歹徒哪裡跑？人造衛星掌握行蹤

THE MERIT TIMES

文／簡麗賢 2023-09-22

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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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