相对论对现在科技的影响卫星导航

相對論對現在科技的影響(衛星導航)班級：電子系碩一甲姓名：陳世明學號：M0403110相對論相對論（英語：Theoryofrelativity）是關於時空和重力的理論，主要由愛因斯坦創立，依其研究對象的不同可分為狹義相對論和廣義相對論。相對論和量子力學的提出給物理學帶來了革命性的變化，它們共同奠定了現代物理學的基礎。相對論極大的改變了人類對宇宙和自然的「常識性」觀念，提出了「同時的相對性」、「四維時空」、「彎曲時空」等全新的概念。狹義相對論-基本公設相對性原理：如果兩個座標系相對而言以固定的速度在運動，則任何物理系統狀態變化的定律從哪一個座標系來觀察這些變化無關。如果相對性原理成立，則每個慣性座標系中用來描述自然現象的物理定律就都相同，因此我們便無法用物理定律來區別不同的座標系。如圖1所示，火箭上有一名觀察者，地面有一名觀察者，藍色的裝置會有光在內部反射，光來回一次的時間為Δt，當一火箭以V前進時狹義相對論-基本公設光速不變原理：在任何座標系下，光速恆為定值。無論在何慣性參照系中觀察，光在真空中的傳播速度相對於該觀測者都是一個常數，不隨光源和觀測者所在參考系的相對運動而改變。這個數值是299,792,458米/秒，大約是每秒30萬公尺。因此，一個靜止的人所觀察到的光速，與在太空船高速運動的人觀察到的光速，是相同的。火箭內的觀察者所觀測到的路徑為圖2，地面上的觀察者所觀測的路徑為圖3，設火箭內的觀察者所觀察的時間為Δt時，地面上的觀察者所觀察到的時間為Δt’相對論與衛星導航系統全球衛星定位系統的衛星上的原子鐘，對精確定位非常重要。這些時鐘同時受狹義相對論因高速運動而導致的時間變慢（-7.2μs/日），和廣義相對論因較（地面物件）承受著較弱的重力場而導致時間變快效應（+45.9μs/日)影響。相對論的淨效應是那些時鐘較地面的時鐘運行的為快。故此，這些衛星的軟體需要計算和抵消一切的相對論效應，確保定位準確。假如相對論效應被忽略不計的話，每1μs的誤差將帶來約300米的定位誤差。而每1μs/日的誤差將帶來約300米/日的速度誤差GPS定位原理全球定位系統（英語：GlobalPositioningSystem，通常簡稱GPS），為美國國防部開發，利用規模遍及全球的人造衛星之航法系統，由24顆人造衛星所構成，其中包括三顆預備衛星。衛星訊號GPS屬於中距離圓形軌道衛星導航系統，使用者只需要接受器即可使用，無須付費。一般使用的衛星信號有兩種，分別為民用的標準定位服務(SPS)和軍規的精確定位服務(PSS)，我們一般民間使用的即屬SPS的信號。衛星軌道GPS衛星星座由24顆衛星組成，均勻分布在6個軌道平面上，即每個軌道面上有4顆衛星。衛星軌道面相對於地球赤道面的軌道傾角為55°，各軌道平面的升交點的赤經相差60°，一個軌道平面上的衛星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛星升交角距超前30°。這種布局的目的是保證在全球任何地點、任何時刻至少可以觀測到4顆衛星。三角定位GPS定位是利用三角定位原理，接收器利用信號的傳輸時間來量測距離，藉此判定衛星在太空中的位置。1849年Maxwell意識到光波是一種電磁波，所以利用GPS衛星跟地面上使用者之間訊號傳遞的時間差即可以算出兩者之間的距離(距離=光速X時間)。在GPS的測量上，我們測的是無線信號，傳輸時間只需0.06秒以下，時間的測量需要二個不同的時鐘，一為衛星上時間以記錄無線電信號傳送的時間，另一個時鐘則裝置在接收器上，用以記錄無線電信號接收的時間，利用這時間差╳速度，就是接收器到衛星的距離，即為GPS的基本定位原理。又因為衛星以高速運行，所以需要用相對來修正其時間延遲才可測得更精確的距離。狹義相對論的時間修正由愛因斯坦的狹義相對論得知，對於兩個具相對速度的座標系，如果v越大則時間膨脹影響就越大，不嚴謹的說法即如果達到光速則時間就會暫停，這就是GPS跟相對論之間的第一個關係(其中速度就是衛星的速度)。