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  • 1 # 穿越萬年

    無論我們身在亞洲還是歐洲,高山還是深海,時鐘都以相同的頻率在運轉著。不過,對於那些在太空中漂浮著的衛星和太空梭來說,其內部的時鐘走得就和我們地球上的時鐘有點不一樣了。當這些航天器中的接收器要藉助這個時鐘確定地球上的一個特定地點時,問題就出現了。這也就意味著,如果要想讓全球定位系統(GPS,Global Positioning System)能夠準確地確定地球上某一點的位置,就必須對時鐘進行一些“特殊的處理”。

    和平主義者阿爾伯特·愛因斯坦早在幾十年以前,就在他的相對論中闡明瞭這一切。不過,還是稍嫌晚了一點,讓GPS專案的主管軍官們遇到了不小的麻煩:當美華人在1978年2月22日把他們的第一顆GPS衛星送入衛星執行軌道時,衛星上的那些原子鐘並不具有任何符合相對論的結構。這樣造成的結果是,這些極其精確的時鐘走得這樣的不準,以至於在一天之內就出現了超過11公里的錯誤。

    好在這些美華人採取了相應的預防措施,並在問題出現之後激活了修正系統。這樣,在所有後來的衛星中,就都考慮到了下面的事實:在大約20000公里的高度上和14000 km/h的速度下,時鐘會與地球上的時鐘走得不一致。


    GPS系統為什麼會受到時鐘的影響呢?要弄清楚這個問題,我們就必須先了解GPS系統的工作原理。GPS系統是透過測定無線電波的傳輸時間來確定位置的。首先,待測點與衛星之間傳輸一束電磁波,這束電磁波中含有訊號發出時的時間資訊。由於電磁波的傳輸速度是恆定的——光速,因此,透過測量傳輸的時間間隔,就可以得到該點和衛星之間的距離。

    當然,僅僅知道傳輸點到一顆衛星之間的距離還不足以測定待測點的準確位置,但如果我們有四顆同樣的衛星,分別處於地球上空的不同軌道位置,以待測點為圓心,該點和衛星之間的距離為半徑,畫四個圓。這樣,透過測定四個圓的交點,就可以準確地測定待測點在地球上的位置了。

    在時間測量中,從衛星訊號傳出的初始時間會與在接收器上的到達時間進行比較。在衛星上有原子鐘,而與此相比,一個普通的GPS接收器裡只有一個簡單的石英鐘。因此,為了能確定準確的時間,衛星上的一個附加時間訊號器會與接收器上的時鐘同步執行。

    GPS全球衛星定位系統共擁有24顆衛星,在全世界範圍內正常運轉,給人們的生活帶來了極大的便利。自從1995年4月以來,該系統開始採用一項新技術,在其中,愛因斯坦的相對論起著舉足輕重的作用。這一技術的運用,將GPS系統推廣到更廣泛的民用領域,汽車導航、手機定位等應用逐漸普及,GPS系統開始進入一個巨大的市場繁榮期。

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