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航天部首席科学家林金谈GPS与相对论
[楼主] 作者:pla1927  发表时间:2005/10/31 13:53
点击:682次

航天部首席科学家林金谈GPS与相对论
首席科学家林金谈GPS“软肋”和我国的卫星导航技术
中国航天报
中国航天工程咨询中心首席科学家林金谈我国的卫星导航技术


  在伊拉克战争中,美英联军采用的精确制导武器打得伊拉克几乎无还手之力,这些精确制导武器都采用GPS系统来进行精确定位,而实现精确定位靠的是精确时间。我国航天控制专家林金早在上世纪70年代就悟到了这点,并利用业余时间进行了深入研究。

局部战争,不靠原子弹, 而靠原子钟
  记者:林教授您在多种场合强调卫星授时和卫星定位是头等重要的时间和空间基础设施,并在政协提案中,呼吁本届政府尽快制定和实施我国独立自主的时间标准,保证我国信息、电力等大型系统在任何情况下的正常运行。
  林金:我在政协提案中确实呼吁我国高层决策领导,以当年对待原子弹的重视程度来发展我国独立自主的时间基础设施和卫星定位系统,以应付非常情况下的被动局面。
  当前的数字信息技术都离不开时间这个支撑系统,像大型电力网和移动通信网等信息系统,都需要精确的时间同步,而我国的时间接收设备,普遍采用的是单一的GPS时间接收机,如果发生战事,美国完全可以“用软刀子杀人”——只要在我国上空屏蔽GPS信号,我国信息系统就会大面积瘫痪。由于时间误差是积累的,数字信息高速传输系统会因时间系统瘫痪而报废。
  基于时间的基础性和重要性,我国迫切需要建设自己独立自主的时间系统,而其中的关键是高精度的原子钟。
  记者:您认为原子钟的软杀伤力会胜过原子弹的威力?
  林金:全球卫星导航技术其实就是航天技术与原子钟技术的联姻。GPS系统具有高精度、全天候、能覆盖全球和用户设备简便等优点,可为核潜艇、地面战车、空中飞机、水面舰艇、地面部队甚至单兵提供精确位置、速度和时间信息。目前,GPS定位精确度主要取决于卫星上的原子钟精度,以及各卫星和地面站,以及卫星间的原子钟时间同步。只要时间差百万分之一秒,位置就得差300米。因此,我常说,当今高技术下的局部战争,主要靠的是原子钟,而不是原子弹。
  记者:我国的卫星导航技术发展怎么样了?
  林金:我国虽然有了自己的卫星导航系统,但它还不能进行全球导航定位,只是区域导航系统,由于它需要中心站提供数字高程图数据和用户机发上行信号,使系统用户容量、导航定位维数及隐蔽性等方面都受到限制,在体制上还不能与国际上的GPS等兼容,因此有必要在第一代导航卫星成就的基础上尽快发展第二代导航卫星系统。而且,我建议应该发展全球导航卫星系统,把它当作空间基础设施建设来做。为实现高精度的全球定位和导航,必须在卫星上放置精密的原子钟。当前,我国急需研制能在较为恶劣的星载工作环境条件下工作的高准确、高稳定的原子钟。
  记者:美国的GPS卫星导航系统是继阿波罗登月、航天飞机工程之后的第三大工程,在现有情况下,我国恐怕在短时间内也难以建立自己的卫星导航系统。我们可不可以采取过渡办法?
  林金:可以像欧洲那样,“不把自己的命运交在一个国家的国防部手里”,在发展欧洲自主的伽利略(GALILEO)导航系统之前,采取美国GPS和俄罗斯格拉纳斯(GLONASS)两系统兼容的接收机,并通过海事卫星来增强系统。我国也应推广GPS/GLONASS双系统接收机,或直接生产GPS/GLONASS/GALILEO三系统接收机。如果有可能,也可以和欧洲和俄罗斯进行技术合作,共同开发。

