圖/123RF
文/簡麗賢
全球衛星定位系統GPS有多夯!為何現代人開車,會在車上裝置GPS,當然是開到哪,知道在哪。警察為何能夠找出用手機發話的歹徒,掌握歹徒的藏身處,這當然拜GPS監測系統之賜。
月球是環繞地球公轉的自然形成衛星,地球則是環繞太陽公轉的行星,而基於某些任務需要而在太空中環繞地球的衛星,就是「人造衛星」。例如,因為科學實驗、學術研究、通訊和氣象需求的衛星,如通訊衛星、氣象衛星、導航衛星等。讀者或許耳熟能詳,福衛三號、五號、七號衛星,這些都是台灣重要的人造衛星。
圓周運動 向心重力
如果沒有通訊衛星的幫忙,我們怎麼能夠欣賞奧運精采的賽事、美國職籃NBA比賽、大谷翔平精采的投球和打擊呢?如果沒有氣象衛星提供我們充分的訊息畫面,我們很難預防風災的侵襲;如果沒有導航衛星的引導,我們很容易在茫茫大地上迷航。
人造衛星能高空中環繞地球,從物理力學的觀點而言,衛星作圓周運動,需要外力提供做為向心力,這個外力就是衛星受到地球吸引的「重力」,換句話說,重力是作為圓周運動所需要的向心力。
衛星軌道 距地差異
依據衛星環繞地球的軌道而言,可分成「低軌道」衛星,飛行高度在1000公里以下,環繞地球一圈大概100分鐘;另一種是「同步軌道」衛星,高度很接近3萬6000公里,所謂「同步」是指衛星環繞地球公轉一周的時間,與地球自轉一圈相同,衛星正好在赤道上空。這些衛星需要仰賴火箭載送至太空軌道,火箭離開地面需要很大的脫離速率,大約是每秒11.2公里,也就是接近每小時4萬公里的速率,才能脫離地球引力作用而直上青天。當火箭載著衛星到達一定高度時,火箭就與衛星分離,衛星再靠著燃料推進至軌道,以重力作為向心力環繞地球公轉。
人造衛星的壽命呢?人造衛星的壽命受到它攜帶的燃料而定,燃料用完,任務也完成,此時該「壽終正寢」了。衛星會因為在軌道受到極稀薄氣體分子的阻力而減速,最後墜入大氣層而燒毀或墜落地表。
提到導航衛星,自然想到現代人運用的全球衛星定位系統(Global Positioning System,簡稱GPS),最初的設立目的,是美國為了軍事用途建立的導航系統,在地球四周發射高度約2萬公里的24枚人造衛星,使得地球上任何一處空曠的區域,至少都可以同時接收到3枚人造衛星傳出的訊號。這些訊號都和時間有關,因此接收器藉由訊號可以知道和3枚人造衛星的距離,藉由人造衛星固定的位置與接收者的3個距離,便可以知道接收器所在的位置,這也涉及人造衛星傳送的電磁波,只要有偵測器便可以接收。
衛星定位 數學概念
從衛星定位的基本原理切入,以人造衛星為中心,從地面上與人造衛星的距離為半徑,畫出一個同心圓球,則接收器必然在此同心圓上,因為和這3個人造衛星的距離都知道,因此接收器必然在3個圓球球面的交點上。換句話說,3枚衛星甲、乙、丙,衛星甲與地表距離固定的點有好多個,若與兩枚衛星甲、乙距離固定的點則有兩個,但若加入衛星丙,那麼地面上與3枚人造衛星甲、乙、丙距離相同的點只有一個,如此就可確定位置。
只要地面上有一個接收器同時接收3枚人造衛星的訊號,監測系統就可透過這3枚衛星的位置,加上接收器或人與衛星的距離,計算出接收者的位置。
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