俄烏戰爭、以巴戰爭讓衛星定位系統成為戰場上不可或缺的一大利器,以前美國的全球定位系統(GPS)是世界唯一,但GPS問世近50年,升級腳步遲緩,如今中國、俄羅斯、歐盟已開發能提供全球定位服務的替代衛星網路系統,GPS的主導地位已受到侵蝕。華爾街日報稱,美國GPS系統難保「黃金標準」地位。
起源軍事用途的GPS 全球「隱形的公用事業」
在現代戰爭中,諸多軍事策略都高度仰賴衛星導航系統(Global Navigation Satellite System, GNSS),透過高精度的定位、導航、定時等,可以針對關鍵目標展開精確打擊或進行縝密規劃。而其中,全球最早、應用最廣泛的衛星導航系統即為美國的全球定位系統(GPS),由美國國防部研製、美國太空軍運營與維護,自1978年首顆衛星發射至今已46年,不僅用於軍方,也在開放民用後徹底改變了人類生活的各領域,包括交通、農業、建築、災難救援以及金融、通訊等。
人們對GPS的依賴程度難以估量,光是日常生活中地圖導航和通勤時查看的公車、火車時刻,甚至是出國時查看的飛機航線、時間表等,都需要GPS訊號。因此GPS又被稱為「隱形的公用事業」,要想推算其總體價值,如作家葛雷格.米爾納(Greg Milner)在《Pinpoint: How GPS is Changing Our World》書中所說,這就像在問「氧氣對人類來說值多少錢?」
GPS最初發明作為軍事工具,用於飛彈導航和無人機操作等,但在1983年,一架大韓航空的客機因偏離航道,誤入前蘇聯領空而遭擊落,最終釀成機上269人死亡的憾事。時任美國總統雷根因而宣布GPS全面開放民用免收費,希望能避免未來再發生此類事故。
不過,在開放之初,為防止非美軍使用者得到太精確的定位資料,妨害美國國家安全,GPS在民用訊號上另外加入干擾,降低定位精確度到100公尺。只是民間商業公司仍找到辦法從模糊訊號中獲得更準確的定位,相關經濟效益也越發顯著。既然擋不住,只好開放了,美國總統柯林頓便在2000年宣布取消對GPS民用訊號的干擾限制。
GPS系統至少有24顆衛星均勻分布於6個軌道面上,以確保在世界上任何時間、任何地點皆可同時觀測到4~7顆衛星。當衛星在太空中運轉並不間斷地發送訊號,地球上的接收器可測得衛星位置和距離,從而解析出座標位置,包括經度、緯度和高度,而這需要至少4顆衛星的訊號才能成功,當接收到的衛星訊號數越多,數據則越精確。根據GPS.gov網站資料顯示,截至今年7月3日,GPS共有31顆運行衛星(不包括退役在軌備用衛星)。
一份由美國國家標準與技術研究院(The National Institute of Standards and Technology,NIST)贊助的研究報告指出,萬一GPS失靈一個月,將造成美國至少300億美元的經濟損失。
報告顯示,美國有十個關鍵產業特別依賴GPS,分別是農業、電力、金融、定位資訊服務、挖礦、海運、石油與天然氣、測量、電信及車載資通訊。
據CNBC報導,目前GPS在全球擁有60億用戶,「如果我們的系統受到攻擊,它確實可能使我們的物流和供應鏈的許多領域陷入癱瘓」,美國眾議院GPS核心小組聯合主席米基‧謝里爾(Mikie Sherill)說。除了民間應用系統可能受到侵害,近年來,GPS信號容易受干擾甚至已經影響到美軍軍事戰略。
不只GPS 全球共4大衛星導航系統
雖然GPS在全球獲得廣泛應用,但美國並非唯一開發衛星導航系統的國家,為了降低對GPS的依賴,俄羅斯發展格洛納斯衛星系統(GLONASS)、歐盟則有伽利略定位系統(Galileo)、中國有北斗衛星導航系統(BeiDou)。華爾街日報報導,GPS問世近50年,升級進度緩慢,各國已發展出替代性的全球衛星導航系統,將挑戰GPS作為定位服務黃金標準的地位。
在過去20年裡,俄羅斯投入了數十億美元開發格洛納斯系統(GLONASS),目標就是要挑戰居於主導地位的GPS。格洛納斯系統擁有24顆衛星,分布在3個軌道面上,與GPS除了採用的座標系和時間標準有異之外,由於其每顆衛星訊號以不同頻率區分,可以防止整個系統同時被敵方干擾,因而具有更強的抗干擾能力。
而歐盟的伽利略系統(Galileo)則是第一個完全由民間機構控管的衛星導航系統。由於前美國總統布希曾考量在遭遇國安危機時暫時關閉GPS,以防止恐怖份子利用此系統發動攻擊,為避免因仰賴GPS可能遭遇的風險,加上定位衛星中還有一個重要零件「原子鐘」,若訊號失靈,恐導致跨國金融交易大亂,歐盟決定發展自己的衛星導航系統。
伽利略系統由24顆工作衛星和6顆在軌備用衛星組成,提供水平和垂直方向精度1公尺以內的定位服務,系統更加強對高緯度地區的覆蓋。自2019年以來,伽利略在自動駕駛的應用越來越多。另外,伽利略系統除了單向提供定位資訊,還有一個回饋訊號功能,可以把求救訊號從事故地點傳送到救援中心,也能通知求救者訊號已被接收,在急難搜救上有極大貢獻與優勢。
