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爱因斯坦与GPS:重要功能揭示

时间:2026-01-26 理论教育 蒙娜丽莎 版权反馈
【摘要】:GPS卫星网络距离地球表面2万千米,在那里的引力比在海平面处小17%。如果不调整这一偏差,我们的GPS接收器就会将这种情况解释为卫星信号需要38微秒的时间到达,而这个时间会影响仪器对位置的推算。为了使GPS定位系统正常运行,并将误差保持在5~10米,卫星网络就需要确保其发射信号的时间仅有20~30纳秒的延迟,也就是误差只有十亿分之一秒。在这种情况下,GPS网络卫星在开始运营的两分钟内就会开始出现完全不可靠的定位结果。

GPS卫星网络距离地球表面2万千米,在那里的引力比在海平面处小17%。此外,卫星的运行速度为1.4万千米/小时,大约是3.9千米/秒。

为了在全世界范围内提供导航服务,每当某个GPS设备发射出一个信号,GPS卫星网络中24颗卫星中距离我们最近的四颗就会检测到信号源。当它们在地球静止轨道上运行时,总是对应地表某一个相同的区域,发射出的信号是无线电波。这是电磁辐射的形式之一,因此以光速传播。

卫星在接收到信号后会将对应信息发送回我们的接收设备。您已经知道波的速度大致相同,约为3.0×105千米/秒,这一数据也被编写在了计算机的代码中,以便生成一串信息编码。与此同时,运行在轨道上的卫星可推算出信号是在何时被卫星再次传播出去的。

已知信号在各个卫星中往返的时间后,接受设备就可以计算出其在地球表面的位置,精准度在5~10米。(https://www.xing528.com)

问题在于,物体的速度及其所在位置引发的相对论效应将使卫星时钟相较于地球时钟每天“提前”38微秒。如果不调整这一偏差,我们的GPS接收器就会将这种情况解释为卫星信号需要38微秒的时间到达,而这个时间会影响仪器对位置的推算。要知道信号以光速传播,而这一误差完全破坏了仪器的精准度,因为在38微秒内信号可以行进11.4千米。

为了使GPS定位系统正常运行,并将误差保持在5~10米,卫星网络就需要确保其发射信号的时间仅有20~30纳秒的延迟,也就是误差只有十亿分之一秒。而前文提到的38微秒相当于3.8万纳秒,是一个不可接受的偏差。在这种情况下,GPS网络卫星在开始运营的两分钟内就会开始出现完全不可靠的定位结果。

幸运的是,人们已经考虑到了相对论效应的影响,并在卫星时钟内加入特定的编程以应对上述情况,这才不会在定位过程中胡乱指挥。

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