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GPS完成部署|科學史上的今天:12/8

如今每部新車內幾乎都會配備導航系統,每個人的手機也大多安裝了導航軟體;有了GPS(Global Positioning System, 全球定位系統),出門再也不怕找不到路。而GPS就如同許多現代生活中不可或缺的科技,其實也是源自軍事用途。

GPS覆蓋範圍開放街圖。圖片來源:CC-BY-SA

當蘇聯於1957年發射第一顆人造衛星Sputnik後,美國緊張地每天監視它的動態,其中有兩位科學家發現利用都卜勒效應就能輕鬆掌握衛星的位置。美國海軍知道後,反問:那能從衛星的位置反推自己在地面的位置嗎?大海茫茫中,這可是制勝關鍵啊!於是1960年,美國海軍建置了由五顆衛星組成的定位系統,但是一個小時才能定位一次,位置也不夠精確。除了部署的衛星數量不足,最主要關鍵在於原子鐘還無法上太空。

直到1974年,第一顆攜帶原子鐘的衛星才發射升空。之後GPS的衛星陸續升空,所配備的原子鐘與導航模組也逐步升級。1993年的今天,美國國防部宣布24顆三代同堂的GPS衛星終於部署完成,可以提供誤差一百公尺以內的標準定位服務,開啟了現代的GPS導航系統。隨著衛星的汰舊換新,如今誤差範圍已經縮小到五公尺以內。

根據愛因斯坦的狹義相對論,移動速度越快的物體,時間過得越慢;而廣義相對論又指出重力越小的地方,時間越快。GPS衛星的飛行速度約每秒四公里,每天會比地面慢7.2微秒;另一方面,它的軌道在兩萬公里的高空,重力效應會使它的時間每天比地面快45.9微秒。因此GPS衛星上的原子鐘時間每天會比地面快約38微秒,地面的導航設備必須將這誤差納入考量,才能計算出正確的位置。

很多人都以為愛因斯坦的相對論太玄了,沒有實際用途,但其實我們每天都在見證它在日常生活中扮演的重要角色,這不是很奇妙嗎?

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。


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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。

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