全球定位系统与原子钟

全球定位系统与原子钟

《科学》杂志韦禾

此著作是根据：中国科学技术协会（CA ST）与美国国家科学院（NA S）一项协议在中华人民共和国出版

（Beyond discovery: The Path From Research T o Human Benefit）编译

1995年6月6日凌晨，一位驾驶着F-16战斗机的美国空军飞行员在穿越波斯尼亚-黑塞哥维那的塞尔维亚控制区领空时，他的无线电里传来美国空军上尉奥格雷迪(S.F.O’Grady)的呼叫。奥格雷迪驾驶的F-16战斗机4天前在该地区被塞尔维亚部队地对空导弹击中，奥格雷迪安全弹射出机舱后，降落在敌后的草丛之中。他最终确定了自己所处的位置，并冒险用无线电与飞行员联络。此后4小时之内，搜寻和营救组传奇般地救出了奥格雷迪。

这项营救任务得以准确完成，有着一个重要的原因。当奥格雷迪降落以后，他的救生衣内有一个便携式无线电接受机，该接受机与24颗卫星网，即全球定位系统(GPS)相连，奥格雷迪因此能够在敌后确定自己所处位置的经度、纬度及高度，误差仅在几十米内，然后他能够向空中的飞行员及派来营救他的人员发出信号。而GPS中的某项技术，出自60年前有关原子及核的基本性质的基础研究。时间和位置的精确定位GPS几乎能够立刻并极其准确地回答“我在哪里？”这个简单问题。这项新技术利用了能使时间精确至一亿分之一秒的原子钟。

在1991年的海湾战争中，美国部队利用GPS在地面、海洋及空中导航，受到舆论热烈好评。自此，该技术开始进入民用部门。如今，GPS在营救及许多其他方面为社提供帮助，并在新的数十亿美元规模的企业中，创造了工作机会。用于制造计算机芯片的集成电路技术的发展，不久将会使GPS接受机和发射机的尺寸变得像信用卡那样大小，使得任何交通工具均可安装，任何个人都可携带。

在短短几年内，GPS几乎变得无所不能。这仅仅是开始，目前世界市场GPS接收机及其技术销量估计超过20亿美元，并有望在下一个10年超过300亿美元。

从基础研究开始

GPS的历史是基础研究及其应用的一个实例，它首先使极其重要的防御技术成为可能，而后又形成一系列有效的商业应用。许多其他技术的进展也推进了GPS的发展，其中有卫星发射和控制技术、固态器件、集成电路芯片、相关电路、新兴的时差技术、微波通讯以及无线电导航。GPS成功的关键在于：如何探求对原子世界本质的理解；尤其是作为研究爱因斯坦相对论及引力论的原子钟构想的产生，如何导致了高精度计时钟的出现；以及原子钟如何与卫星跟踪技术相结合，满足人类期望知道自己在哪里及要去哪里的需求。

几个世纪以来，导航的唯一方法是观察太阳和恒星的位置，然后死算。即使现代时钟已经得到发展，并有可能计算出某人所在位置的经度时，最精确的仪器定出的位置误差也要达几公里。然而，当前苏联于1957年10月4日发射人造地球卫星时，人们立即意识到这颗人造卫星可用来作为导航工具。卫星发射后的第二天深夜，麻省理工学院(MIT)林肯实验室的研究人员就能通过观察卫星无线电信号的多普勒频移(卫星靠近与远离时其无线电信号的表观频率的增加和减少)来精确测定这颗人造卫星的轨道。能够从地面精确测定卫星轨道，是在地面通过自动导向卫星传送信号来确立位置的第一步。

接下来的几年，美国海军做了一系列有关卫星导航系统的实验，开始是1965年的海军导航卫星系统，该系统是为了迎合潜水艇运载北极星核导弹的需要。这些潜水艇有时必须在水下隐匿数月，但是，陀螺仪导航，即惯性导航不可能在这么长时间内保持其精确性。海军导航卫星系统由6颗卫星构成，这些卫星在两极轨道围绕地球连续运转。通过分析由这些卫星传送的无线电信号，即测量信号的多普勒频移，潜水艇可以在10～15分钟内精确确定自身的位置。

1973年，美国国防部开始寻求一种简便的卫星导航方法。劳动节过后的第一个周末，在五角大楼的一次各抒己见的献策会议上，萌生了GPS的概念，这一概念建立在该部门原先所有有关卫星的实验基础之上。GPS的基本组成是由罗克韦尔国际集团建造的24颗导航卫星，每颗卫星都有一辆大汽车那么大，重约860

