第五章、過去、現在和未來

 

大家都知道全球定位系統是為了導航的需求而發明的,但很少人還記得時鐘也是為了導航和定位的需求而發明。

在歷史上,決定緯度並不很難,可用量角度用的儀器,如六分儀(Sextant見附錄),量出地平線到北極星或地平線到正午太陽之間的夾角而得知。從北極星的高度(仰角),腓尼基和希臘人已知道位置偏北的程度。當地時間也可由太陽、星星的角度和航海曆中查得。但就是決定經度一直都是個嚴重的困擾。十七世紀時天文學家已知道當地的經度可由比較當地時間和另一已知子午線的時間(如通過英國格林威治的子午線),即時差法而求得。

但是那時候並沒有準確的計時工具,由於無法準確定位導航,海難之頻繁令人髮指。當時的海權國家都提出獎賞以期解決這數世紀之懸案。科學界之菁英一再訴諸天文學求解而未得要領。伽里略亦曾以他剛發明的望遠鏡觀測木星之衛星週期求解地球上之經度,但因在海上很不實用而作廢。倒是後來有天文學家觀測到木星的衛星週期隨地球與木星之間的距離做有規律的改變,因而解決了另一科學界之世紀迷題—光速約300,000公里每秒。

曾有一段時間求解經度被人們當作”終極幻想”的同義字,就如發明恆動機、尋找長生不老的藥、治百病之仙丹或鍊金術士之夢想點石成金,連牛頓都曾擔心恐怕辦不到。

1714年,英國國會懸賞了兩萬英鎊給任何人能夠設計出在海上找出30海哩範圍經度之方法,在那時兩萬英鎊可是一筆不得了的財富。

幾乎半個世紀過了,終於有個英國的鐘錶匠叫做約翰•哈里森克服了許多技術困難和上層社會對一介”師傅”之傲慢與偏見,在1762年設計了計時器而贏得大獎。

今天我們把全世界原則上分為24個時區,大致15°經度間隔,以格林威治平均時間為基準,就是源自從前的導航與定位技術,1884年國際間的協議通過了這種標準的時區。

發明準確的計時工具之後的短期間內,沒有人曾想像得到有了準確的時間會帶來改變世界的衝擊,影響了我們的生活,新興的產品和服務產業都由這種新科技而引發。GPS對精確的位置就有如時鐘對精確的時間一樣。現在,GPS和我們也正逢類似的情形,許多未知的應用還在等著你去發現和你對此新科技的認識。

導航技術向來都是一種迷人的議題,不同文化與文明皆是。中國傳說的黃帝發明了指南車,在大霧中能指揮調渡並補給軍隊,因而擊敗蚩尤。所以我們今年自稱為是炎黃子孫。

GPS原本是在冷戰時期為了軍事用途而設計部署的系統。美國的軍事思想和教條都牢記著珍珠港的教訓,羅斯福總統說:〞我們永遠要為這一天而蒙羞!〞。萬一有突發的戰事,美國可能會立即喪失海外的GPS地面設施。而GPS系統仍必需保持其精準導航的能力不可,至少得維持一段相當合理的時間。GPS系統策畫者把大多的導航運算工作都賦予使用者裝備,即接收機去做,因此GPS系統較不需依賴可能脆弱的地面設施。這也使得GPS接收機的複雜程度如前面各章所述。

一九八三年八月,韓航007班次在俄國上空不幸遭擊落的事件之後,雷根政府宣佈了部分GPS導航的能力將開放給民間使用,以期避免航空公司再發生因導航錯誤而造成的危險。從那以後,美國政府承諾提供這種免費的服務。有了這種保證,鼓舞了產業界大筆的投資研發GPS接收機。

這些年來,無論体積、耗電量或開機後首次定位需時都大幅減少。更多新奇的應用因而可行了,譬如個人數位助理PDA與行動電話。美國聯邦通訊委員會(類似我國電信局)規定2001年後所有行動電話都要有GPS能力,使得911緊急電話(類似我國119)能回報位置以便施救,預期其他國家也會很快跟進。

以前的蘇聯也提供其GLONASS部分的導航能力免費使用,俄國政府後來也重申了這種承諾。因而有些製造商發展了合併式的GPS/GLONASS接收機,以增加接收機的可用度和完備性(Integrity)。

 

