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【廉政文苑】用时间测量空间
文档来源:中央纪委国家监委网站   发布时间:2020-08-11

日前,北斗三号全球卫星导航系统全面建成并开通服务,我国成为世界上第三个独立拥有全球卫星导航系统的国家。现在的导航系统越来越精确,这背后到底隐藏着什么科技呢?新近出版的《时间之问》一书告诉我们:现在的卫星导航是用计时法来确定经纬度,并且可以用时间测量空间。

在所有的物理量中,时间是测得最准的一个。只要不断改进时间的测量精度,距离的精度就会越来越高。我们可以借助时间来测量空间,即用计时来确定距离。理论上说,地球上的任何一个人,只要能算出他和天上的四颗卫星之间的电波信号的延迟时间,乘以光速换算出距离,进而根据一个三角计算法就能确定他在地球上唯一的位置。

理论上说,只要一个卫星上的时间偏差百万分之一秒,就会在GPS接收器上产生1/5英里的误差。为了保证延迟时间测量精度的准确性,每颗导航卫星都携带一台高精度的原子钟,并且彼此保持同步。这里,有必要介绍一下原子钟。人们平时所用的钟表,精度高的大约每年会有1分钟的误差,这对日常生活没有影响,但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。目前世界上最准确的计时工具就是原子钟,它于20世纪50年代出现。原子钟利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时,由于这种电磁波非常稳定,再加上利用一系列精密的仪器进行控制,原子钟的精度可以达到每2000万年才误差1秒。这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。

这些卫星持续向地球发射信息,报告所处的位置和发射的时刻。经过一小段延迟后地球上的导航装置收到位置和时间信息,根据一种特殊的解码方法,可以推算出信号的到达时刻。二者之间就是信号以光速传播到地面所花费的时间。

可能有人会问:乘以光速就可以计算出接收器到每颗卫星的距离吗?答案是肯定的。每个导航接收器至少连接4颗卫星,得到4组数据,根据三角测量法就可以列出四个方程,解这个方程组就可以求得4个未知数,即接收器所在的三维坐标以及时间偏移量,最后换算出所处的经纬度。

依托精准的原子钟,国际上对时间的基本单位1秒钟的定义,不再依据地球自转一周的若干分之一,而是根据铯原子振动一次的时间,乘以9192631770倍。因为地球自转的速度受到月球引力以及自身大地震的影响会逐渐变慢,而无论何时,铯原子的固有振荡频率是不变的。通过铯原子的振动周期来定义1秒,更像是一种理论上的定义,它不会受外部因素的影响而改变。这样一来,时间的节拍,通过宇宙间固有的节奏就可以被永久确定下来。

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