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從伽利略衛星看定位系統新面貌

歐洲在二○一一年底發射了頭兩枚衛星,著手建構自己的衛星導航系統,預計完工後開放全球使用。

GPS還不夠好嗎?為何歐洲還要花數十億歐元打造伽利略系統?

作者/西恩‧ 布萊爾(Sean Blair)  譯者/高英哲

二○一一年十月,歐洲太空總署(ESA)從位於法屬圭亞那的基地,發射了第一和第二枚業務用伽利略衛星,比預定時間晚了十年。現在,歐洲的衛星導航系統現在可望在二○二○年鋪設完成,提供許多與定位有關的服務,像是以衛星導航技術收取過路費,為救援直升機提供「合成視景」,為滑雪客與登山客提供高精確度位置的指引,以及為自動駕駛的無人空中載具導航。

不過GPS(全球定位系統)不久之後就能提供這些服務,為何歐洲還要自己搞一套系統呢?

導航系統的發展沿革

衛星導航的起源可追溯到一九五六年,這一年英國科幻作家亞瑟‧克拉克(Arthur C. Clarke)指出,利用衛星加上「手錶般大小的儀器」就能進行地形定位。結果事情發展得比他想像的還要快。

隔年史普尼克一號衛星(Sputnik 1)發射升空時,位在美國華盛頓特區近郊的「應用物理學實驗室」(Applied Physics Laboratory)科學家聆聽它發出的嗶嗶聲,藉此計算衛星的運行軌道【1】。接著研究員法蘭克‧麥克魯爾(Frank T. McClure)就想到,如果已經知道衛星軌道,也能夠反過來定位接收器的位置。

這點子來得正是時候:那時美國海軍正需要一套給浮出海面的「北極星」(Polaris)型潛艇使用的防呆【2】導航系統。所以他們開始著手開發「子午儀」(Transit)衛星系統。以現在GPS系統的標準來看,「子午儀」系統還很原始,使用者必須等上好幾個小時才能定位,而且只能定位二度空間的位置。對海軍船艦來說這就夠用,但要定位飛行器或加速中的飛彈還嫌不足。

美國空軍的GPS是「子午儀」的後繼者,首枚衛星在一九七八年發射升空。「子午儀」系統只有五顆衛星,GPS則至少有二十四顆衛星環繞地球。這些衛星內有高精確度的原子鐘,接收器會交叉檢驗從四顆衛星分別接收到的不同時間,跟自己內部的時鐘對時,計算出訊號的移動距離,然後進行「三邊測量」(trilateralisation,也就是3D版的三角測量),來確定位置。

差在心臟不一樣

伽利略衛星實際上是GPS的後代,其衛星總數達三十顆,它們飛得比GPS衛星稍微高一點,可測角度就比較陡峭些,這樣才能為歐洲北邊高緯度地區提供較佳服務。伽利略衛星體積比GPS衛星小了三分之一,只不過因為GPS衛星當時還得另外執行軍事的功能。

真正的差別在內部構造。伽利略衛星搭載的第一批「惰性氫微波激射器」(passive hydrogen maser)原子鐘,比GPS的銣原子鐘精確十倍,每三百萬年還差不到一秒。時間精確度是非常重要的,只要有一奈秒(十億分之一秒)誤差,相當於在地面上差了三十公分。

 
圖說1:每一顆伽利略衛星都有兩具惰性氫微波激射器原子鐘。

每顆衛星都搭載兩具微波激射器,另外還有兩具備用的銣原子鐘。伽利略衛星的導航系統是在英國建造的,最初四套系統由位在樸次茅斯的「亞斯翠恩」(Astrium)公司建造,之後的十四套則由位在吉德福(Guildford)的「蘇瑞衛星科技有限公司」(SSTL)負責。蘇瑞衛星科技公司的商業開發經理菲爾‧戴維斯(Phil Davis)表示:「我們負責建造、採購伽利略衛星上所用的一切設備,像原子鐘就是從義大利跟瑞士進口的。」

