1、衛(wèi)星上的時鐘對于需要衛(wèi)星支持的全球定位系統(tǒng)來說準，確的時間測量具有決定性 的意義。然而正如從愛因斯坦那時開始我們就知道的那樣時，間是具 有相對性的。這意味著，要想準確地確定時間，并不像我們想像的那 么容易。對于我們日常生活來講，時鐘的準確性是勿庸置疑的。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，對于那些在太空中漂浮著的衛(wèi)星和航天飛機來說，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 器要借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(tǒng)( GPS， Global Positioning S

2、ystem)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 闡明了這一切。不過，還是稍嫌晚了一點，讓 GPS 項目的主管軍官 們遇到了不小的麻煩：當美國人在 1978 年 2 月22 日把他們的第一顆 GPS 衛(wèi)星送入衛(wèi)星運行軌道時，衛(wèi)星上的那些原子鐘并不具有任何符 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，以至于在一天之內就出現了超過11 公里的錯誤。 好在這些美國人采取了相應的預防措施，并在問題出現之后激活了修 正系統(tǒng)。這樣，在所有后來的衛(wèi)星中，就都考慮到了下面的事實：在 大約

3、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(tǒng)為什么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(tǒng)的工作原理。GPS系統(tǒng)是通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(wèi)星之間傳輸一束電磁波，這 束電磁波中含有信號發(fā)出時的時間信息。由于電磁波的傳輸速度是恒 定的光速，因此，通過測量傳輸的時間間隔，就可以得到該點和 衛(wèi)星之間的距離。當然，僅僅知道傳輸點到一顆衛(wèi)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(wèi)星，分別處于地球上空的不同 軌道位置，以待測點為圓心，該點和衛(wèi)星之間的距離為半徑，畫

4、四個 圓。這樣，通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(wèi)星信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(wèi)星上有原子鐘，而與此相比，一個普通的 GPS 接 收器里只有一個簡單的石英鐘。因此，為了能確定準確的時間，衛(wèi)星 上的一個附加時間信號器會與接收器上的時鐘同步運行。GPS 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)共擁有24 顆衛(wèi)星，在全世界范圍內正常運轉， 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(tǒng)開 始采用一項新技術，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(tǒng)推廣到更廣泛的民用領域，汽車導航、 手機定位等應用

5、逐漸普及， GPS 系統(tǒng)開始進入一個巨大的市場繁榮M2O1D幵始障洲惱利怖孫統(tǒng)的3。詼辱航衛(wèi)M2O1D幵始障洲惱利怖孫統(tǒng)的3。詼辱航衛(wèi).呈 豁匹三亍軌道上國魏世球旅轉*烏已宥的GF*呂帝 統(tǒng)一襪.在呃利Hfi至統(tǒng)中同樣SHMB對論的槪疋： 在23626iiS0：ift ,巨聞禪北羽米曲漁底逅砂 的時鐘危御與在地珠上窪不一樣.盡番弊過了所帝 幡正迅堤，顯蚤上的時冋違總罡不能憲全腥値謹 種不準確性孫地巌的不同蟀臨上奮帝不同的醫(yī)親 上HTWlfiJLS-t的時鐘導奚砂間在夠 塩上的釉圻平均|棗.jr- _： -& .- e . f-H_ _ _ L相對論兩次發(fā)威在設置衛(wèi)星上的時鐘時，既要考慮 到廣義

6、相對論，也要考慮到狹義相 對論的影響。這兩種相對論的效果 會部分地相互作用，不過不會完全 抵消。根據廣義相對論，一束在一 個重力場中向下下落的光的頻率會 變高（藍光推移）；而一束上升的 光的頻率則會變低（紅光推移）。衛(wèi)星時鐘顯示的時間會通過原子的振蕩頻率描述出來。由于在20000公里的高度上的重力只有在地球上的大約四分之一，因此人們在地面上會接收到一個更高的頻率：重力越小，也就是說距離地球越遠，時 鐘走得就會越快。在 GPS 衛(wèi)星上，時間會縮短大約一千億分之五十 三。這樣，一個衛(wèi)星時鐘每年就要少走大約千分之十七秒。 由于狹義相對論，這個數值會變小一些。因為沒有任何物體的運動速 度能超過光速，所

7、以在運動的坐標系中的時間就會走得慢一些。當一束光從一個運動的發(fā)射裝置中發(fā)射出去并被一個靜止的接收器接收 到時，這束光的頻率就會變低。這個所謂的時間膨脹（Zeitdilation） 會讓以每秒大約 4 公里的速度圍繞地球飛速旋轉的衛(wèi)星上的時鐘走 得慢一些。具體來說，這些時鐘會變慢大約一千億分之八，也就是每 年大約變慢千分之三秒。現在，為了校正相對論造成的影響，GPS衛(wèi)星上的時鐘必須變慢大約 一千億分之四十五。經過愛因斯坦的相對論比較，這非常簡單：不要 把衛(wèi)星上的時鐘精確地調整為 1023 萬赫茲，而是把這個數值設置為 1022.9999995326 赫茲。如果沒有這個校準過程，在每秒鐘的長度測

