GPS时钟里的相对论：从卫星导航到时空弯曲

GPS时钟里的相对论：从卫星导航到时空弯曲

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来源

1.

https://blog.csdn.net/stallion5632/article/details/143281065

2.

https://www.sohu.com/a/853591399_120991886

3.

https://www.163.com/dy/article/JEKQS5PG0511A3AG.html

4.

https://blog.csdn.net/dong2010hong/article/details/136268444

5.

https://pansci.asia/archives/129942

6.

https://www.icviews.cn/semiCommunity/postDetail/5938

7.

https://pansci.asia/archives/86499

8.

https://www.cnblogs.com/arnoldlu/p/18553599

9.

https://www.corechipinc.com/news/345.html

10.

https://gnss-imu.com/news/html/489.html

11.

http://www.360doc.com/content/24/0811/14/65488380_1131105017.shtml

在我们日常使用的GPS导航中，隐藏着一个令人惊叹的科学事实：如果没有爱因斯坦的相对论，GPS根本无法正常工作。这个看似高深的理论，竟然与我们每天都在使用的导航系统有着如此密切的联系。

GPS系统由大约30颗卫星组成，这些卫星分布在地球上方约20,200公里的轨道上。每颗卫星都配备了一个高精度的原子钟，可以提供极其准确的时间信号。GPS接收器（比如手机或汽车导航仪）通过接收来自多颗卫星的信号，计算出与每颗卫星之间的距离，从而确定自己的位置。

具体来说，GPS接收器需要同时接收到至少四颗卫星的信号。这是因为：

• 一颗卫星只能确定你在某个球面上
• 两颗卫星可以缩小到一个圆环
• 三颗卫星可以确定两个可能的点
• 只有第四颗卫星才能最终确定你的确切位置

在GPS系统中，时间的精确度至关重要。信号从卫星传到地面大约需要0.06秒，如果时间误差只有1微秒（百万分之一秒），就会导致300米的定位误差。因此，GPS系统要求时间精度达到纳秒级（十亿分之一秒）。

正是在这里，相对论发挥了关键作用。根据爱因斯坦的相对论，时间和空间是相互关联的，而这种关联在GPS系统中体现得淋漓尽致。

1. 时间膨胀效应：由于卫星以约3.9公里/秒的速度高速运动，根据狭义相对论，卫星上的时间会比地面慢。具体来说，每天会慢大约7微秒。

2. 引力时间膨胀：根据广义相对论，由于卫星在地球引力较弱的高空中运行，时间会比地面快。这个效应每天会使时间快大约45微秒。

综合这两个效应，如果不进行修正，每天会产生约38微秒的时间差。这听起来可能微不足道，但考虑到光速约为每秒30万公里，38微秒的时间差会导致约11.4公里的定位误差！

为了确保GPS的高精度，科学家们采取了以下措施：

1. 预校正：在发射前，将星载原子钟的频率调慢，使其在轨道上运行时，时间流逝速度与地面保持一致。

2. 实时修正：GPS系统会持续监测每颗卫星的时钟偏差，并通过导航信息进行实时校正。

GPS时钟不仅是一个简单的计时工具，它还是验证相对论的绝佳平台。通过精确的时间测量，我们能够直观地看到相对论效应的存在，这不仅证明了爱因斯坦理论的正确性，也让我们深刻认识到：那些看似遥远的科学理论，其实早已渗透到我们的日常生活中。