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我们知道GPS需要原子钟的精度。本文着眼于GPS的时序和提供它的时钟的重要性。

GPS：位置和时间

美国全球定位系统（GPS）提供位置，导航和定时（PNT）信号，用于广播每颗卫星的3D位置（经度，纬度，高度）和时间。具有专用软件和地图绘制应用的GPS接收器确定用于对接收器位置进行三角测量的距离。GPS接收器找到一个信号，与之同步，然后使用自己的振荡器来确定接收延迟。该延迟成为卫星的旅行时间。乘以光速c，确定从接收器到卫星的距离。

除定位数据外，GPS原子钟非常精确，GPS已成为许多应用的时间标准。GPS时间用于同步无线通信和时间戳金融交易; 它被数字广播公司，多普勒雷达和许多调度应用程序使用。

位置定位和卫星跟踪系统并不总是依赖于原子钟的精确定时。美国海军传统上使用导航角度参考星星。Guier和Weiffenbach开发的第一个全球定位系统基于多普勒频移，根据卫星广播信号的频率变化确定位置。所谓的Minitrack系统比较了成对天线上输入无线电信号的不同角度。

卫星跟踪系统从地面发射器发射连续波，并从通过的卫星发射回波。这需要精确的时间尺度来测量和同步发送和接收的信号。1964年，Roger Easton意识到通过在卫星上放置一个时钟（首次在20世纪50年代后期发射），单个信号源可以将时间传输到发射器和接收器。基于空间的定时导致新一代GPS，每颗卫星都放置了高精度的原子钟。我们知道GPS没有原子钟就不可能存在。

什么是GPS时间？

“GPS时间”不同于基于地球的时间系统，如协调世界时（UTC）。UTC必须说明地球在季节和年份中的通过。我们都熟悉地球革命所需的修正。我们的日历定期安排“闰年”，偶尔会插入“ 闰秒 ”（2016年12月的最后一个）。

相比之下，GPS时间不需要反映地球的运动。卫星不需要“跳跃”秒或其他校正。自1980年1月5日至6日午夜开始，GPS时间一直是该日期以来秒数的连续计数。

如表1所示，当GPS时间在1980年开始时，UTC和GPS时间相同，随着这些年累积的闰秒而进一步分开。GPS时间以周期，周，天和秒计算。

表1.闰秒和GPS时间

对于好奇，你能看到的地方，UTC，GPS，罗兰和大时代的生活比较这里。

时间的问题

美国的时间标准首先由国家标准局制定，现在称为国家标准与技术研究院（NIST）。随着科学和工程的进步，计时已经通过各种方式提供。图1显示了时间表。

图1.几个世纪以来的计时员

第二个基本物理系统的基本时间单位的定义从法国国王查尔斯被宣布为24小时的13世纪开始变为更精确的单位，如机械钟，钟摆，石英钟和原子钟发达。第二个被定义为：

• 平均太阳日的一小部分：平均太阳日的1 / 86,000（20世纪40年代，平均太阳日）

• 1900年热带年份的一小部分：1 / 31,556,925.9747（1956年，星历第二）

• 铯-133原子的循环次数：9,192,631,770（1967，原子秒）

在1967年在巴黎举行的度量衡大会上，来自36个国家的代表同意根据铯原子外电子层发出的辐射振荡重新定义第二个。不再与地球的运动联系在一起，第二个是基于地球本身的一个元素。根植于量子物理学并基于铯-133原子的外电子的能量状态的差异，第二个的定义变为“对应于基态的两个超精细水平之间的过渡的9,192,631,770个周期的持续时间铯[原文如此] 133原子。“

世界上第一个铯原子钟，于1955年开发。图片由国家物理实验室提供。

所有时钟的核心是能够为时间单位产生一致的振荡。钟摆使用机械检查，石英钟取决于电子设备，以控制晶体的振动，保持准确的时间到千分之一秒。20世纪70年代的石英表广告吹捧其准确性，是当时最好的。从长远来看，石英钟变得不准确，晶体会受到漂移和环境问题的影响。同步事件也是一个问题，每个晶体都是独特的，具有独特的频率。原子钟依赖于复杂的电路混合来控制电磁场和电子流，迫使电子自旋的变化提供频率参考。在相同的环境下，每个原子产生相同的频率。

