GPS（Global Position System)大家都很熟悉了, 透過24顆定位衛星, 可以做到全球各地均能夠準確定位, 目前民間主要用途是在導航。GPS是美國所發射衛星, 早期開始主要是軍事用途, 後來才開放給民間使用也開啟了導航應用此一巨大市場。除了美國之外, 全球還有中國北斗衛星定位, 歐盟則有伽利略衛星定位, 俄羅斯有GLONASS衛星。為何一個美國GPS就可以含括全球各地定位, 各國還要發射自己衛星, 其實就是為了軍事用途做準備, 所以主要大國都想要擁有自有定位衛星, 以免受它人牽制。

GPS主要目的是全球定位, 但是透過發展全球衛星定位, 卻也創造了另一個相關領域, 就是透過GPS可以提供非常精確時間。首先在GPS上每個衛星都有自己原子鐘產生精準時間, 同時會透過美國海軍觀測站對衛星發出校正訊號, 以確保每顆衛星時間絕對精確。

GPS定位極為複雜, 有興趣人可以透過Google找到許多資料做仔細研究。在此要說明的是, GPS衛星需要有非常精準時間可以提供, 因為GPS接收機首先根據目前位置與衛星相對速度, 然後綜合了衛星播放來的相對效應的修正量和其他時鐘的修正量因素, 以求得真正的GPS時間再去求解位置, 這過程當中有許多微小修正量, 例如當衛星發出信號讓接收機收到, 雖然光速每秒30萬公里, 從衛星到GPS接收器時間非常短, 但在這段時間內地球也有自轉, 需要把這些自轉產生位置差計算進去。

距離=速度X時間。這是初中就教過物理學, 我不但是國中讀過物理, 後來連大學都是讀物裡, 不過這是題外話。在這個公式裡面, 速度是光速這是已知(光速 = 299 792 458 m / s), 所以只要測量知道從衛星到GPS接收機所花時間, 就能夠得到距離。在透過三角座標, 只要有三顆衛星就能夠精準定位出幾何經緯度。地球是三度空間座標, 為了便於理解, 下面這張圖畫城二度空間, 就可以清楚看到透過三顆衛星能夠找到GPS接收器位置所在。

原理清楚了, 透過非常精準原子鐘提供時間, 用三顆衛星就能判定相對位置, 但是條件在於GPS接收器同樣要有非常準確原子鐘等級能力, 才能夠計算從GPS衛星傳送到地面接收機的時間差。關鍵是在衛星上面有原子鐘, 你的GPS汽車導航上面可沒辦法有原子鐘, 這樣怎麼能夠跟衛星的時間同步呢? 這問題就可以導入第四顆衛星, 它的功用就是在於判斷時間差, 透過複雜數學跟物理原理計算, 讓GPS車用導航可以擁有同樣非常精確時間, 這樣就可以算出正確位置了。

GPS校正精確時間

還好, 現在的GPS接收器內建軟體會自動把這些因素考慮進去, 最後得到一個目前位置經緯度。但我們關心的是從GPS信號所得到時間精確度, 這一精確度在民用等級GPS接收器上是小於40 nanoseconds (40 x 10^-9), 這是什麼樣一個概念呢, 約略等於1,260年會有一秒誤差。當然跟原子鐘那10萬年才有一秒誤差是不能比, 但是這已經是非常非常非常高的精確度了。

有了這樣精確時間後, 就可以用GPS所提供的時間來做為許多應用標準時間來源, 這是GPS在提供全球定位服務之外另一項非常重要服務。因為想想看, 雖然說透過光陰的故事解釋, 已經知道國際間有了公認時間標準, 而且世界各國都會有自己國家等級標準時間實驗室, 負責提供該國標準時間, 但是要把這國家標準時間發佈到全國各角落困難是非常大, 過去採用方法有電話報時, 無線電廣播, 數據機校正, 網路校正等等。但這些方法都有使用上局限性, 不論是發送距離或者是需要有特定設備才能夠接收。但有了GPS系統, 他所提供時間等級基本上已經超過絕大部分電腦或自動控制系統所需要精確度, 用它來當做標準時間校正, 既無地域限制又非常準確, 果然是時間最佳來源。GPS時間也就城了許多電腦系統或是自動控制系統, 目前用來取得時間校正重要來源。