小校報

衛星如何導航?

作者: 肥輝 最後更新: 29/06/2018

在不熟悉的市區迷路怎算好?現在只要打開智能手機程式,利用衛星導航系統,就能馬上顯示出自己的位置,而且非常準確呢!

 

衛星導航系統

衛星導航系統主要依賴導航衛星運作,由導航衛星發出訊號到接收器(例如智能手機),再由接收器經計算後確定它所在的位置。現正運作的衛星導航系統主要有以下4個,分別由不同國家開發及運作。

美國
全球定位系統(GPS)

共31個衛星運作中,覆蓋全球。

俄羅斯*
全球導航衞星系統(GLONASS)

共24個衛星運作中,覆蓋全球。

*GLONASS由前蘇聯開發,前蘇聯解體後由俄羅斯負責運作。

中國
北斗衞星導航系統(BDS)

21個衛星運作中,預計2020年有35個衛星覆蓋全球。

歐盟
伽利略定位系統(Galileo)

11個衛星運作中,預計2020年有30個衛星覆蓋全球。

此外,日本亦在發展準天頂衛星系統(QZSS,預計2018年開始運作,覆蓋日本本土。

 

無人機、自動駕駛汽車等可以利用衞星導航,不需人手控制便能前往不同地點。

 

導航衛星構造

導航衛星有不同型號,但一般而言都有噴射引擎、太陽能板和天線。

 

導航衛星在哪裏?

導航衛星主要都在距離海面約20000公里的中地球軌道(在上圖以藍色顯示)運行,少量會在赤道上空約35896公里的地球同步軌道(在上圖以橙色顯示)上運行。日本及少部分中國的導航衛星則會使用距離海面約35896公里的高橢圓軌道(在上圖以粉紅色顯示)。

 

定位原理

  1. 衛星首先會將發射訊號的時間和衛星的位置發送到接收器。
  2. 即使訊號以光速行進,也需要一些時間才能到達接收器,因此接收器只要比較訊號的發射時間及接收時間,就能找出和衞星的距離。
  3. 接收器得知與三個衞星的距離後,就能使用「三邊測量」的方法,計算出地圖上唯一一個符合這些距離的位置。

以這幅圖為例,你不可能將藍點(代表接收器)搬到其他位置,而同時使它跟所有黑點(代表衞星)的距離不變。

不同系統有各自的設計,大部份接收器最少也需要3至4個導航衛星的訊號才能定位。不過衛星系統中通常都有近30個衛星運行,即使有一部分被地球遮蔽,另一部分也能補上,確保接收器於任何時候都可以在室外收到6至10個訊號來進行定位,令誤差在10米以內。然而,在室內或多山的地方定位就會出現較大誤差。

 

本文由《兒童的科學》提供。

作者簡介
肥輝
肥輝

性格樂天,富正義感,是大家的開心果。喜歡數學科,也愛玩電腦和打遊戲機,但最喜歡還是吃東西,可以整天吃個不停。

關鍵字詞: 衛星導航 |定位 |太空 |STEM |科學 |科技 |工程 |數學