GPS时间、原子钟频率及不断提升的GPS精确度

众所周知,GPS要求原子钟的高度精确。本文对GPS定时的重要意义以及提供精确定时的时钟进行了论述。

 

GPS:定位和时间

 

美国全球定位系统(GPS)提供位置、导航和定时(PNT)信号,这些信号播送每颗卫星的3D定位(经度、纬度、海拔)和时间。安装了专业软件和测绘应用程序的GPS接收器可确定对接收器位置进行三角测试所需的距离。GPS接收器发现一个信号,同步到该信号,然后使用GPS振荡器确定接收延迟。这一延迟成为自卫星起始的传播时间。与光速c相乘即可得出接收器到该卫星间的距离。

 

除定位数据外,GPS的原子钟也极为精确,因此GPS已经成为许多应用的时间标准。GPS时间用于同步无线通信及提供金融交易时间戳;数字广播,多普勒雷达和许多调度应用均使用GPS时间。

 

位置定位和卫星跟踪系统并非始终依赖原子钟的精确定时。美国海军曾以星星作为参照物确定导航角度。Guier和Weiffenbach以多普勒频移为基础开发了第一个全球定位系统,依据卫星广播信号的频率变化进行定位。微型跟踪系统(Minitrack system),顾名思义,用于对成对天线所传入无线信号的不同角度进行比较。

 

过去的卫星跟踪系统可传输来自陆基发送器的连续波并检测来自经过卫星的回波。该功能需要精确的时间表,测试并同步已传送和已接收的信号。1964年,Roger Easton意识到通过在卫星(上世纪五十年代后期首批发射)上安装时钟,信号源可将时间传输至发射器和接收器。空基定时促成了新一代GPS的诞生,每颗卫星均配备精确的原子钟。众所周知,GPS离不开原子钟。

 

什么是GPS时间?

 

“GPS时间”不同于协调世界时(UTC)等陆基时间系统。UTC必须说明地球的季节和年份。我们熟知地球自转所需的校正。我们会按期在日历中列入“闰年”并偶尔插入“闰秒”(上次是2016年12月)。

 

通过对比发现,GPS时间不需要反映地球运动。卫星不需要“闰”秒或其它校正。自1980年1月5日和6日间的午夜开始起,GPS时间一直持续计录秒数。

 

如表1所示,1980年GPS时间启动时的UTC和GPS时间相同,多年来随着闰秒的累积,二者差距逐渐增大。GPS时间以周期、星期、日和秒为单位。

GPS时间、原子钟频率及不断提升的GPS精确度

表1. 闰秒和GPS时间

 

如有兴趣深入了解,请点击此处查看本地、UTC、GPS、LORAN和TAI时间的实时比较。

 

时间问题

 

美国的时间标准最初由美国国家标准局设定,该机构现更名为美国国家标准技术研究所(NIST)。随着科学和工程学的发展,计时方式也变得更加多样化。图1显示了使用不同计时方式的时间轴。

 GPS时间、原子钟频率及不断提升的GPS精确度

图1. 历史上的计时法

 

从14世纪初法国国王查理一世宣布一天24小时到更精确时钟如机械钟、钟摆、石英钟和原子钟的发明,基本物理系统的基本时间单位——秒的定义始终处于不断变化之中。历史上对秒的不同定义如下:

 

一个平均太阳日的一部分:一个平均太阳日的1/86,000(20世纪40年代,平均太阳秒)

1900回归年的一部分:1/31,556,925.9747(1956年,历书秒)

铯-133原子的多个循环周期:9,192,631,770(1967年,原子秒)

 

1967年,在巴黎举行的国际度量衡大会,来自36个国家的与会代表同意以铯原子的外层电子辐射的振荡对秒进行重新定义。不再与地球运行相关联,秒的概念而是以地球本身的一个元素为基础。根植于量子物理学且基于铯-133原子的外层电子的不同能量状态,秒的定义变成“铯133原子基态的两个超精细能阶间的跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。”

 GPS时间、原子钟频率及不断提升的GPS精确度

世界第一台铯原子钟诞生于1955年。本图片由国家物理实验室提供。

 

所有时钟的核心都是为时间单位提供始终如一的振动能力。石英钟钟摆使用机械核对,钟表依靠电子元件控制晶体的振动,保持千分之一秒的时间精确度。上世纪七十年代,为招揽顾客石英钟表的广告曾大肆宣传这种前所未有的精准度。然而从长远来看,石英钟的精确性呈逐渐下降趋势,因为晶体易受到漂移和环境问题的影响。另外,每个晶体都是独一无二的,具有独特的频率,也会给同步事件带来影响。原子钟依赖复杂的电路组合来控制电磁场和电子流,迫使电子自旋发生改变,以便提供参考频率。在相同环境下,每个原子产生的频率也相同。

