NASA GRITSS 計畫：用立方衛星打造更精準的「大地基準」

NASA 於2026年7月7日發射一顆約行李箱大小的 GRITSS 立方衛星，全名為「小型衛星大地基準儀器轉發器」（Geodetic Reference Instrument Transponder for Small Satellites）。它是一項太空大地測量技術驗證任務，目標是讓全球定位、衛星測量與地球科學所依賴的大地參考座標基準更加精確。

GNSS 為何需要更精確的大地參考？

我們通常認為 GNSS 只要接收到幾顆衛星的訊號，就能算出所在位置。但要回答「這個位置究竟位於地球上的哪裡」，還需要一套精確描述地球中心、大小、形狀、方向及旋轉狀態的全球座標參考系統，這就是國際地球參考框架（International Terrestrial Reference Frame，ITRF）。

然而，地球並非形狀固定、恆久不變的剛體，而會受到地球自轉、潮汐作用、板塊運動及地殼變形等因素影響，持續產生細微的動態變化。因此，傳統以地表控制點或平均海平面為基礎的基本控制測量基準，也不是絕對穩定不變的。

國際地球參考框架（International Terrestrial Reference Frame，ITRF）是一套以地球質心為原點、隨地球共同旋轉的全球三維座標框架，並透過分布於世界各地的精密觀測站，持續更新各測站的位置及移動速度。GNSS 衛星軌道、海平面高度、板塊位移、地殼變形與衛星影像定位等工作，都必須建立在這套共同的座標框架之上。

座標框架即使僅有數毫米的誤差，累積到全球尺度或長期監測中，仍可能影響海平面上升、冰層消融、板塊運動及地殼變形等研究結果。因此，建立穩定且高精度的全球地球參考框架，是現代衛星定位、精密測量與地球科學研究的重要基礎。

目前科學家主要利用三種太空大地測量方法建立ITRF：

• 全球導航衛星系統（GNSS）：接收導航衛星訊號，測定地面測站或衛星的位置。
• 特長基線干涉測量（VLBI）：利用相隔很遠的電波望遠鏡比較無線電訊號到達時間，精確掌握地球的方向、旋轉及尺度。
• 衛星雷射測距（SLR/LLR）：從地面向衛星發射雷射，量測雷射往返時間，以釐定衛星距離與地球質心。

問題在於，這三套儀器通常是各自獨立運作，即使設置在同一座觀測站，也必須靠傳統地面測量把它們的參考點連結起來。由於部分儀器真正的測量中心難以直接碰觸，加上儀器、地基及環境可能隨時間變動，這種稱為「測站連測」的作業仍可能引入毫米等級誤差。

GRITSS提出的解決方式相當直觀：與其在地面上設法量出三套儀器之間的距離，不如讓它們同時觀測太空中的同一顆衛星，將該衛星視作是一個共同基準點。GRITSS接收GPS訊號後，會將訊號數位化，再轉換成VLBI電波望遠鏡能接收的S波段與X波段頻率，重新向地面播送。同時，衛星上裝有雷射反射器，可將地面SLR測站發射的雷射反射回去。因此，GNSS、VLBI與SLR三套原本分離的測量系統，都能以GRITSS作為共同的太空參考點。

這項任務真正困難的地方，在於「時間」需要十分精準。電波與雷射都以光速傳播，時間測量只要出現極小誤差，換算成距離後便可能造成毫米甚至更大的偏差。GRITSS搭載與GPS時間同步的10 MHz超穩定振盪器，以及專用的訊號處理器與微型S、X波段天線。衛星繞行地球時會不斷進出日照區與地球陰影，外部溫度可能出現數百度變化；為避免溫度影響電子元件與時鐘，工程團隊必須將衛星內部溫度變化控制在攝氏1度以內，並使每圈軌道的時間漂移不超過一兆分之一秒。

GRITSS的目標是協助 ITRF 朝向約 0.1 公分的座標框架精度發展。NASA也指出，更穩定的參考框架可支援全球海平面變化、聖嬰現象及水資源分布等研究。若驗證成功，將有助於：

• 更準確監測海平面、冰層、地下水與陸地高程變化；
• 測量板塊移動、地殼變形與地球自轉；
• 提升地球觀測衛星的精密定軌與影像定位能力；
• 為下一代海洋、冰層及地形測量任務提供穩定基準；
• 長期改善精密導航、測量與定位服務。

最後特別一提，NASA 所說的「讓全球定位更精確」，主要是指改善GPS及各種定位系統背後的國際地球參考框架，並不是GRITSS啟用後，手機導航就會立刻從數公尺提升到毫米。同時，目前這是一項技術驗證任務，後續仍須透過在軌觀測，確認它能否真正降低三種測量系統之間的連結誤差。

完整 NASA 報導：NASA Small Satellite Could Make Global Positioning More Precise

參考資料：

• 衛星測位を支える国土情報基盤「VLBI」－地球を測り、位置を定める－ （Credit: 日本國土地理院）