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你瞭解 PNT 系統嗎?GPS vs. GNSS


PNT - 定位(Positioning)、導航(Navigation)及計時(Timing)

對大多數人而言,GNSS衛星只是在大氣層上方飛來飛去、看不見摸不著的物體。本篇文章,技術細節可能有點複雜。只要它們能正常運作,誰會在乎我們使用哪一顆衛星來執行定位和計時等任務呢?


等一下!並不是所有的系統都是一樣的,當涉及到商業用途時,了解其中的細微差異非常重要。以下的快速說明應該可幫助你擺脫紛擾,獲得明確的訊號。




定位、導航及計時系統

GNSS,也就是Global Navigation Satellite System(全球衛星導航系統)是一組人造衛星(Artificial Satellite)的總稱,這些人造衛星可從它們的高軌(High Orbit)傳送位置(Position)及時間(Timing)資料。GPS,也就是Global Positioning System(稱全球定位系統),只是能提供此類資料的多組衛星之一。


GPS vs GNSS

大多數衛星導航系統的運作原理類似,衛星被安排在受控制且仔細監測的軌道上,除了區域強化(Regional Enhancement)之外,軌道的選擇都是為了確保能夠平均的覆蓋全球。


由於個別的衛星能維持其相對位置,因此可形成穩定的人工星座。每顆衛星都會傳送它們的時間及位置,因此地面上的接收器可利用這些訊號,在時間和空間上進行三角定位(Triangulate),以獲得其位置及時間。



這些衛星群的軌道高度及繞著軌道飛行的速度各不相同,而其他技術上的差異,包括它們大多採用獨特的無線電頻率(Radio Frequency Band)來傳輸資料。



沒有任何一個衛星導航系統是完美無缺的。舉例來說,準備和發射可靠的裝置需要時間,而維持這些裝置的運作也非易事。地面上的接收器,需要來自多個發射器的訊號,才能獲得準確的時間或位置的定位,而最密集的系統也只包含數十顆衛星。換句話說,在成員較少的衛星群中,單一個訊號的喪失,就可能會造成比較重大的影響。


美國多年來一直主宰全球定位系統(Global Positioning System)。即使後來加入了俄羅斯的GLONASS,選擇性仍然很有限。


然而,最近歐盟的伽利略定位系統(Global Galileo)及中國的區域北斗衛星系統(Regional BeiDou,曾用名為COMPASS)已經登場。這些系統於2020年全面投入使用。



當各國競相建立功能性、精確且安全的衛星定位及計時網路,自然要區分不同的人工衛星群。


以下是主要參與者。



GNSS 系統

GPS

全球定位系統(Global Positioning System)由美國擁有並運作。美國國防部對GPS的官方名稱是NAVSTAR。


BeiDou(北斗,或BDS。正式名稱為COMPASS)是中華人民共和國擁有和運營的區域GNSS。截至2020年,北斗由35顆衛星組成,提供全球的覆蓋。


Galileo(伽利略)是歐盟的全球GNSS。歐盟計劃在2021年完成該系統。


GLONASS(全球導航衛星系統Global Navigation Satellite System)由俄羅斯擁有並運作。這個全面運作的全球系統由24顆以上的衛星組成。




區域強化

北美的WAAS及歐洲的EGNOS提供對地靜止衛星作為GPS的強化。雖然這些衛星可用於定位,但它們還有一個重要功能,就是提供關於:對流層(Troposphere)、電離層(Ionosphere)、GPS衛星位置及GPS衛星時鐘時間偏移(Clock Time Offset)的改進及更新的資訊,包括故障衛星的完整性資訊。歐洲的EGNOS系統將在不久的將來為Galileo提供類似的服務。


QZSS或Quasi-Zenith(準天頂)衛星系統,是由QZS System Service Inc.(QSS)營運的區域系統,由日本政府擁有。QZSS與GPS合作以改善東亞地區的覆蓋範圍。該衛星星座目前有4顆衛星在運作中。到2023年,日本計劃擁有7衛星的自主能力。QZSS衛星是地球同步衛星,每天準確的繞地球運轉一圈,因此看起來總是在天空中大致相同的經度。然而,它們的軌道傾斜度很高,因此它們的緯度在軌道上會有很大的差異。在日本上空時,它們與地球的距離最遠。當飛越日本上空時,它們的訊號會直接向下發射,因此在“都市峽谷(Urban Canyons)”的覆蓋範圍較大,因為建築物會阻擋來自低空的訊號。在較高的高度上,它們的傳輸速度也較慢,因此它們在自己國家上空停留的時間更長。然後,它們向南飛行,在澳洲上空盤旋,再向北返回,完成軌道運行。


四顆 Quasi-Zenith 衛星系統衛星的地面軌跡

Beidou

北斗有與其衛星群相關的對地靜止衛星。它們的軌道比較傳統,它們沒有傾斜,因此衛星看起來總是在赤道上空的同一位置。




你該用哪一個 GNSS 系統?

對於依賴GPS或GNSS執行高傳真(High-Fidelity)網路計時等任務的公司而言,這一切意味著什麼?簡而言之,用者可能最好不要有偏愛。多重GNSS(Multi-GNSS)可透過使用各種不同的系統,解決中斷等問題。舉例來說,如果GPS衛星群的一部分失效,接收器可能會退回至GLONASS、BeiDou或Galileo。這項功能意味著使用者不需拘泥於特定的選項,就能享有可靠的計時及定位回應。


最後,衛星群的選擇應該反映你的使用情況。舉例來說,如果你要在某特定國家部署網路,你可能會選擇能提供最精確資訊的定位系統。國家安全的限制及其他政治問題,也會影響特定替代方案的可行性。GNSS威脅(如:塞車及欺騙攻擊)也會影響效能。


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