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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 Positioning S
2、ystem)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，就都考虑到了下面的事实：在 大
3、约 20000 公里的高度上和 14000 km/h 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
4、，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，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
5、用逐渐普及， GPS 系统开始进入一个巨大的市场繁荣M2O1D幵始障洲恼利怖孫统的3。诙辱航卫.呈 豁匹三亍轨道上国魏世球旅转*烏已宥的GF*吕帝 统一袜.在呃利Hfi至统中同样SHMB对论的槪疋： 在23626iiS0：ift ,巨闻禅北羽米曲渔底逅砂 的时钟危御与在地珠上窪不一样.尽番弊过了所帝 幡正迅堤，显蚤上的时冋违总罡不能宪全腥値谨 种不准确性孫地巌的不同蟀臨上奋帝不同的醫親 上HTWlfiJLS-t的时钟导奚砂间在够 塩上的釉圻平均|枣.jr- _： -& .- e . f-H_ _ _ L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
6、。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公里的高度上的重力只有在地球上的大约四分之一，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 钟走得就会越快。在 GPS 卫星上，时间会缩短大约一千亿分之五十 三。这样，一个卫星时钟每年就要少走大约千分之十七秒。 由于狭义相对论，这个数值会变小一些。因为没有任何物体的运动速 度能超过光速，所以在运动的坐标系中的时间就会走得慢一
7、些。当一束光从一个运动的发射装置中发射出去并被一个静止的接收器接收 到时，这束光的频率就会变低。这个所谓的时间膨胀（Zeitdilation） 会让以每秒大约 4 公里的速度围绕地球飞速旋转的卫星上的时钟走 得慢一些。具体来说，这些时钟会变慢大约一千亿分之八，也就是每 年大约变慢千分之三秒。现在，为了校正相对论造成的影响，GPS卫星上的时钟必须变慢大约 一千亿分之四十五。经过爱因斯坦的相对论比较，这非常简单：不要 把卫星上的时钟精确地调整为 1023 万赫兹，而是把这个数值设置为 1022.9999995326 赫兹。如果没有这个校准过程，在每秒钟的长度测 定中就会出现 480 米的误差。变化
8、莫测的 GPS 在使用原子钟的情况下，导航系统可以非常准确。对于政府部门和军 方来讲，这种高度的精确当然是非常有必要的，可是，他们有时却并 不希望民间也可以像他们一样拥有一套可以把目标点精确到几厘米 的系统。不过，由于民用系统是在一个单独的频率下运行的，因此， 美国国防部在危急情况下，有时会对该系统进行有意识的干扰，他们 可以把在精确到10 米的测量精度降低到100 米以上。当然，实现这 一点非常简单，而且仅仅与时钟有关：只要让卫星发射一个假的时间 信号就可以了。作为美国GPS系统的欧洲同类产品，目前伽利略（Galileo）卫星定 位系统已经建立了起来，利用这套系统，欧洲人可以不依靠美国的 G
9、PS 系统而进行工作。不过，与 GPS 一样，伽利略也遵从着同样的 原理工作，但是由于具有更高的带宽因而可以提供更多的服务，并可 以保证用户稳定地使用这套系统。从 2010 年开始，这套系统应该可以投入使用。两颗测试卫星中的一 颗预定于 2005 年 12 月搭载一枚俄罗斯的火箭送入到指定轨道，而第 二颗卫星则预定于2006年2 月被送入太空。利用这两颗测试卫星，欧洲宇航局（ESA）将可以对系统的关键技术进行测试，在2007年 之前，应该可以启用第一批正式的导航系统。I原子时回像这亍艳钟（上）这禅的原子钟“毎天的碾爰 最菸只何一千亿労之一郵.対于1M利骼系绣来 说.这还不磅情确.从不同时钟显示
10、的时问 中.在陋国宇航中心的时钟实验產里还可戏计 專出更岂准黑的一紙上时囲.这牛时问可取 作肯系统所有托件的参考数俏世用“一没有一个时钟能走 得完全准确.甚至这 些最好的时钟也会有 定的误差.”徳国宇航中心釣輸-畐尔转讷博士世界上最准确的时间在伽利略系统的准备过程中，精确的时间测量扮演着重要的角色。位于上普法芬霍芬（Oberpfaffenhofen） 的德国宇航中心（DLR），很有可能成为伽利略系统控制中心的所在地，这里已经为此目的建立了一个时 钟测量实验室。这里收集了目前所有最准确的时钟，在实验室的架子上有三个主动和两个被动式氢微波激 射器，两个铯钟和其他一些原子钟。这些时钟都根据相同的原理
11、进行工作：它们充分利用了原子的性质， 即在从一个能级到另外一个能级的跃迁过程中发射或者吸收具有独特振荡频率的电磁波。但对于伽利略系统来说，这样的时钟所显示的时间还不够精确。“没有一个时钟能走得完全准确，甚至这些最好的时钟也会有一定的误差。”德国宇航中心的导航和通信研究所(Institut fur Navigation undKommunikation)的约翰富尔特讷(Johann Furthner)博士解释说。当然，这些科学家们知道每一个时钟的优缺点。因此，从这些不同时钟的显示结果中，他们最终可以计算出一个更为准确的时间。在上普法芬霍芬，人们把这个称之为“纸上时间”(Papierzeit)，因
12、为这个结果不是直接从一个时钟那里获得的。德国宇航中心的这个时钟实验室将来会有“为伽利略提供精确时间的设备”，这些设备在每一秒钟都会为所有地面站提供精确的“纸上时间”。这些地面站与卫星保持同步，这样卫星也会根据爱因斯坦的修正同样具有最新的时间状态。传輸时问132空润和时间看了躱自四亍迎堅的信号.逵亍接收瑶可以在三维空f可中讨31出其所在的拉井通过时钟 同步系统議得精确曲系席时同只有这学从发射赭所在地看去位国不是丈低的爼星才桂提供 辆确的！ft揭.在特别小的角废下上圈中车边的卫匿-恼号在平澹层和对浦民的传输时同 令堆生改娈离子宦 I”监3Q待捌胞薦 地点一 52S3均为发射羿富位的原理由干光連是恒定的，E1此一亍檔 收篙只需愛测最一亍信号的传籀 时阎.就可以计谆出这个接收梆 与岌射琳之回的庫禺当我们有 三个摟收点时.任意一牛点的也 宙就祁可心根据这三亍信号的交 点而得到了.JCiy-.zi.T/HhTiTiiLJt- if.ji.t所和1冋3