 

电子能阶定时的理论由开尔文男爵(Lord Kelvin)首创。上世纪四十年代,诺贝尔奖得主伊西多•拉比(Isidor Rabi)描述了原子钟的基本要点。NIST于1949年使用氨分子发明了第一台原子钟。虽然这台原子钟在定时应用中的表现不够稳定,但它证实了这一概念。1955年,英国国家物理实验实验室完成了第一台铯原子钟(如上图所示,图中人物为该原子钟的创造者Louis Essen和Jack Parry)。

 

原子钟频率

 

原子钟的制造曾先后使用过氢、氨、铯和铷原子,每种频率各不相同。可通过研究氢原子钟——微波激射器对其基本原理进行描述。

 

微波激射器(通过刺激辐射的发射实现微波放大)以氢原子的能阶为基础。氢的电子和质子可自旋。当它们以同一方向自旋,作为一个单位,原子的能线较高。当二者自旋方向相反时,该原子的能阶较低。通过控制自旋,当频率等于二者能阶差除以普朗克常数时,会出现稳定的频率振荡。

 

f = (E2 - E1) / h

其中,h=普朗克常数

 

氢微波激射器的频率约为1,420,405,752 Hz,铯原子钟的频率为9,192,631,770 Hz,铷原子钟的频率为6,834,682,611 Hz。其中氢微波激射器最为复杂、昂贵,铷原子钟成本最低。

 

精度与定时

 

除时钟基准的精确性外,用于确定实际GPS定位的算法还要考虑诸多因素。信号的接收和对接收端的限制会在确定实际定位中造成误差。信号接收取决于卫星的位置、穿越电流层、大气条件以及信号是否被地球上的围护结构阻碍或反射。已接收信号的处理取决于所用硬件、软件和测绘应用程序的品质。在卫星的速度条件下,需要考虑到相对论效应和插补误差。

 

要避免时钟对定位的影响,让我们先看一个经典物理学的简单实例,降低GPS传输和信号处理的复杂性。延时的作用是确定卫星与接收器之间的距离。物理学给出的距离公式如下:

 

距离=速度*时间

 

在地球上,在非相对论速度条件下,在特定时间内执行特定速率的行程,可完成特定的距离。例如,一辆时速为60英里的汽车,在无障碍和加速度的条件下行使一个半小时,完成的距离应为90英里。

 

距离=60英里/时*1.5小时=90英里

 

那么如果使用更精确的手表代替分针,记录的实际旅程时间为1小时29.5分钟呢?结果是89.5英里。

 

秒表可以精确指示29.4886分钟的行使距离为89.4886英里......与90英里相比,差距超出半英里!对于GPS,当速率为光速时,一纳秒的时间精度与大约一英尺的定位精度相对应。

 

GPS卫星和地面监控站使用氢、铯和铷时钟。GPS的主时钟由美国海军天文台(USNO)提供。在两个设施中,通过微波激射器、铯和铷原子钟的总体效果,USNO保持GPS时钟的精确性。如果不进行干预,GPS时钟可能会在一天内偏移数纳秒,发生对导航而言无法接受的错误。凭借与GPS信号相结合的卫星原子钟提供的精确定时,通过解码信号并重置其时钟(通常为精确度较低的石英振荡器)使其与原子钟同步,GPS接收器能够达到这种精确度。接收器使用其内部时钟检测延时并确定距离。通过来自至少四颗卫星的信号,可使用三边测量法进行定位。接收器定位数据的精确性取决于多种因素,包括用于获取定位和接收误差时使用的多个信号。

 

数万亿的单位时间

 

时钟的开发工作仍在继续。2011年,NIST的Michael Lombardi表示,“在过去的一百年里,时间测量的不确定性已经取得了大约10个数量级的改进,零件从106个增加到1016个。光学钟的不确定性应进一步降低至少两个或更多数量级。”

 

光学钟,有时也称光晶格钟,在激光频率内采用与原子钟相同的量子物理原理,但包含频率处于光学范围内的元件。光学钟可以测量万亿分之一秒的时间,而当前原子钟仅可测量之亿分之一秒的时间。

 

基于锶原子的时钟可将一秒拆分成430万亿个时间单位。稀土金属镱可将秒拆分成500万亿个时间单位。使用铝和汞的时钟也在研究当中。

 

基于当前的精确度,未来我们将重新为秒下定义,基于上述时钟的GPS将提供更精确的定位数据。

 

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发布日期:2019年03月03日  所属分类:参考设计