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GPS 核心技术GPS 核心技术--精确计时与原子钟2008-07-15 14:18:17| 木易人建GPS 系统操作原理其实是很简单的:每一颗卫星不断发射包含其位置和精确到十亿分之一秒的时间的数字无线电信号。GPS 的接收装置接收到来自于四颗卫星的信号,然后计算出在地球上的位置,误差仅为几百英尺。接收装置将接收时间与卫星发射的时间进行比较,通过二者之差计算出远离卫星的距离(光线的速度为每秒 186,000 英里,假如卫星发射时间比接收时间晚千分之一秒,那么接受装置离卫星的距离就为 186 英里)。通过比较这个时间与其他三个已知位置的卫星的时间,接收装置便能够确定经纬度及海拔高度。 从以上论述可以看出精确计时及其计时工具在整个 GPS 系统中的重要地位。说到原子钟,它最初本是由物理学家创造出来用于探索宇宙本质的;他们从来没有想过这项技术有朝一日竟能应用于全球的导航系统上。根据量子物理学的基本原理,原子是按照不同电子排列顺序的能量差,也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差,来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时,它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的,这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的—例如铯 133 的共振频率为每秒 9192631770 周。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。30 年代,拉比和他的学生们在哥伦比亚大学的实验室里研究原子和原子核的基本特性。也就是在这里,他们在依靠这种原子计时器来制造时钟方面迈出了有价值的第一步。在其研究过程中,拉比发明了一种被称为磁共振的技术。依靠这项技术,他便能够测量出原子的自然共振频率。为此他还获得了 1944 年诺贝尔奖。同年,他还首先提出“要讨论讨论这样一个想法”(他的学生这样说道),也就是这些共振频率的准确性如此之高,完全可以用来制作高精度的时钟。他还特别提出要利用所谓原子的“超精细跃迁”的频率。这种超精细跃迁指的是随原子核和电子之间不同的磁作用变化而引起的两种具有细微能量差别的状态之间的跃迁。在这种时钟里,一束处于某一特定“超精细状态”的原子束穿过一个振荡电磁场。当原子的超精细跃迁频率越接近磁场的振荡频率,原子从磁场中吸收的能量就越多,从而产生从原始超精细状态到令一状态的跃迁。通过一个反馈回路,人们能够调整振荡场的频率直到所有的原子完成了跃迁。原子钟就是利用振荡场的频率即保持与原子的共振频率完全相同的频率作为产生时间脉冲的节拍器。两位科学家先驱的工作为全球定位系统的发展奠定了基础:左图:拉比对原子和原子核的基本性质所做的研究引导他发明了磁共振的技术,为第一台原子钟的出现奠定基础。右图:拉比以前的学生诺曼·兰姆赛为铯原子束“喷泉”钟的发展奠定了基础。他还发明了氢微波激射仪器,从而为时间记录的概念重新下了定义。拉比本人并没有深入到制造这种时钟的工作,但其他的研究者继续工作改进这个想法和技术。1949 年,拉比的学生诺曼?兰姆赛所做的研究表明如果让原子束通过振荡场两次的话便能得到更精确的时钟。为此,兰姆赛于 1989 年获得了诺贝尔奖。目前常用的高精度计时工具是利用铯原子的能级跃迁振动频率来制造。这类原子钟通常每天可准确到 1×10-13 秒或 30 万年差一秒。普通钟表在测定时间时须依靠固定的振动频率,机械表的