全球加一秒 你的GPS卫星定位腕表还准吗?

2017年01月04日 16:33 来源:腕表之家 类型:编译 作者:许朝阳

       [腕表之家文化] 午夜倒数,新年钟声,2016成为过去,2017悄然到来,然而少有人注意到的是,时间已经进行了一次调整。就在格林尼治时间2016年12月31日23:59:59(即北京时间2017年1月1日7:59:59),国际标准时间(UTC)实施了一个正“闰秒”(Leap Second),23:59:60的特殊现象出现了。

 2016年12月31日出现了23:59:60的特殊现象

       可能大多数人听到后的第一反应,是这种事儿“谁在乎”,然而管理“闰秒”,对于诸如互联网的运行来说却是至关重要的。精确的GPS(全球定位系统)和运行的互联网,它们的重要性毋庸赘述。但既然管理GPS(全球定位系统)和互联网时间本身已经足够复杂,为什么还要添加一个“闰秒”呢?答案是国际标准时间(UTC)不是基于天文观测——至少,不再是。

       过去,国际标准时间(UTC)以地球绕轴自转为基础,“一天”等于太阳两次横穿格林尼治子午线的时间间隔,“一秒”也就是“一天”的1/86,400。到1950年代中期,时钟愈发精确,人们了解到地球绕轴自转是不规则的。因此1952年,国际天文学联合会决定将秒定义为1900年1月1日12时整回归年长度的1/31,556,925.9747。

第一座铯束原子钟,发明者路易斯·埃森和杰克·帕里,1955年,英国国家物理实验室

       然而,“回归年”与“天”存在着相同的基本问题:它是不规则的,这一年到下一年的长度稍有变化。因此,必须找出一种不依赖于不规则天文现象的秒的定义。至1960年代,原子钟已经足够精确,秒的定义变更为“铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁辐射振荡9,192,631,770个周期的持续时间。”

       简单地说,原子以特定的频率(具体频率取决于能阶)振荡。(在绝对零度时是静止的,而且在地面上的环境是零磁场)无论何时,无论何地,无论哪个铯原子,它的振荡频率都是相同的。所以忘记摇锤,忘记摆轮,忘记石英晶体,原子才是最稳定的振荡器(而且它们无处不在)。定义与原子振频挂钩后,秒的概念就确定下来。直到今天,我们仍然以此作为标准秒的国际官方定义。

 GPS卫星艺术概念图

       麻烦才刚刚开始。事实证明,原子钟远比地球绕轴自转和地球绕太阳公转更加稳定。以原子振频为基准的世界标准时间(UTC)当然值得赞颂,但这同时也意味着,它与以观测为基准的太阳时之间会有累积差异。为了保持和太阳时同步,世界标准时间(UTC)会不定期地增添“闰秒”。何时增添取决于地球旋转(受潮汐、地震以及海水浓度变化等现象影响)慢了多少,由国际地球自转服务组织(IERS)负责决定,一般在每年的6月30日或12月31日的最后一秒进行调整。

       那么,这对GPS精度意味着什么?

 NIST(美国国家标准与技术研究院)物理学家Steve Jefferts(前)和Tom Heavner与NIST-F2铯原子钟,运行三亿年不会误差一秒

       GPS的运行依赖于距地约20,000公里的轨道上的卫星系统(当前有32颗),由美国军方控制。使用GPS接收器时,会接收来自(至少)四颗卫星的信号获得定位:其中来自三颗卫星的信号对接收器进行三角测量,第四颗卫星的信号用于提供实时校正。GPS定位非常精准,误差可以控制在30厘米内,但前提是卫星原子钟(以及更精准的地面原子钟)提供精确时间。

       整个系统原理并不复杂,计时精度是一切的关键。1纳秒(10亿分之1秒)时间误差意味着约1英尺位置误差,也即1秒时间误差意味着10亿英尺(折合约30.5万千米)位置误差,要知道地球和月球之间的距离也不过38.4万千米。由于相对论效应,每天GPS卫星时钟相比地面时钟要快约38微秒,位置累计误差10千米,这就需要超精密原子钟使整个系统保持同步。那么,GPS如何处理“闰秒”?GPS卫星时钟既没有23:59:60,也没有冻结一秒的时刻。相反,GPS系统发送GPS时间,并同时在信号中嵌入GPS和UTC的当前秒数差,由GPS接收器负责进行转换。

 精工Astron和其他现代GPS卫星定位腕表,一般都具有闰秒调校功能

       幸而,不需要频繁实施正“闰秒”,自1972年以来,增添“闰秒”的情况总共发生了27次。过去,因为管理不当,增添“闰秒”曾经引发了一系列严重问题。那么,使用GPS接收器校正时间的腕表,都将“闰秒”纳入考量了吗?对于精工、卡西欧西铁城腕表来说,答案是肯定的。例如,精工Astron腕表在每年的6月1日或12月1日后接收到第一个GPS信号即开始进入“闰秒”讯号接收模式。

       因为本身就是对不规则误差的修正,所以无论机械表,还是电子表,任何种类的时钟都不可能建立规律的“闰秒”修正机制。一种看法是国际标准时间(UTC)和未经“闰秒”修正时间(如GPS时间)之间的差异十分微小,增添“闰秒”又会引发严重的网络和导航问题,所以建议放弃“闰秒”修正。天文观测中地球旋转和轨道的固有非周期性变化,与原子钟恒定计时的差异,使得“闰秒”存在具有必要性。2015年举办的世界无线电通信大会通过决议,将推迟至2023年再次对闰秒的存废议题进行研究表决。(图/文 腕表之家 许朝阳)

最新评论

阿匋667
阿匋667

不错,了解了,好文章!

2017-01-08
11 00
41981
41981

天荒地老蛤(和谐)不老,我为长(和谐)者续一秒(笑哭脸)

2017-01-06
11 00
平静的新
平静的新 [北京东城区网友]

好文,深刻,了解了!

2017-01-05
00 00

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