GPS核心技术精确计时与原子钟 量子物理学的基本原理

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。

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。