公斤。每颗卫星每12小时环绕地球运行一圈，以保证地球上每一点至少同时与4颗卫星保持无线电联系。最先投入运行的GPS卫星于1978年发射，整个系统在1993年发射完第24颗卫星后形成。如果说GPS技术极其复杂的话，那么它的操作原理却是相当的简单。每颗卫星持续发射包括其位置和时间的数字无线电信号，时间误差为十亿分之一秒。一台GPS接机获得4颗卫星的信息，并据此信息计算其在地球上的位置，误差可在几十米内。

接受机将其自身的时间与一颗卫星发送的时间相比较，然后以两个时间之差来计算它与这颗卫星之间的距离。(例如，光以每秒30万公里速度运动，如果一颗卫星的时间碰巧比GPS接受机的时间落后一千分之一秒，那么接受机可算得自己距离卫星300公里。)接受机通过核对自己与已知位置的三颗卫星的时间，就可确定它所处位置的经度、纬度及高度。

上述方法要求这三颗卫星和接受机均配有相当精确的计时钟。然而，如果接受机能够再同时从第四颗卫星获得信号，只要携带一个相对简单的、就像大多数手表那样的石英钟就可以了。该接受机一旦与四颗卫星取得联系，就可立即接受信息并计算自己所在位置。

为保证GPS正常工作，接受机必须精确知道卫星在哪里，卫星必须能够保持可靠而极为精确的时间。精确性来自四颗卫星各自携带的原子钟——迄今最为精确的计时仪器。可靠性由约17700公里高的卫星轨道来保证，这一轨道远离大气层，并使卫星保持在能准确预测的轨道上运行。美国国防部在卫星每天两次经过他们上空时，监控它们并精确测定它们的速度、位置以及高度。这些信息再返回卫星，与卫星的计时信号一起发送出去。

研究自然的工具

GPS本身是作为一种军事工具而产生的，但使GPS成为可能的原子钟却源于二次大战前不久的基础研究。当时，科学家发现，业已发展的用于研究原子基本结构的高精度技术可以用来制造原子钟。他们所作的探索不只是为了超精度的导航，更在于梦寐以求制造出足够好的、可用于研究时间本质的钟，尤其是可借此研究爱因斯坦引力理论预言的引力红移。

直到本世纪20年代，最精确的时钟还是依赖于摆的有规则摆动。取代它们的更为精确的时钟，是基于石英晶体有规则振动而制造的，这种时钟的误差每天不大于千分之一秒。即便如此精确，仍不足以满足科学家研究爱因斯坦引力论的需要。根据爱因斯坦理论，在引力场内，空间和时间都会弯曲。因此，在珠穆朗玛峰顶部的一个时钟，比海平面处完全相同的一个时钟每天快三千万分之一秒。精确测定时间的唯一办法是通过原子本身的微小振动来控制计时钟。

拉比的时钟

根据量子理论，原子吸收或发射电磁能量的值与原子的不同电子态之间的能量差相同。即具有不同能态的电子包围在核周围，当一个原子经历从一个能态跃迁到较低能态的过程时，它发射一具有分立的特征频率的电磁波，该频率即共振频率。共振频对于每一种给定的原子来说都是一样的，如铯133共振频率都是9192631770周/秒。正因为如此，铯原子可被用来作为节拍器，以保持时间的极端精确。

本世纪30年代，哥伦比亚大学实验室的拉比(I.I Rabi)和他的学生在研究原子及核的基本性质时所获得的成果，使基于上述原子计时器的时钟研制取得了实质性进展。拉比在研究过程中，发明了磁共振技术，并因此而获得1994年度的诺贝尔奖。同他首先提出，这些共振的准确性极佳，可以用来研制极为精确的时钟。他特别提出了原子的“超精细跃迁”频率的概念。所谓超精细跃迁，即原子具有微小能量差的两个态之间的跃迁，这种微小的能量差对应于原子的核及其电子之间不同的磁相互作用。

在拉比设想的钟里，处于某一特定的超精细态的一束原子穿过一振动电磁场，场的振动频率与原子超精细跃迁频率越接近，原子从电磁场吸收的能量越多，并因此而经历从原先的超精细态到另一态的跃迁。反馈回路可调节振动场的频率，直到所有原子均能跃迁。原子钟即利用振动场的频率作为节拍器来产生时间脉冲，目前，振动场频率与原子共振频率已达到完全同步的水平。

拉比本人未曾进一步从事这类钟的研制，但其他研究人员继续改进他的想法，并完善这一技术。如1949年，拉比的学生拉姆齐(N.Ramsey)提出，使原子两次穿过振动电磁场，其结果可使时钟更加精确。1989年，拉姆齐因此而获得诺贝尔奖。