可不是只有在太空裡才需要用到原子鐘。「雖然衛星上面的原子鐘已經很穩定, 但還是比不上GST(Galileo Service Time,伽利略服務時間),結合了地面上數個原子鐘的資料,所提供的參考時間那樣穩定。假若衛星上的時鐘沒有與GST對時,伽利略系統的效能就會迅速降低。」英國國家物理實驗室的羅伯特‧艾略特(Robert Elliott)解釋道。

英國國家物理實驗室負責制定全國度量衡,並負責為伽利略計畫研發軟體。事實上GST是個全球皆適用的單一時鐘,它的地面網路使時鐘的精確性得以維持一定程度。GST由好幾個地面站台同步運作所產生,準確度達到十億分之二十八秒。其中一個站台在義大利弗奇諾(Fucino),它負責伽利略系統的導航服務;另一個在德國奧伯法夫霍芬(Oberpfaffhofen)的站台,則負責監控衛星。弗奇諾的站台與世界各地的其他監控站台連線,每一百分鐘就把修正時間的訊息傳送到衛星,補償衛星因為移動跟傳輸干擾產生的誤差【3】。

圖說2:位於義大利弗奇諾的地面站台維持伽利略系統的導航精確度,另一個在德國奧伯法夫霍芬的站台則負責監控衛星。

一般使用者只要不用錢,幾公尺的誤差也樂得接受;但是有安全顧慮、事涉商業機密的機關行號就不同了,他們願意付費確保定位服務品質,這是伽利略系統的立基點。至於精確到一公尺以下的公共規範服務(Public Regulated Service),則保留給政府單位使用。

目前的開發重點放在國際合作上。伽利略系統將與美國、俄羅斯的定位系統交替運作,也正在尋求跟中國的「全球北斗導航系統」,區域性的印度IRNSS系統、日本QZSS系統,達成類似的合作協議。但是倘若GPS已經可以免費提供高精確度的導航服務,為何歐洲還要花五十七億歐元打造伽利略系統?

伽利略系統與GPS系統的比較

擁有伽利略系統的實際好處很明顯。歐洲的空中交通會在二十年內加倍繁忙,預計公路與鐵路交通也會如此,因此衛星導航可以使歐洲交通不會大亂。不過這也有經濟上跟政治上的理由,歐洲議會估計歐洲經濟有6%到7%是靠GPS賺的,總值大約有八千億歐元,這就像是偷用鄰居的Wi-Fi連線牟利一樣。

GPS也一直是一項戰爭工具,美國五角大廈握有降低GPS效能的權力。GPS也不保證其服務品質,因此像空中交通控管這類安全擺第一位的系統, 依法不能靠GPS運作。歐洲議會跟歐洲太空總署先前找到一種迴避這個問題的解決辦法,即利用地面接收器跟地球同步衛星,建構一套叫做「EGNOS」(歐洲地球同步衛星導航增強服務)的網路,改善歐洲各地的GPS訊號精確度,從幾公尺的誤差減低到一公尺左右。但這依然是個寄人籬下的系統:沒有GPS,就沒有EGNOS。

 
 圖說3:伽利略衛星在二○一一年五月時,於羅馬進行測試,然後在十月發射升空。

那麼伽利略系統就比GPS好嗎?

伽利略系統訊號較強,精確度也提高了,鐵定可以改善目前的GPS服務。

然而升級的「第三批次」(Block III)GPS衛星會在二○一四年左右粉墨登場,而伽利略系統研發拖了那麼久,也讓美國有很多時間整合一些新發明,像是給民眾使用的多頻訊號,就可免受大氣電離層的干擾。

圖說4:在伽利略系統出現之前,更精確的GPS定位服務僅供軍方使用。

不過伽利略系統已經證明了有其存在的價值。伽利略系統在二○○○年首度擺出挑戰者之姿時,當時的美國總統柯林頓就把干擾GPS民用訊號,降低其精確度的「選擇性可靠度」(Selective Availability)功能關掉,將精確度的誤差從一百公尺降到十公尺,並且加速「第三批次」GPS衛星研發工作。

