衛(wèi)星上的時(shí)鐘

/衛(wèi)星上的時(shí)鐘對(duì)于需要衛(wèi)星支持的全球定位系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)確的時(shí)間測(cè)量具有決定性的意義.然而正如從愛(ài)因斯坦那時(shí)開(kāi)始我們就知道的那樣，時(shí)間是具有相對(duì)性的。這意味著,要想準(zhǔn)確地確定時(shí)間,并不像我們想像的那么容易。?

對(duì)于我們?nèi)粘Ｉ顏?lái)講，時(shí)鐘的準(zhǔn)確性是勿庸置疑的.無(wú)論我們身在亞洲還是歐洲，高山還是深海,時(shí)鐘都以相同的頻率在運(yùn)轉(zhuǎn)著.不過(guò)，對(duì)于那些在太空中漂浮著的衛(wèi)星和航天飛機(jī)來(lái)說(shuō),其內(nèi)部的時(shí)鐘走得就和我們地球上的時(shí)鐘有點(diǎn)不一樣了。當(dāng)這些航天器中的接收器要借助這個(gè)時(shí)鐘確定地球上的一個(gè)特定地點(diǎn)時(shí)，問(wèn)題就出現(xiàn)了。這也就意味著，如果要想讓全球定位系統(tǒng)（GPS,GloｂalPoｓｉtioningSｙstem）能夠準(zhǔn)確地確定地球上某一點(diǎn)的位置,就必須對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行一些“特殊的處理”。

和平主義者阿爾伯特·愛(ài)因斯坦早在幾十年以前,就在他的相對(duì)論中闡明了這一切.不過(guò),還是稍嫌晚了一點(diǎn)，讓GPS項(xiàng)目的主管軍官們遇到了不小的麻煩：當(dāng)美國(guó)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(yùn)行軌道時(shí)，衛(wèi)星上的那些原子鐘并不具有任何符合相對(duì)論的結(jié)構(gòu)。這樣造成的結(jié)果是，這些極其精確的時(shí)鐘走得這樣的不準(zhǔn)，以至于在一天之內(nèi)就出現(xiàn)了超過(guò)11公里的錯(cuò)誤。?好在這些美國(guó)人采取了相應(yīng)的預(yù)防措施，并在問(wèn)題出現(xiàn)之后激活了修正系統(tǒng)。這樣，在所有后來(lái)的衛(wèi)星中，就都考慮到了下面的事實(shí)：在大約２0０0０公里的高度上和140０0km/h的速度下，時(shí)鐘會(huì)與地球上的時(shí)鐘走得不一致。

GPS系統(tǒng)為什么會(huì)受到時(shí)鐘的影響呢？要弄清楚這個(gè)問(wèn)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(guò)測(cè)定無(wú)線電波的傳輸時(shí)間來(lái)確定位置的.首先，待測(cè)點(diǎn)與衛(wèi)星之間傳輸一束電磁波,這束電磁波中含有信號(hào)發(fā)出時(shí)的時(shí)間信息。由于電磁波的傳輸速度是恒定的-—光速,因此，通過(guò)測(cè)量傳輸?shù)臅r(shí)間間隔,就可以得到該點(diǎn)和衛(wèi)星之間的距離。?當(dāng)然，僅僅知道傳輸點(diǎn)到一顆衛(wèi)星之間的距離還不足以測(cè)定待測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)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(cè)點(diǎn)為圓心,該點(diǎn)和衛(wèi)星之間的距離為半徑，畫四個(gè)圓.這樣,通過(guò)測(cè)定四個(gè)圓的交點(diǎn),就可以準(zhǔn)確地測(cè)定待測(cè)點(diǎn)在地球上的位置了。

