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GPS 核心技术
GPS 核心技术 --精确计时与原子钟 2008-07-15 14:18:17| 木易人建
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