而中國發展北斗衛星導航系統,則與台灣息息相關。在1995年7月到1996年3月台海危機期間,中共曾對東海發射3枚飛彈,其中2枚因美國關閉GPS訊號而射偏,這讓中國政府下定決心發展自己的衛星導航系統,免受掣肘。
中國的北斗系統發展共歷經三代,從第一代到第三代,逐步發展出從中國境內、亞太地區到面向全球的服務。
該系統目前在軌衛星共有46顆,是目前全球唯一將通訊、導航、遙測及搜救功能集於一體之衛星導航系統,和其他三大系統相比,最大特點在於它能實現「雙向溝通」,支援北斗的訊號接收器不僅能接收衛星發來的訊號,還能向衛星發射訊號位置,並能夠發送「短報文」訊息服務,目前北斗三號衛星的短報文功能已從早前的120字升級到1000字。

中國加快北斗系統應用 美中科技下一戰場
中國的北斗系統急起直追,不僅成功主導其國內導航定位市場,中國也積極推動「一帶一路」參加國使用北斗的服務,更在各領域的終端裝置中整合北斗系統提供的數據,未來的智慧手機、汽車和工業設備製造商,都可能優先倚賴中國的訊號。中國正加快北斗衛星系統產業應用,或成美中科技競賽下一戰場。
根據中國衛星導航定位協會數據,北斗定位服務的日均使用量已逾3,600億次,2022年中國智能手機出貨量2.64億部,其中98.5%支援北斗服務。在同時支持北斗和其他衛星導航系統的手機使用者中,以北斗衛星最多,較排名第二的GPS多出30%。
大陸工信部部長金壯龍表示,2022年北斗核心產業規模超過人民幣1,400億元,廣泛應用在交通、通訊、農業、氣象、電力等領域,接下來要積極拓展北斗在工業互聯網、物聯網、車聯網等新興領域的應用,並聚焦智慧手機、穿戴設備等終端應用規模,培育「北斗+」新模式新業態。
面對中國在太空科技的稱霸雄心,美國針對GPS的升級速度顯得過於緩慢。美國國防大學在一項報告指出,雖然北斗不會對全球衛星系統技術帶來劇變,但確實讓美國感受到擔憂與威脅。
據日經新聞報導,當採用北斗衛星的國家增多,可能動搖美國在軍事領域的優勢,中國正在定位系統一步步奪取美國的地位。

戰爭中的新星:低軌衛星
有別於上述衛星導航系統中的衛星為中、高軌道衛星,在去年因在俄烏戰爭建功、成為全球關注焦點的「低軌衛星」,更是當前全球商業巨頭競逐的戰場。
低軌衛星因運行在低地球軌道(距離地球表面約500~2,000公里),具有較低的傳輸時延,多用於通訊、觀測,可以解決在人煙稀少、偏遠地區或因戰爭而喪失通訊訊號區域的聯外需求。
「低軌道通訊衛星」這個概念第一次進入世人眼簾,可以追溯到1985年,一位摩托羅拉工程師Barry Bertiger和太太在度假時,突然想和客戶聯絡,但卻發現電話打不通,於是他突發奇想,若是能打造一個衛星網傳輸訊號,未來在地球的任何角落都可以打電話了。
到了1991年,摩托羅拉成立銥星公司(Iridium),正式推出「銥衛星」計畫,打算發射66枚低軌道衛星來完成這項通訊壯舉。但由於3G蜂巢式網路(Cellular network)技術後來的突破與迅速壯大,使得銥星公司虧損累累,背負40億美元債務,最終於2000年正式宣布破產。
那為何低軌衛星近年來又盛行起來?主要是20年來,隨著火箭運載能力提升,發射衛星的成本大幅下降,再加上微型衛星技術突飛猛進,不但造價遠低於過去,衛星越做越小,也讓火箭升空一次能攜帶越來越多顆。此外,火箭回收技術開發有成,能重複使用也讓火箭成為真正的「交通載具」。
目前全球主要有4大低軌衛星營運商,分別是馬斯克的SpaceX、亞馬遜旗下的 Project Kuiper、英國OneWeb以及加拿大 Telesat。SpaceX的星鏈計畫(Starlink)2018年率先發射火箭將兩顆小型實驗通信衛星送入軌道,預計未來將用11,943 枚衛星來建構這個覆蓋全球的衛星網絡,這個數量將是62年以來升空繞行地球太空軌道衛星總數的大約2倍,是仍在正常運轉衛星總數約8倍,整個建置計畫耗資高達100億美元。
而亞馬遜的Project Kuiper甫於10月6日發射兩顆雛型衛星,最終目標是建立一個由3,200多顆衛星組成的網路。
儘管Starlink目前已擁有超過100萬客戶,但SpaceX在歷經2年虧損後,才終於在今年首季實現約5,500萬美元的小幅獲利。一個家庭要擁有一台Starlink用戶終端設備,必須花費約600美元加上每月額外的服務費用。亞馬遜則希望用約400美元的價格販售Project Kuiper終端裝置。
各家業者摩拳擦掌、前仆後繼地投入,看中的就是地廣人稀的偏遠地區若仰賴建置地面基地台來完成通訊覆蓋的成本過高,低軌衛星遂成為與地面基地台互補的最佳解方。然而這些需求是否真的能為成本如此巨大的投資帶來長期獲利,後續還有什麼新科技能與之搭配應用,都仍有待後續觀察。