差分(Differential) GPS

有了選擇性可用度SA的全球定位系統可提供民間使用者95%時間的水平100公尺垂直156公尺之準確度。更高的準確度可由差分修正GPS達成。其技巧在於使用一個精確測量過之已知位置作參考站,如第二章所述,參考站和其他GPS接收機一樣可從軌道資料得知衛星的位置,由於參考站的GPS接收機本來就知道自己的正確位置。它可算出距離衛星有多遠,再除以光速常數得到該有的延遲時間,它將這個算出來的延遲時間和量出來的相互比較後,其中的差異就是衛星訊號誤差的估算值,參考站再廣播此誤差估算值,在附近的GPS接收機依此調整其位置計算。

我們以前所提到的誤差來源若是參考站和接收機所共有的,如大氣延遲、衛星時鐘誤差,和SA選擇性可用度等都可用此方法消除之。其精確度可達一公尺,測量用接收機更可達公分級。

 

廣域增強系統(WAAS Wide Area Augmentation System)

許多民用的GPS/GLONASS,如用作主要飛行助導航工具必須滿足某些嚴格的標準,如更好的可用度和完備性。若發生衛星失效或過多的誤差時,現在的GPS和GLONASS都無法及時提出告示。

如果GPS和GLONASS要合併使用,又有相容性的問題,如時間標準不一、座標系統不同,有了固定軌道的增強服務則可補償這些缺失。

廣域之增強系統是美國交通部所屬聯邦航空署的計畫要達到這些需求。由一群網狀式的地面參考站計算GPS的完備性和差分修正。太空部份的工作是由固定軌道的衛星,如INMARSAT國際海事衛星擔任,WAAS的服務區主要是在美國。

歐洲也有類似的增強系統,叫EGNOS。日本在亞太地區有MTSAS計畫,作用很相似,這些系統之間必須能相容運作,因為衛星為基礎的系統未來將取代現今地面為基礎的空中交通之導航系統。

 

GPS和GIS

絕大多數單獨的GPS接收機以經緯度和GPS高度表示位置。我們從第一章和附錄A中已熟知經緯度,但是座標如北緯24度,東經121度和100公尺高對你決定所在位置並不很好用,你還需要知道你在地圖上的位置。

GIS地理資訊系統是存於電腦中的地圖資料庫(Database),GIS能比紙上地圖更為精緻複雜。它可以是三度空間以顯示地形圖,也可包括其他有用的資訊,如加油站、旅遊勝地的照片等等,汽車導航系統就是GPS和GIS之組合,這種應用被人看好是21世紀GPS市場中最龐大的一部分。

另需特別注意GPS的高度。它並不是真正距地面上的高度,也不是海平面上的高度,因為GPS接收機不是GIS,並不知道外面世界的真象。

還記得GPS的位置、高度和速度、時間都是由接收機的軟體程式計算出來的。軟體程式使用了叫做WGS-84的橢圓球來近似地球的表面。地球的自轉使得它的形狀呈稍微扁的球。GPS算出來的高度是距離這假想的數學表面之垂直高度,光滑的橢圓球表面不像GIS有地形變化的資料。很不幸,這橢圓球也未與海平面重合。這個事實再加上GPS誤差如SA,大氣延遲使得情形會更糟。

曾有飛機駕駛員不當地使用GPS接收機,又忽略了氣壓高度計(Baro-Altimeter)的指示,在低空操作時不幸墜海。

瞭解一種科技在何種條件下才能正確地運作,而不致於陷入迷信科技是件很重要的課題,科技本身並非萬能,它得在我們的素養紀律下應用之。無知會造成意外,更可能付出慘重代價。回顧一下人類的科技文明史,不沈的鐵達尼號是一個眾所週知的教訓。現今它已是科技迷思(不沈的)和災難(鐵達尼)的同義詞。

 

 

GPS之所以這麼有趣是因它的理論基礎橫跨過畢氏定理、刻卜勒定律、牛頓到愛因斯坦,整個物理的範疇,它的實作又涵蓋了通訊電子、計算機、軟體工程、半導體微電子與設計自動化等等所有現代科技的功夫素養。

有人說GPS會是下一個公用服務業(但使用者不必付費),就如時間、電力、電話、自來水一樣,是生活中的一部份。最近的未來,GPS接收機價格可低至和隨身聽、手錶一樣,每個人都買得起,這個新品種高科技及應用之廣,僅限於我們的想像力,但是GPS的原理和運作卻被大眾認為是深奧又難懂,大多數人都懶著去知道,再不然又誤解了它。這本GPS小冊子之目的是要以較容易的方式建立正確的觀念,使得你、每一個使用者能知道系統如何工作,能力、限制在那裡?什麼才是實際的…本書是系統的入門介紹,您若覺得GPS有趣,可以此做出發點,而且還有更多可探索的,希望你對它真正的瞭解可實現你的新觀念和創造力。

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