伽利略上路

目前已有個地方可以使用伽利略系統了:德國南部貝希特斯加登(Berchtesgaden)附近八處峰峰相連的阿爾卑斯山峰頂,裝設了模擬用的伽利略訊號發射器,構成所謂的「伽利略系統測試研發環境」(GATE),其衛星導航訊號涵蓋65平方公里的地表,目的是為試用的伽利略系統訊號接收器提供一個測試平台。這些測試活動向資助計畫的歐洲議會與歐洲太空總署證明了伽利略系統「打卡服務」(location-based service)的可靠度,伽利略系統會促使這類服務蓬勃發展。GATE也會評估伽利略系統與既有的GPS跟GLONASS系統接軌之後,在森林、河谷與「都市峽谷」【4】 等地區的覆蓋率改善程度。

GATE與其他測試地點的模擬結果顯示,伽利略系統結合GPS等其他系統,應該能夠在系統交疊的區域內,大幅增強衛星導航的可靠性。然而實際上要同時用上多重系統,需要的運算處理能力相當繁重。每個系統都有它自己運作的時間系統,因此訊號接收器必須去計算這些時間差的「彌補值」。想想看,衛星導航功能一開,手機電池會多快就沒電?為了解決這問題,廠商在生產他們的裝置時,可能會限制產品支援不同衛星導航系統的數目。

俄羅斯的GLONASS系統已經接近佈建完成,中國的北斗導航系統也在快馬加鞭。伽利略系統現在可是四面楚歌、分秒必爭,得要盡快發射上軌道,開始運作,要不然一不小心就會在衛星導航界落於人後了。■


註:

1 (原註)它的音頻會像呼嘯而過的救護車警笛一樣,因為「都卜勒效應」而產生變化。

2 (編註)指讓操作者毋需經驗即可憑直覺完成的設計,例如SIM卡形狀設計得不會裝反。

3 (原註)衛星角度、太空天氣、訊號反射等等變數,都會造成難以報出一個精確數字。

4 指都市中的建築物所構成類似天然峽谷的地形。


西恩‧ 布萊爾  為歐洲太空總署撰文的科學作家,專精太空科技。

譯者高英哲 英國約克大學經濟學碩士,台灣大學科學教育發展中心長期合作譯者。

DATA FILE

伽利略系統可以用來幹嘛?

增加臨場感

    伽利略系統精確到足以在影像顯示器上呈現現場圖解,增強交通指示,製作「今昔對照」的歷史指南,還有可能讓你玩真人角色扮演遊戲—只要戴上視訊眼鏡,就能把時尚大街轉變成與人共遊的夢幻國度。

過路收費

    德國與斯洛伐克已經在高速公路上裝設衛星導航設備,對卡車收過路費。英國考慮在伽利略系統服務精確度達到一定水準後,對使用道路的駕駛徵收費用,以取代現行的「使用時付費制」汽車稅。伽利略系統也可即時繪製大眾交通流量,預先提供塞車警報。

衛星編隊飛行

    伽利略系統不是只有在地球上有用。環繞地球的衛星要倚賴伽利略系統以及其他衛星導航系統,提供精確的導航控制。伽利略系統可用來創造出由多枚衛星組成的太空望遠鏡或天線陣列,也能使衛星進行編隊飛行,或是讓軌道上的太空船接駁,進行維修、補充燃料或搶救工作。

搜救支援

    伽利略系統內含一套專門的搜救服務,可接收緊急信標(beacon)所發出的訊號,轉送到最近的救援組織,並通知落難者救援已經上路了。

海嘯早期預警

    十年內將有超過一百顆導航衛星在軌道上運行,訊號打到地上或海上都會反彈。特別設計的「反射測量」(reflectometry)衛星可利用反射的訊號,測量快速變化的海面,用這種方法可找到深海中的海嘯波。

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