根據狹義相對論，速度越快，時間越慢。GPS衛星每天繞行地球約兩圈，其速度大約是每秒鐘3874公尺，也就是大約每小時1.4萬公里。那麼根據狹義相對論，衛星上的「時間」每天必比地面上的時間要慢7.2微秒。廣義相對論的時間修正愛因斯坦提出了”宇宙並非時間均一”的說法，簡單來說就是你在A地的時間與B地的時間流逝速度是不相同的(還有CDEFG很多很多地)。其中最大的影響就是”引力”，引力弱的地方時間會快一點，所以在地球表面與兩萬公里高空的衛星時間也需要用到廣義相對論來修正(衛星受到的引力比較弱)。由於引力場弱的原因，GPS衛星上的時間每天必比地面上的時間要快45.9微秒。相對論的時間修正所以由以上兩項總和得出GPS衛星上的時間每天要比地面快38微秒左右，雖然38微秒看起來數值很小，但若是將它和光速相乘(距離=速度╳時間=0.000038秒╳300000公里/秒)，所造成的誤差會達到一萬公尺左右，因此若我們沒有經過地面主控站的數據處理，相對論的效應所造成的GPS定位誤差會很大。汽車導航的需求推算時間精確度GPS時常被用來作為汽車的導航系統,必須指引駕駛在哪些路口需要轉彎,因此經常被要求精確度需達30公尺。由於GPS訊號波為電磁波,因此其訊息傳遞的速度等於光速300000km/s,又因為距離=速度╳時間,因此定位精確度若要達30m,訊號傳遞時間讀數每1秒的精準度必須在30(m)/300000000(m/s)=秒=0.1微秒之內因此GPS衛星每天(86400秒)必須有0.1╳86400=8640微秒的精準度。汽車導航的需求推算時間精確度GPS衛星上的原子鐘以每小時14000公里的速度運動，比在地球上接收機的時鍾快很多。而軌道衛星在地球上方兩萬公里處，所感受的重力又只有地面的四分之一，由於時間膨脹及重力紅位移的關係，在全球定位系統衛星上的時鍾比在地面上的時鍾每天快38微秒。若GPS的地面主控站可以修正相對論造成的誤差，衛星上原子鐘每天快38微秒，我們必能達到所要求的每天差8640微秒的精準度，也就是汽車導航系統所要求的30m的精確度。世界主要定位系統GPS定位系統GlobalPositioningSystem，通常簡稱GPS由美國政府於1970年代開始進行研製並於1994年完成。GPS的特點：1.全天候，不易受任何天氣的影響。2.全球覆蓋(高達98%)。3.三維定點定速定時高精度測站間無需通視可移動定位。世界主要定位系統LONASS定位系統GLONASS定位系統俄語：「ЛОНАСС」由蘇聯在1976年組建，現在由俄羅斯政府負責運營。1991年組建成具備覆蓋全球的衛星導航系統，從1982年12月12日開始，該系統的導航衛星不斷得到補充，至1995年，該系統衛星在數目上基本上得到完善。世界主要定位系統北斗定位系統北斗定位系統BeiDou(COMPASS)NavigationSatelliteSystem正在發展中的北斗二號則將在2012年底由10顆以上衛星覆蓋亞太大部分地區，民用定位精度為10米。遠期目標為2020年由35顆衛星提供覆蓋全球的導航能力。世界主要定位系統伽利略定位系統伽利略定位系統（Galileo），是歐盟一個正在建造中的衛星定位系統，有「歐洲版GPS」之稱第四個可供民用的定位系統，預計會於2014年開始運作並在2019年完工。建造此系統的目的有以下幾點:1.為用戶提供更準確的數據2.加強對高緯度地區的覆蓋，包括挪威、瑞典等地區。3.減低對現有GPS系統的依賴，尤其是在發生戰爭時。結論相對論對於現代物理學的發展和現代人類思想的發展都有巨大的影響。GPS導航儀在定位時還必須根據相對論進行計算糾正這些誤差。可見GPS的使用既離不開狹義相對論，也離不開廣義相對論。GPS的使用是1993年開始的，但是早在1955年就有物理學家提出可以利用在衛星上放置原子鐘來驗證廣義相對論了，GPS實現了這一設想，並讓我門深深體驗到相對論對現代科技的巨大影響力。參考文獻《相對論的意義》愛因斯坦環球時報：愛因斯坦相對論影響世界100年=20100402000010KK01407