卫星上的时钟

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1、卫星上的时钟对于需要卫星支持的全球定位系统来说，准确的时间测量具有决定性的意义。然而正如从爱因斯坦那时开始我们就知道的那样，时间是具有相对性的。这意味着，要想准确地确定时间，并不像我们想像的那么容易。   对于我们日常生活来讲，时钟的准确性是勿庸置疑的。无论我们身在亚洲还是欧洲，高山还是深海，时钟都以相同的频率在运转着。不过，对于那些在太空中漂浮着的卫星和航天飞机来说，其内部的时钟走得就和我们地球上的时钟有点不一样了。当这些航天器中的接收器要借助这个时钟确定地球上的一个特定地点时，问题就出现了。这也就意味着，如果要想让全球定位系统（GPS，Global

2、PositioningSystem）能够准确地确定地球上某一点的位置，就必须对时钟进行一些“特殊的处理”。和平主义者阿尔伯特·爱因斯坦早在几十年以前，就在他的相对论中阐明了这一切。不过，还是稍嫌晚了一点，让GPS项目的主管军官们遇到了不小的麻烦：当美国人在1978年2月22日把他们的第一颗GPS卫星送入卫星运行轨道时，卫星上的那些原子钟并不具有任何符合相对论的结构。这样造成的结果是，这些极其精确的时钟走得这样的不准，以至于在一天之内就出现了超过11公里的错误。好在这些美国人采取了相应的预防措施，并在问题出现之后激活了修正系统。这样，在所有后来的卫星中，

3、就都考虑到了下面的事实：在大约20000公里的高度上和14000km/h8/8卫星上的时钟对于需要卫星支持的全球定位系统来说，准确的时间测量具有决定性的意义。然而正如从爱因斯坦那时开始我们就知道的那样，时间是具有相对性的。这意味着，要想准确地确定时间，并不像我们想像的那么容易。   对于我们日常生活来讲，时钟的准确性是勿庸置疑的。无论我们身在亚洲还是欧洲，高山还是深海，时钟都以相同的频率在运转着。不过，对于那些在太空中漂浮着的卫星和航天飞机来说，其内部的时钟走得就和我们地球上的时钟有点不一样了。当这些航天器中的接收器要借助这个时钟确定地球上的一个特定地

4、点时，问题就出现了。这也就意味着，如果要想让全球定位系统（GPS，GlobalPositioningSystem）能够准确地确定地球上某一点的位置，就必须对时钟进行一些“特殊的处理”。和平主义者阿尔伯特·爱因斯坦早在几十年以前，就在他的相对论中阐明了这一切。不过，还是稍嫌晚了一点，让GPS项目的主管军官们遇到了不小的麻烦：当美国人在1978年2月22日把他们的第一颗GPS卫星送入卫星运行轨道时，卫星上的那些原子钟并不具有任何符合相对论的结构。这样造成的结果是，这些极其精确的时钟走得这样的不准，以至于在一天之内就出现了超过11公里的错误。好在这些美国人采

5、取了相应的预防措施，并在问题出现之后激活了修正系统。这样，在所有后来的卫星中，就都考虑到了下面的事实：在大约20000公里的高度上和14000km/h8/8的速度下，时钟会与地球上的时钟走得不一致。GPS系统为什么会受到时钟的影响呢？要弄清楚这个问题，我们就必须先了解GPS系统的工作原理。GPS系统是通过测定无线电波的传输时间来确定位置的。首先，待测点与卫星之间传输一束电磁波，这束电磁波中含有信号发出时的时间信息。由于电磁波的传输速度是恒定的——光速，因此，通过测量传输的时间间隔，就可以得到该点和卫星之间的距离。当然，仅仅知道传输点到一颗卫星之间的距离

6、还不足以测定待测点的准确位置，但如果我们有四颗同样的卫星，分别处于地球上空的不同轨道位置，以待测点为圆心，该点和卫星之间的距离为半径，画四个圆。这样，通过测定四个圆的交点，就可以准确地测定待测点在地球上的位置了。在时间测量中，从卫星信号传出的初始时间会与在接收器上的到达时间进行比较。在卫星上有原子钟，而与此相比，一个普通的GPS接收器里只有一个简单的石英钟。因此，为了能确定准确的时间，卫星上的一个附加时间信号器会与接收器上的时钟同步运行。GPS全球卫星定位系统共拥有24颗卫星，在全世界范围内正常运转，给人们的生活带来了极大的便利。自从1995年4月以来

7、，该系统开始采用一项新技术，在其中，爱因斯坦的相对论起着举足轻重的作用。这一技术的运用，将GPS系统推广到更广泛的民用领域，汽车导航、手机定位等应用逐渐普及，GPS系统开始进入一个巨大的市场繁荣期。相对论两次发威在设置卫星上的时钟时，既要考虑到广义相对论，也要考虑到狭义相对论的影响。这两种相对论的效果会部分地相互作用，不过不会完全抵消。根据广义相对论，一束在一个重力场中向下下落的光的频率会变高（蓝光推移）；而一束上升的光的频率则会变低（红光推移）。卫星时钟显示的时间会通过原子的振荡频率描述出来。由于在20000公里8/8的高度上的重力只有在地球上的大约

8、四分之一，因此人们在地面上会接收到一个更高的频率：重力越小，也就是说距离地球越远，时钟走得就会