GPS核心技术--精确计时与原子钟

tengizxi · 发表于 2011-6-2 14:20

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，机械表的摆轮频率每秒5次或6次，音叉钟的频率每秒几百至几千次。石英钟表(石英振荡式)的振动频率是由微小的石英片的振动产生的，其固定振动频率每秒32000次。铯原子钟振动频率高达9.19×109次。振动频率越高，计时越精确，铯原子钟是目前最精确的计时仪器。除铯以外，也可用其他原子的能级跃迁振动频率来制造原子钟。利用原子钟还可预报地震。如已知电波或激光的速度，只要用原子钟测定从一点到达另一点所需时间，就可计算出两点间距离。利用这一原理可测出地表的微小变化。地震前，地壳首先出现变动，主要表现在地表的微小伸张(在几百公里的距离内只有几米)。利用原子钟和人造同步卫星可准确测定地表的伸张程度，从而有效地预报地震。目前，此种地震预报站在世界上有两座，一座在美国加利福尼亚州，一座在德国慕尼黑

　　二战后，美国国家标准局和英国国家物理实验室共同致力于制定基于拉比和其学生所做的原子共振研究的原子时间标准。国家物理实验室的路易斯?埃森和约翰?帕里共同建造了世界上第一台原子钟，但这台时钟所需的仪器竟占据了整个房间。拉比的另一位老同事杰罗德?扎奇里亚斯来自麻省理工学院，他也试图将原子钟改进成具有实际用途的装置。扎奇里亚斯计划建造一个被他称作为“原子喷泉”的装置，这台设想中的原子钟将十分精确，完全可以用来研究爱因斯坦提到的重力对时间的影响。在实际过程中，他制造的原子钟规模更小，竟可以从一个实验室推到另一个实验室。1954年，扎奇里亚斯加入到位于马萨诸塞州马尔登的松下公司，制造以便携仪器构成的用于商业目的的原子钟。两年之后，该公司制造出第一台用于商业目的的原子钟“Atomichron”，在后来的四年里共卖出了五十台。今天我们在GPS系统中所采用的原子钟都是从Atomichron演变来的。

　　1967年，由于原子钟的研究取得了丰富的成果，人们重新给秒下了定义，即按照铯原子的振荡频率来制定。今天的原子钟的精度可以达到每十万年误差不超过一秒。

　　与此同时，物理学家们继续在对拉比及其学生提出的原子共振的想法实验新的方法并应用到原子钟上。除了使用磁，另一种技术则利用一种被称作“光泵激”的现象来挑选出处于不同能量级可用于计时的原子。该技术迫使所有原子进入一道光束以达到所期望的状态。来自巴黎高等师范学院的阿尔弗雷德?卡斯勒因此而获得了诺贝尔奖。今天的许多原子钟采用的就是光泵激铷原子来代替铯原子。铷钟比铯钟更小而且便宜得多，但精度并不如后者高。

　　另一种原子钟就是氢微波激射仪。氢微波激射仪始于哥伦比亚大学查尔斯·唐斯及其同事在一九五四年对分子结构的研究。唐斯还为此与他人共享1964年诺贝尔物理学奖。微波激射仪是激光的前身，它是一种通过原子或分子的直接辐射而产生信号的微波仪器。唐斯的微波激射仪的原型使用氨分子，在哈佛做研究的兰姆赛及其同事于1960年发明了一种使用氢的微波激射仪，并制造出一台极高精度的原子钟。

　　1967年，由于原子钟的研究取得了丰富的成果，人们重新给秒下了定义，即按照铯原子的振荡频率来制定。今天的原子钟的精度可以达到每十万年误差不超过一秒。我国的主要标准时间就参考国家标准和技术学院(NIST-7)最近安装的原子钟。它的精度预计可以达到每三百万年误差不超过一秒。

　　几十年来，铯束钟、氢微波激射钟和铷钟这三种时钟在空间领域发挥着重要作用，要么是被安装在卫星上，要么是安装在地面控制系统里。GPS系统的卫星最终必须依赖这些和拉比六十年前所构想出的时钟相似的铯钟。

　　1993年也就是五角大楼构思GPS系统的20年后，随着第二十四颗卫星的升空，GPS系统终于成为一个实用的系统了。美国空军操纵着这些卫星，并从遍布全世界的五个地面站监视着它们。收集到的数据将送到位于科罗拉多的空军联合空间行动中心进行分析，该中心每天将这些最新数据传送回每颗卫星上，校正时钟及轨道数据。