12月8日—GPS完成部署

1957年10月，蘇聯不聲不響地發射第一顆人造衛星史普尼克一號（Sputnik-1），每96分鐘繞行地球一圈，並不停地發出20 MHz的無線電波，一般民眾用收音機就能聽到。美國約翰霍普金斯大學的應用物理實驗室裡，蓋耶（William Guier）和魏芬巴赫（George Weiffenbach）這兩位物理學家也好奇地用現有設備接收訊號。

監聽了一陣子後，他們注意到一個有趣的現象：收到的無線電波頻率，會隨著史普尼克一號飛近或遠離而出現變化。他們立刻想到這是都卜勒效應，接著一個想法冒了出來：能否藉此算出衛星的飛行軌跡？

幾個星期後，他們用實驗室的電腦UNIVAC成功算出史普尼克一號的軌道。不久之後，實驗室副主任麥克盧爾（Frank McClure）找他們去問了一個問題：既然可以地面上的固定位置推算衛星的所在，那麼可以反過來，從已知位置的衛星得知地球上的某個位置嗎？

原來美國海軍正在研發潛艇飛彈，但屆時也必須知道潛水艇的位置，才能瞄準目標。蓋耶和魏芬巴赫研究後，證明理論上可以做到，但有多顆衛星才能精確定位。於是海軍展開「子午儀計畫（Transit Program）」，先後發射五顆衛星，於1960年組成最初的衛星定位系統。

不過子午儀系統一個小時才能定位一次，無法滿足空中作戰的需求，因此空軍自行研發導航系統，就連陸軍也發射自己的衛星。眼見不同單位各行其事，資源分散且系統也互不相容，美國國防部於1973年將所有計畫整合為單一的Navstar計畫，正式展開「全球定位系統」（Global Positioning System，簡稱GPS）的布署。

按照規劃，GPS共有24顆衛星，分佈在六個不同的軌道平面上，以確保地球上任何地方都能同時接收到至少四顆衛星的訊號。透過測量訊號到達的時間差，就能算出與每個衛星相距多遠，再根據三角測量的幾何原理，得知所在的經度、緯度和高度。

為了精確定位，訊號的時間標記必須極為精準。1974年，第一顆攜帶原子鐘的衛星發射升空，驗證原子鐘在太空中的穩定性與準確性後，GPS衛星自1978年起陸續升空。1993年12月8日，美國國防部宣布24顆GPS衛星全部部署完成，可提供誤差100公尺以內的定位服務。隨著衛星汰舊換新，以及2000年解除限制，目前誤差已不到5公尺。

如今GPS已是現代生活不可或缺的一部分，誰能料到史普尼克一號不但開啟了美蘇太空競賽，也催生出全人類都可享用的便利服務。

【補充】

很多人都以為愛因斯坦的相對論太玄了，和自己無關，但其實你所用的導航服務就用到狹義相對論和廣義相對論。

根據狹義相對論，速度越快，時間流逝越慢；GPS衛星的飛行時速14,000公里，每天會比地面慢7.2微秒。另一方面，廣義相對論又指出重力越小的地方，時間越快，GPS衛星位於兩萬公里的高空，每天比地面快45.9微秒。這兩個效應造成GPS衛星上的原子鐘每天比地面快約38微秒，導航設備若未加以修正，將會有11公里的誤差。

參考資料：