关于使用原子能水平进行计时的第一个理论归功于Lord Kelvin。在20世纪40年代，诺贝尔奖获得者Isidor Rabi描述了原子钟的基础知识。NIST在1949年使用氨分子制造了第一个原子钟。虽然不够稳定，无法用于计时，但它证明了这一概念。1955年，英国国家物理实验室制作了第一个基于铯的原子钟（如上图所示，其创作者路易斯埃森和杰克帕里）。

原子钟频率

已经使用氢，氨，铯和铷原子构建了原子钟，每个原子提供不同的频率。可以通过查看氢原子钟，即微波激射器来描述基础知识。

Masers（通过受激辐射的微波放大）基于氢原子的能级。氢的电子和质子有旋转。当它们以相同的方向旋转时，原子作为一个单元具有更高的能量分布。当在相反方向旋转时，原子具有较低的能级。通过控制自旋，稳定的频率振荡发生在等于能级差除以普朗克常数的频率：

                     f =（E2-E1）/ h

                             其中h =普朗克常数

氢脉泽的频率约为1,420,405,752赫兹，铯的频率约为9,192,631,770赫兹，铷的频率约为6,834,682,611赫兹。微波炉是最复杂和最昂贵的铷，是最便宜的铷。

准确性和时间安排

用于确定实际GPS位置的算法考虑了许多因素，超过了时钟基线的准确度。通过接收信号以及接收端的限制来引入确定实际位置的错误。信号接收取决于卫星的位置，穿越电离层，大气条件以及信号是否被地球上的周围结构阻挡或反射。处理接收信号取决于所使用的硬件，软件和映射应用的质量。在卫星的速度下，需要考虑相对论效应以及插值误差。

为了隔离时钟可能对位置产生的影响，让我们看一下经典物理学的一个简单例子，消除GPS传输和信号处理的复杂性。时间延迟用于确定卫星与接收器的距离。物理学给出了距离公式：

距离=速度*时间

在地球上，以非相对论的速度，在一定的时间内做一定的旅行速度，将带给你迄今为止。例如，一辆60英里/小时的汽车在没有障碍物或加速度的情况下行驶一个半小时，应该会为您带来90英里的行程。

d = 60英里/小时* 1.5小时= 90英里

然而，如果不是分针，你有一个更好的手表，旅行时间实际上是1小时29.5分钟怎么办？89.5英里。

一个准确到足以指示29.4886分钟的秒表将导致89.4886英里...超过半英里的差异！对于GPS，其中速率是光速，纳秒的定时精度对应于大约一英尺的位置精度。

GPS卫星和地面监测站使用氢，铯和铷钟。GPS的主时钟由美国海军天文台（USNO）提供。USNO拥有两个设施，包括一系列的脉泽和铯以及铷原子钟，可以保证GPS时钟的准确性。如果没有干预，GPS时钟每天可能会漂移纳秒，导致导航错误无法接受。通过将卫星的原子钟整合到GPS信号中的精确定时，GPS接收器能够通过解码信号并重置其时钟（通常不太精确的石英振荡器）来与原子钟同步来获得该精度。接收器使用其内部时钟来检测时间延迟并确定距离。利用来自至少四颗卫星的信号，使用三边测量确定位置。

数万亿的时间

时钟发展仍在继续 美国国家标准与技术研究院的迈克尔·隆巴迪  在2011年表示，“在过去的一个世纪里，时间测量的不确定性提高了大约10个数量级，从106个部分到1016个部分。光学时钟应该进一步将不确定性降低至少两个数量级“。 

光学时钟，有时被称为光学晶格时钟，使用与原子钟相同的量子物理原理，但具有在激光频率下具有光学范围内的频率的元件。光学时钟可以测量万亿分之一秒的时间，而不是当前原子钟的十亿分之一秒。

基于锶原子的时钟可以将第二个分成430万亿单位。稀土金属镱将第二种金属镱分成500万亿。使用铝和汞的钟也正在研究中。

利用这种精度，可以在将来再次重新定义第二个，并且基于这些时钟的GPS将提供更准确的定位数据。