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前沿 | 卫星导航系统的时钟需要“修正”吗？

前沿 | 卫星导航系统的时钟需要“修正”吗？
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7月31日 ， 我国的北斗三号全球卫星导航系统正式开通 ， 引发包括专家学者在内很多网友 ， 以及科普爱好者研究卫星导航定位的极大兴趣 。
很多人关心 ， 像北斗、GPS这样的卫星导航定位系统的时钟需作相对论修正吗？毕竟 ， GPS卫星在太空以极快的速度飞行 ， 虽然比光速小很多 ， 但这个速度已经不能忽略 。
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其实 ， 这个问题一直众说纷纭 。 大体说来有三种意见：
第一种意见认为 ， GPS卫星在太空高速飞行 ， 应按照相对论来考虑问题 。
持这种论点文章很多 ， 如《报刊文摘》（上海版）7月22日文章《相对论有什么用》指出 ， “GPS卫星上的原子钟每天比地面上的快38微秒 。 如不校准时间 ， 定位位置将漂移 ， 每天约10千米 。 因此 ， 没有相对论就没有全球卫星定位系统” 。
而《大学物理》杂志2017年2期《相对论效应对GPS的影响》一文指出 ， “本文从狭义相对论和广义相对论两方面论述了无论是运动时钟变慢 ， 还是引力场中高处时钟加快的效应 ， 都将对GPS系统时钟的精度产生不可忽视的影响 。 ”
第二种意见的人自称少数派 。 他们大多对爱因斯坦相对论持怀疑甚至否定态度 ， 其中的一些学者从理论上证明二个相对论修正公式都有错 ， 有的学者还提出个要害问题：所谓修正只是对地面用户而言有效 ， 难道GPS制导的导弹等用户需申请另行修正吗？
第三种意见也算是少数派 。 其中有些人是航天工程技术人员 ， 他们主张用谨慎态度对待相对论 。 100多年来还没有过硬的理论或实验可以否定它 ， 但它毕竟是一种还没有经过实验验证的学说 。 GPS似乎就是个很好例子 ， 并没有专门对相对论做修正 。 所以既不能说“没有相对论就没有GPS” ， 也不能说从GPS证明了相对论是错误的 。
那么 ， 卫星导航定位系统
到底需不需要专门作
“相对论修正”呢？
笔者于1985年曾与我国计量学专家乔石琼一起聘任刚成立的503所“卫星定位通信系统”技术顾问 。 当时503所对外称北京无线电控制测量研究所 。 所长童凯院士曾向我们介绍 ， 他曾组团去美国考察GPS 。 美方GPS专家告知 ， GPS官方文件从未说过系统调试中需作“相对论修正” ， 也从未说过不需要作“相对论效应”修正 。 童院士个人理解 ， 就是无需专门对卫星导航定位系统进行“相对论效应”修正 。
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我个人完全同意童凯院士的见解 。
理由简述如下：
GPS采用伪距差分法为地面用户定位 。 所谓伪距 ， 是指测出的距离数据中还包括误差项 ， 而这些误差对每颗GPS卫星都是一样的 。 按理说用三颗卫星就可对用户定位（三坐标三个未知数） 。 但GPS故意多测一颗卫星 ， 目的是从四颗星测出四个伪距；再对四个伪距两两相减（即差分） ， 相同的误差项被抵消 ， 从而得出用户的三坐标 。
实际上GPS在定位时的关键问题是确保所有GPS卫星的原子钟同步 。 这一点并不难做到 ， 因为原子钟有足够的精度和稳定度 ， 此外每天地面还要对它们例行二次时频修正 。
除定位外 ， GPS另一重要功能是校时 ， 即将地面用户的时钟同步至GPS的系统时（即国际UTC时） ， 或者通过比对实现几台地面钟的时间同步 。 后者就是利用一颗GPS卫星实现几台地面钟时间同步 。 即国际计量局（BIPM）推荐的时间比对共视法 。 该法使地面几个标准时钟通过比对达到高精度的同步；或者用地面一个标准时钟（如国家授时中心）来对几个地面站进行校时 ， 可获得10纳秒量级的时间同步 。
GPS校时同样用到上述伪距差分的原理 ， 所以同样可证明 ， 无需专门修正相对论效应项 。 因为它存在也好 ， 不存在也好 ， 都会在测伪距和差分过程中被消掉 。
综上所述 ，
GPS等卫星导航定位系统
无论是作定位还是校时 ，
都无需专门进行“相对论校正” 。
因此如果希望
通过卫星导航定位系统
来证实相对论的正确 ，
或者来否定相对论 ，
都是不现实的 。
来源：科普时报
作者：郭衍莹原航空航天部有突出贡献专家 ， 国务院特殊贡献津贴专家 ， 曾任航空航天部研究室主任、总设计师、副总工程师、研究所技术顾问等职
编辑：毛梦囡
终审：尹宏群
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