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全球衛星定位導航系統的心臟—原子鐘

了解到衛星定位系統的基本原理后,我們可以發現,在衛星定位系統中最核心的部分就是要準確測量衛星信號的傳播時間。失之毫厘,謬以千里。任何一點細微的時間誤差乘上光速,得到的距離誤差都會被放大很多倍。在衛星導航系統中,1納秒(十億分之一秒)的時間誤差將導致0.3米的距離誤差。

 

為了盡可能地減小時間誤差,在衛星定位系統中我們使用的是目前最精確的時間測量工具——原子鐘。原子會不停地發生振蕩,振蕩的頻率是原子的固有頻率,不會受溫度和壓力的影響改變。原子鐘正是利用這一原理制成。

 

原子鐘的精度非常高,數千萬年才會差1秒。目前世界上可以提供精確定位的全球定位系統,即美國的 GPS 定位系統、俄羅斯的格洛納斯定位系統、中國的北斗定位系統、歐盟的伽利略定位系統全部使用了原子鐘來測定時間。將原子鐘稱為衛星定位系統的心臟一點也不夸張。

 

雖然原子鐘能幫助我們減小時間誤差,但受限于技術和成本,我們不可能在每個用戶接收端都安裝原子鐘。實際上衛星上安裝的是原子鐘,而用戶接收端則是石英鐘,石英鐘的精度比起原子鐘就差多了。除此之外,根據愛因斯坦的廣義相對論,物體的運動速度將導致其時間彎曲,具體表現在速度越快的物體,其時間變得越慢。廣義相對論還認為,大質量物體會導致其周圍的時間和空間發生彎曲,具體表現在離大質量物體越近,時間就變得越慢。

 

GPS衛星相比于地面上的人,距離地球(大質量物體)更遠,受到的地球引力略小,基本上GPS衛星上的時鐘每天會比地球上時鐘快38微秒,即每天將會增大11千米的誤差。了解到這些知識后我們會發現,即使是同一時刻,接收端的石英鐘與衛星上的原子鐘顯示的時間也是不相同的,這種誤差會對定位的準確性造成很大影響。



轉自:互聯網

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