我发现,“天上一日,
地下已千年”是错误的
  记者:听说,美国GPS系统也不是那么完善,您曾经找到了它的“软肋”?
  林金:说来话长。70年代初,在下放劳动中,闲暇时突然想到:导航测量原理可能和相对论有点关系。从此,我就把它当作业余爱好坚持下来。后来我发现美国的GPS系统从70年代开始布网,到1994年才组网成功。凭美国的航天发射能力,24颗卫星不可能需要这么长的时间来发射,可能是卫星与地面站或卫星间时间同步问题没解决,即没对好钟,需要长时间的调试。后来,从上海天文台杨福民副台长处证实了我的猜测。在一次出访美国时,我曾见到GPS系统的第一代总设计师,跟他提起这问题,他不否认GPS系统确实有对不好钟的问题,并送给我两本书,并祝我研究试验成功。
  从书中,我发现GPS系统在相对论修正方面漏了半项。根据爱因斯坦的狭义相对论,相对运动中的物体时间会变慢。人们常以此推断,参加星际旅行的哥哥还是小伙子,留在地球上的双胞胎弟弟已成了老人,这就是“双胞胎佯谬”。其实,根本不可能有这种情况发生,这种推理只是从洛伦兹变换外推的结果。GPS系统测量原理的核心是对钟问题,GPS是用单程信号传递时间间隔来度量距离,GPS卫星上的钟和地面监控网的钟及用户的钟处在引力场中不断的相对运动状态。通过研究,我发现,GPS系统把各运动中的导航卫星上钟的时间都统一到地面静止钟时间,正好重蹈“静止以太”绝对参考系的覆辙,违背了爱因斯坦静止系同时性的相对性理论,即:对电磁现象(包括电磁信号传播)不存在任何优越参考系,所有惯性系都是平权的。
  记者:依照您这理论,像GPS和GLONASS类型的全球卫星定位授时的关键核心问题便是原子钟利用电磁信号远距离对钟的问题。
  林金:目前原子钟的精度优于10-13量级。单台原子钟的误差即使运行3小时不加修正仍为1纳秒量级。GPS系统在24颗卫星上及地面监测站总共有上百台原子钟,假如在对钟上没有理论方法上的系统误差而只有随机误差,则GPS系统由多台钟组成的系统时间统计误差比单台原子钟还应小一个数量级。而GPS系统仅提供97纳秒的时间转换精度,这说明原子钟的精度浪费了。
  我已经为我的研究分别在中国和美国申请了专利,国内专利号是:ZL 99 1 06174.8,发明名称是:一种相对匀速直线运动的原子钟时间对准方法。我希望这项发明能在我国的下一代导航系统上发挥作用,目前,最迫切的问题是这种方法需要用试验来证实。除了经费,我需要一支优质、高效的队伍,每个环节都不能出错。试验需要买两套皮秒级的电子计时器和原子钟,一套放在天上,一套在地面。我觉得最大的困难是人们的认识问题,希望引起高层决策的注意。如果该理论被证明,卫星导航星座至少可节省两年的调试时间。

我希望投资人和科学家
共推科技创新
  记者:您已经在全国政协提交了《加强我国时间和空间基础设施,加速我国独立自主的卫星授时定位系统的发展》,我相信会引起有关部门重视的。
  林金:这其实并不仅仅是国家利益所在,其中蕴含着巨大的商机。拿皮秒级电子计时器来说,进口一台需要20万~30万美元,自主开发出来的可能只需20万人民币。还有上届政协我提的“卫星电话的风险投资”,利用卫星通信,采用数据压缩技术,可以实现便宜高效的网络电话,对西部开发有重要意义。像这种核心技术的基础研究,我国应该营造一种风险投资的环境。我希望有更多的伯乐来投资科技开发,让投资人和科学家共同推进中国的科技创新。

摘编自中国航天报


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