定位系統(Positioning System)

衛星定位系統,利用衛星為地表任何地方做位置、速度和時間上的定位,目前有四大定位系統,分別為美國的GPS,俄羅斯的GLOSNAA,中國的北斗衛星導航系統及歐盟的伽利略定位系統(目前還尚未運作)。

●全球衛星定位系統(Global Positioning System, GPS)

1.是24顆中地球軌道(Medium Earth Orbit, MEO)衛星的系統,涵蓋地球98%的地球表面,能提供三維位置、三維運動和時間的資訊,24顆衛星均勻的分布在6個軌道平面上,每個軌道有4顆衛星,能確保全球在任何時間任何位置都能觀測到4顆以上的衛星。原先GPS有分民用與軍用兩種不同的精度,但在2000年柯林頓將加入民用的干擾雜訊(Selective Availability, S.A.)給取消,使民用GPS精度也能達10米以內。

ConstellationGPS

2.定位方式。用戶設備主要為GPS接收器,接收各個衛星所傳送的信號,資料計算出用戶的三維位置與時間。

3.GPS使用低頻訊號(無線電訊號)傳輸,穿透性佳。

●格洛納斯系統(Global Navigation Satellite System, GLONASS)。俄羅斯研發的衛星定位系統,21顆運作衛星3顆備用衛星,分佈在三個軌道平面上,每個軌道有8顆衛星。GLONASS採用"頻分多址"傳輸訊號較GPS的"碼分多址"抗干擾能力。GLONASS沒有GPS普遍,但目前手機幾乎都能用GLONASS輔助定位(iphone4s後的手機都有支援)。

●北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)。又名COMPASS,目前有14顆衛星提供服務,分別是5顆地球同步衛星,5顆傾斜地球同步衛星以及4顆中地球軌道衛星。

●伽利略定位系統(Galileo)。是歐盟正在建造的衛星定位系統,目前尚未運作。

 


 

下圖地球上空各個衛星系統所在的高度以及速度資訊:

GPS position

●大氣層,大氣層並沒有確切的上界,由於地心引力作用下,幾乎全部的氣體集中在離地面100公里的高度範圍內,其中75%集中在10km的對流層範圍內。(0~11km對流層;11~50km平流層;50~85km中間層;85~800km增溫層;800~3000km散逸層)

●近地軌道

  • Iridium(銥衛星),通信衛星。
  • Hubble(哈伯太空望遠鏡,Hubble Space Telescope),1990發射,位於大氣層上方,能捕捉更清晰的太空影像,高度559公里,軌道速度7,500m/s,軌道週期96分鐘。
  • ISS(國際太空站,International Space Station),高度347公里,軌道速度7,700m/s(27,740km/hr),軌道週期91分鐘。

●中地球軌道

  • GLONASS (軌道高度1萬9000公里,運行周期11小時15分。)
  • GPS
  • COMPASS
  • Galileo 

●地球靜止同步軌道

  • Geostationary Earth Orbit,距離地心半徑為42,164公里,考慮地球半徑6,378公里,所以高度是35,786公里,因為與地球自轉同步,所以旋轉週期為24小時。位於赤道上空由西向東轉。

GEO

 


衛星的周期運動:

1.位星為什麼不會受地心引力落到地表?

A: 當衛星做圓周運動時,有一個恆定的速度,就會有一個向心加速度,這股加速度乘上衛星的質量就是我們所謂的地心引力,當達到剛剛好的速度時,衛星的運動就像地球拉著一條線,線上綁著衛星,做自體旋轉。但是一但速度變慢(地心引力會把衛星給拉近),就會遺落到地表上,在經過大氣層的時候,高速落下會與氣體摩擦而燃燒殆盡;若是速度太快(地心引力再也拉不住衛星時),則衛星可能會延著切線方向而遠離地球。

2.衛星運動的能量來源是太陽能板?

A:因為衛星通常在高空300公里以上,基本上已經沒有任何空氣存在了(空氣密度極低),所以圓周運動不會有任何能量損失,但近地衛星由於距離地表較近,軌道上還有有些微的空氣存在,所以運行能量會受到空氣阻力而慢慢減少,進而掉落至地表。所以太陽能板基本上是拿來做通訊與資料運算用的喔~跟衛星運行沒有太大關係。

3.向心力與離心力差異?

A: 離心力是一個假想力,用來解釋牛頓運動定律的。假設今天有個自體旋轉的轉盤,一塊木塊牽著一條線,線的另一頭綁在圓盤的中心,木塊會隨著轉盤一起轉動,假設無摩擦力存在,木塊的旋轉是受到繩子的拉力(向心力),但如果站在圓盤上看,根據牛頓定律,木塊是靜止的,合力應該為零,但只有單一個繩子拉力合力不等於零,牛頓定律不成立。好了,問題在於原盤上的觀察者所在的參考系是非慣性系,所以牛頓定律在這裡不成立,所以為了使牛頓定律在非慣性系裡仍然成立,需要引用一個慣性力,就是『離心力』,是一個與繩子拉力(向心力)大小相同,方向相反的力,因此合力為零,此木塊為靜止,牛頓定律成立。

 


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