在時(shí)間測(cè)量中，從衛(wèi)星信號(hào)傳出的初始時(shí)間會(huì)與在接收器上的到達(dá)時(shí)間進(jìn)行比較。在衛(wèi)星上有原子鐘,而與此相比,一個(gè)普通的GPS接收器里只有一個(gè)簡(jiǎn)單的石英鐘.因此,為了能確定準(zhǔn)確的時(shí)間,衛(wèi)星上的一個(gè)附加時(shí)間信號(hào)器會(huì)與接收器上的時(shí)鐘同步運(yùn)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(nèi)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，給人們的生活帶來(lái)了極大的便利。自從１99５年4月以來(lái)，該系統(tǒng)開(kāi)始采用一項(xiàng)新技術(shù)，在其中，愛(ài)因斯坦的相對(duì)論起著舉足輕重的作用.這一技術(shù)的運(yùn)用,將ＧPＳ系統(tǒng)推廣到更廣泛的民用領(lǐng)域，汽車導(dǎo)航、手機(jī)定位等應(yīng)用逐漸普及,GPＳ系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入一個(gè)巨大的市場(chǎng)繁榮期.?相對(duì)論兩次發(fā)威?在設(shè)置衛(wèi)星上的時(shí)鐘時(shí),既要考慮到廣義相對(duì)論,也要考慮到狹義相對(duì)論的影響。這兩種相對(duì)論的效果會(huì)部分地相互作用,不過(guò)不會(huì)完全抵消。根據(jù)廣義相對(duì)論，一束在一個(gè)重力場(chǎng)中向下下落的光的頻率會(huì)變高(藍(lán)光推移);而一束上升的光的頻率則會(huì)變低（紅光推移）。衛(wèi)星時(shí)鐘顯示的時(shí)間會(huì)通過(guò)原子的振蕩頻率描述出來(lái).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?cè)诘孛嫔蠒?huì)接收到一個(gè)更高的頻率:重力越小,也就是說(shuō)距離地球越遠(yuǎn)，時(shí)鐘走得就會(huì)越快。在GPS衛(wèi)星上，時(shí)間會(huì)縮短大約一千億分之五十三。這樣,一個(gè)衛(wèi)星時(shí)鐘每年就要少走大約千分之十七秒。?由于狹義相對(duì)論，這個(gè)數(shù)值會(huì)變小一些。因?yàn)闆](méi)有任何物體的運(yùn)動(dòng)速度能超過(guò)光速,所以在運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中的時(shí)間就會(huì)走得慢一些。當(dāng)一束光從一個(gè)運(yùn)動(dòng)的發(fā)射裝置中發(fā)射出去并被一個(gè)靜止的接收器接收到時(shí),這束光的頻率就會(huì)變低。這個(gè)所謂的時(shí)間膨脹（Zeiｔdｉlａt(yī)ion）會(huì)讓以每秒大約4公里的速度圍繞地球飛速旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星上的時(shí)鐘走得慢一些。具體來(lái)說(shuō)，這些時(shí)鐘會(huì)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(xiàn)在,為了校正相對(duì)論造成的影響,GPS衛(wèi)星上的時(shí)鐘必須變慢大約一千億分之四十五。經(jīng)過(guò)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論比較，這非常簡(jiǎn)單：不要把衛(wèi)星上的時(shí)鐘精確地調(diào)整為1023萬(wàn)赫茲，而是把這個(gè)數(shù)值設(shè)置為1022。999999５32６赫茲.如果沒(méi)有這個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程,在每秒鐘的長(zhǎng)度測(cè)定中就會(huì)出現(xiàn)480米的誤差。?變化莫測(cè)的GPＳ?在使用原子鐘的情況下，導(dǎo)航系統(tǒng)可以非常準(zhǔn)確。對(duì)于政府部門和軍方來(lái)講,這種高度的精確當(dāng)然是非常有必要的,可是,他們有時(shí)卻并不希望民間也可以像他們一樣擁有一套可以把目標(biāo)點(diǎn)精確到幾厘米的系統(tǒng)。不過(guò)，由于民用系統(tǒng)是在一個(gè)單獨(dú)的頻率下運(yùn)行的,因此，美國(guó)國(guó)防部在危急情況下，有時(shí)會(huì)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行有意識(shí)的干擾，他們可以把在精確到１0米的測(cè)量精度降低到1０0米以上。當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)非常簡(jiǎn)單,而且僅僅與時(shí)鐘有關(guān)：只要讓衛(wèi)星發(fā)射一個(gè)假的時(shí)間信號(hào)就可以了。

作為美國(guó)ＧPＳ系統(tǒng)的歐洲同類產(chǎn)品，目前伽利略（Gａlilｅo）衛(wèi)星定位系統(tǒng)已經(jīng)建立了起來(lái)，利用這套系統(tǒng)，歐洲人可以不依靠美國(guó)的GPS系統(tǒng)而進(jìn)行工作.不過(guò)，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(wù)，并可以保證用戶穩(wěn)定地使用這套系統(tǒng).?從２010年開(kāi)始，這套系統(tǒng)應(yīng)該可以投入使用。兩顆測(cè)試衛(wèi)星中的一顆預(yù)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(yù)定于2006年２月被送入太空.利用這兩顆測(cè)試衛(wèi)星，歐洲宇航局(ESA)將可以對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行測(cè)試，在200７年之前,應(yīng)該可以啟用第一批正式的導(dǎo)航系統(tǒng)。

世界上最準(zhǔn)確的時(shí)間?在伽利略系統(tǒng)的準(zhǔn)備過(guò)程中，精確的時(shí)間測(cè)量扮演著重要的角色。位于上普法芬霍芬(Oberpfaffｅｎhofeｎ)的德國(guó)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(jīng)為此目的建立了一個(gè)時(shí)鐘測(cè)量實(shí)驗(yàn)室。這里收集了目前所有最準(zhǔn)確的時(shí)鐘,在實(shí)驗(yàn)室的架子上有三個(gè)主動(dòng)和兩個(gè)被動(dòng)式氫微波激射器，兩個(gè)銫鐘和其他一些原子鐘。這些時(shí)鐘都根據(jù)相同的原理進(jìn)行工作:它們充分利用了原子的性質(zhì),即在從一個(gè)能級(jí)到另外一個(gè)能級(jí)的躍遷過(guò)程中發(fā)射或者吸收具有獨(dú)特振蕩頻率的電磁波。

但對(duì)于伽利略系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這樣的時(shí)鐘所顯示的時(shí)間還不夠精確。“沒(méi)有一個(gè)時(shí)鐘能走得完全準(zhǔn)確，甚至這些最好的時(shí)鐘也會(huì)有一定的誤差?！钡聡?guó)宇航中心的導(dǎo)航和通信研究所（InstitutfürNavigaｔiｏnuｎdKomｍuｎｉkaｔioｎ）的約翰·富爾特訥（JohannFurthner）博士解釋說(shuō)。

當(dāng)然,這些科學(xué)家們知道每一個(gè)時(shí)鐘的優(yōu)缺點(diǎn)。因此,從這些不同時(shí)鐘的顯示結(jié)果中，他們最終可以計(jì)算出一個(gè)更為準(zhǔn)確的時(shí)間。在上普法芬霍芬，人們把這個(gè)稱之為“紙上時(shí)間”(Ｐ