8、定中就會出現 480 米的誤差。變化莫測的 GPS 在使用原子鐘的情況下，導航系統(tǒng)可以非常準確。對于政府部門和軍 方來講，這種高度的精確當然是非常有必要的，可是，他們有時卻并 不希望民間也可以像他們一樣擁有一套可以把目標點精確到幾厘米 的系統(tǒng)。不過，由于民用系統(tǒng)是在一個單獨的頻率下運行的，因此， 美國國防部在危急情況下，有時會對該系統(tǒng)進行有意識的干擾，他們 可以把在精確到10 米的測量精度降低到100 米以上。當然，實現這 一點非常簡單，而且僅僅與時鐘有關：只要讓衛(wèi)星發(fā)射一個假的時間 信號就可以了。作為美國GPS系統(tǒng)的歐洲同類產品，目前伽利略（Galileo）衛(wèi)星定 位系統(tǒng)已經建立了起來，利用

9、這套系統(tǒng)，歐洲人可以不依靠美國的 GPS 系統(tǒng)而進行工作。不過，與 GPS 一樣，伽利略也遵從著同樣的 原理工作，但是由于具有更高的帶寬因而可以提供更多的服務，并可 以保證用戶穩(wěn)定地使用這套系統(tǒng)。從 2010 年開始，這套系統(tǒng)應該可以投入使用。兩顆測試衛(wèi)星中的一 顆預定于 2005 年 12 月搭載一枚俄羅斯的火箭送入到指定軌道，而第 二顆衛(wèi)星則預定于 2006 年 2 月被送入太空。利用這兩顆測試衛(wèi)星， 歐洲宇航局（ESA）將可以對系統(tǒng)的關鍵技術進行測試，在2007年 之前，應該可以啟用第一批正式的導航系統(tǒng)。I原子時回像這亍艷鐘（上）這禪的原子鐘“毎天的碾爰 最菸只何一千億労之一郵.対于1M

10、利骼系繡來 說.這還不磅情確.從不同時鐘顯示的時問 I原子時回像這亍艷鐘（上）這禪的原子鐘“毎天的碾爰 最菸只何一千億労之一郵.対于1M利骼系繡來 說.這還不磅情確.從不同時鐘顯示的時問 中.在陋國宇航中心的時鐘實驗產里還可戲計 專出更豈準黑的一紙上時囲.這牛時問可取 作肯系統(tǒng)所有托件的參考數俏世用“徳國宇航中心釣輸-畐爾轉訥博士世界上最準確的時間在伽利略系統(tǒng)的準備過程中，精確的時間測量扮演著重要的角色。位于上普法芬霍芬（Oberpfaffenhofen） 的德國宇航中心（DLR），很有可能成為伽利略系統(tǒng)控制中心的所在地，這里已經為此目的建立了一個時 鐘測量實驗室。這里收集了目前所有最準確的時

11、鐘，在實驗室的架子上有三個主動和兩個被動式氫微波激 射器，兩個銫鐘和其他一些原子鐘。這些時鐘都根據相同的原理進行工作：它們充分利用了原子的性質， 即在從一個能級到另外一個能級的躍遷過程中發(fā)射或者吸收具有獨特振蕩頻率的電磁波。但對于伽利略系統(tǒng)來說，這樣的時鐘所顯示的時間還不夠精確?！皼]有一個時鐘能走得完全準確，甚至這些最好的時鐘也會有一定的誤差。”德國宇航中心的導航和通信研究所(Institut fur Navigation undKommunikation)的約翰富爾特訥(Johann Furthner)博士解釋說。當然，這些科學家們知道每一個時鐘的優(yōu)缺點。因此，從這些不同時鐘的顯示結果中，他

12、們最終可以計算出一個更為準確的時間。在上普法芬霍芬，人們把這個稱之為“紙上時間”(Papierzeit)，因為這個結果不是直接從一個時鐘那里獲得的。德國宇航中心的這個時鐘實驗室將來會有“為伽利略提供精確時間的設備”，這些設備在每一秒鐘都會為所有地面站提供精確的“紙上時間”。這些地面站與衛(wèi)星保持同步，這樣衛(wèi)星也會根據愛因斯坦的修正同樣具有最新的時間狀態(tài)。傳輸時問132空潤和時間看了躱自四亍迎堅的信號.逵亍接收瑤可以在三維空f傳輸時問132空潤和時間看了躱自四亍迎堅的信號.逵亍接收瑤可以在三維空f可中討31出其所在的拉井通過時鐘 同步系統(tǒng)議得精確曲系席時同只有這學從發(fā)射赭所在地看去位國不是丈低的爼星才桂提供 輛確的！ft揭.在特別小的角廢下上圈中