市場競爭力。

物聯網通訊:利用GNSS提供定位,使機器與機器之間的連接信息更加緊密。

 

世界標準時間:是最主要的世界時間標準,其以原子時秒長為基礎,在時刻上儘量接近於格林威治標準時間。

 

莫斯科標準時間:是俄羅斯莫斯科市、俄羅斯西部大部分地區包括聖彼得堡所採用的時區。

北斗時間(BDT):採用原子時「秒」为基本单位,不閏秒。時間起點為2006年1月1日UTC 零時零分零秒。

 

伽利略系統時(GST):由位於義大利弗西羅伽利略控制中心提供,通過精密時間設施,基於不同原子鐘的平均值得到。

 

世界大地坐標系(WGS-84):是一種用於地圖學、大地測量學和導航(包括全球定位系統)的大地測量系統標準。

 

PZ-90參考坐標系:1. 坐標原點位於地球質心; 2. Z軸指向地極原點,即1900~1905年的平均北極;3. X軸指向地球赤道與零子午線的交點;Y軸按右手坐標系定義。

 

2000中國大地坐標系(CGCS2000):是測制國家基本比例尺地圖的基礎。根據《中華人民共和國測繪法》規定,中國建立全國統一的大地坐標系統。

 

國際地球參考系(ITRF):是國際地表參考系統(描述了如何創建適合使用的參考系應用於地球表面或接近表面的測量過程。這是以很多的物理標準做為敘述,創建出一組可能的現實化標準的相同過程)的實現。

分碼多重進接(CDMA)體制:每顆衛星的頻率相同,因此不同衛星間依靠不同偽碼區分。

 

分頻多重進接FDMA體制:每顆衛星的偽碼相同,因此不同衛星間依靠不同頻率來區分。