歡迎來到http://www.tljciu.live !
當前位置:六六工程資料網建筑課堂工程資料工程測量GPS核心技術--精確計時與原子鐘

GPS核心技術--精確計時與原子鐘

08-22 13:45:19  瀏覽次數:127次  欄目:工程測量
標簽:工程測量規范,工程測量技術, GPS核心技術--精確計時與原子鐘,http://www.tljciu.live
    GPS系統操作原理其實是很簡單的:每一顆衛星不斷發射包含其位置和精確到十億分之一秒的時間的數字無線電信號。GPS的接收裝置接收到來自于四顆衛星的信號,然后計算出在地球上的位置,誤差僅為幾百英尺。接收裝置將接收時間與衛星發射的時間進行比較,通過二者之差計算出遠離衛星的距離(光線的速度為每秒186,000英里,假如衛星發射時間比接收時間晚千分之一秒,那么接受裝置離衛星的距離就為186英里)。通過比較這個時間與其他三個已知位置的衛星的時間,接收裝置便能夠確定經緯度及海拔高度。
  從以上論述可以看出精確計時及其計時工具在整個GPS系統中的重要地位。
  說到原子鐘,它最初本是由物理學家創造出來用于探索宇宙本質的;他們從來沒有想過這項技術有朝一日竟能應用于全球的導航系統上。

  根據量子物理學的基本原理,原子是按照不同電子排列順序的能量差,也就是圍繞在原子核周圍不同電子層的能量差,來吸收或釋放電磁能量的。這里電磁能量是不連續的。當原子從一個“能量態”躍遷至低的“能量態”時,它便會釋放電磁波。這種電磁波特征頻率是不連續的,這也就是人們所說的共振頻率。同一種原子的共振頻率是一定的—例如銫133的共振頻率為每秒9192631770周。因此銫原子便用作一種節拍器來保持高度精確的時間。
 30年代,拉比和他的學生們在哥倫比亞大學的實驗室里研究原子和原子核的基本特性。也就是在這里,他們在依靠這種原子計時器來制造時鐘方面邁出了有價值的第一步。在其研究過程中,拉比發明了一種被稱為磁共振的技術。依靠這項技術,他便能夠測量出原子的自然共振頻率。為此他還獲得了1944年諾貝爾獎。同年,他還首先提出“要討論討論這樣一個想法”(他的學生這樣說道),也就是這些共振頻率的準確性如此之高,完全可以用來制作高精度的時鐘。他還特別提出要利用所謂原子的“超精細躍遷”的頻率。這種超精細躍遷指的是隨原子核和電子之間不同的磁作用變化而引起的兩種具有細微能量差別的狀態之間的躍遷。

  在這種時鐘里,一束處于某一特定“超精細狀態”的原子束穿過一個振蕩電磁場。當原子的超精細躍遷頻率越接近磁場的振蕩頻率,原子從磁場中吸收的能量就越多,從而產生從原始超精細狀態到令一狀態的躍遷。通過一個反饋回路,人們能夠調整振蕩場的頻率直到所有的原子完成了躍遷。原子鐘就是利用振蕩場的頻率即保持與原子的共振頻率完全相同的頻率作為產生時間脈沖的節拍器。

  兩位科學家先驅的工作為全球定位系統的發展奠定了基礎:左圖:拉比對原子和原子核的基本性質所做的研究引導他發明了磁共振的技術,為第一臺原子鐘的出現奠定基礎。右圖:拉比以前的學生諾曼·蘭姆賽為銫原子束“噴泉”鐘的發展奠定了基礎。他還發明了氫微波激射儀器,從而為時間記錄的概念重新下了定義。

  拉比本人并沒有深入到制造這種時鐘的工作,但其他的研究者繼續工作改進這個想法和技術。1949年,拉比的學生諾曼?蘭姆賽所做的研究表明如果讓原子束通過振蕩場兩次的話便能得到更精確的時鐘。為此,蘭姆賽于1989年獲得了諾貝爾獎。

  目前常用的高精度計時工具是利用銫原子的能級躍遷振動頻率來制造。這類原子鐘通常每天可準確到1×10-13秒或30萬年差一秒。

  普通鐘表在測定時間時須依靠固定的振動頻率,機械表的擺輪頻率每秒5次或6次,音叉鐘的頻率每秒幾百至幾千次。石英鐘表(石英振蕩式)的振動頻率是由微小的石英片的振動產生的,其固定振動頻率每秒32000次。銫原子鐘振動頻率高達9.19×109次。振動頻率越高,計時越精確,銫原子鐘是目前最精確的計時儀器。除銫以外,也可用其他原子的能級躍遷振動頻率來制造原子鐘。利用原子鐘還可預報地震。如已知電波或激光的速度,只要用原子鐘測定從一點到達另一點所需時間,就可計算出兩點間距離。利用這一原理可測出地表的微小變化。地震前,地殼首先出現變動,主要表現在地表的微小伸張(在幾百公里的距離內只有幾米)。利用原子鐘和人造同步衛星可準確測定地表的伸張程度,從而有效地預報地震。目前,此種地震預報站在世界上有兩座,一座在美國加利福尼亞州,一座在德國慕尼黑
590)this.width=590" src=h。氫微波激射儀始于哥倫比亞大學查爾斯·唐斯及其同事在一九五四年對分子結構的研究。唐斯還為此與他人共享1964年諾貝爾物理學獎。微波激射儀是激光的前身,它是一種通過原子或分子的直接輻射而產生信號的微波儀器。唐斯的微波激射儀的原型使用氨分子,在哈佛做研究的蘭姆賽及其同事于1960年發明了一種使用氫的微波激射儀,并制造出一臺極高精度的原子鐘。

  1967年,由于原子鐘的研究取得了豐富的成果,人們重新給秒下了定義,即按照銫原子的振蕩頻率來制定。今天的原子鐘的精度可以達到每十萬年誤差不超過一秒。我國的主要標準時間就參考國家標準和技術學院(NIST-7)最近安裝的原子鐘。它的精度預計可以達到每三百萬年誤差不超過一秒。

  幾十年來,銫束鐘、氫微波激射鐘和銣鐘這三種時鐘在空間領域發揮著重要作用,要么是被安裝在衛星上,要么是安裝在地面控制系統里。GPS系統的衛星最終必須依賴這些和拉比六十年前所構想出的時鐘相似的銫鐘。

  1993年也就是五角大樓構思GPS系統的20年后,隨著第二十四顆衛星的升空,GPS系統終于成為一個實用的系統了。美國空軍操縱著這些衛星,并從遍布全世界的五個地面站監視著它們。收集到的數據將送到位于科羅拉多的空軍聯合空間行動中心進行分析,該中心每天將這些最新數據傳送回每顆衛星上,校正時鐘及軌道數據。

,GPS核心技術--精確計時與原子鐘

++《GPS核心技術--精確計時與原子鐘》相關文章

22选五的开奖公告