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谣言!美国到底有没有在汶川地震关闭GPS?

最近几天,几个新浪微博上的所谓“军事大V”言之凿凿的说,在汶川地震的时候,美国关闭了汶川的GPS,甚至导致了飞机的事故。这是一个显而易见的、十分幼稚低劣的谣言,但真相是什么呢?

GPS的设计

JPO最初设计的GPS由24颗卫星组成,每个卫星的轨道高度大约2万公里。24个卫星分布在6个轨道上每个轨道4颗,这样在地球上任何一点,都可以收到至少6-9颗卫星的信号,提供粗码精度100米,精码精度10米的定位能力。不过美军也预算紧张,削减了GPS的预算,变成了18颗卫星的方案,但是这个方案就不能保证可靠性,于是在1988年最后修改变成了21颗卫星,3颗备用的方案。

GPS系统的最终组网卫星方案(图片:gps.org)

1978-1979年,是方案的论证阶段,这时候发射上天4颗卫星,这些卫星是试验卫星,这时候研制了地面接收机和卫星跟踪的地面网络,结果令人满意。1979-1984年,发射上天了7颗卫星,这些被称之为Block1,结果测试发现,仅仅粗码的精度就达到了14米,远远超过了设计指标!结果令人振奋。

最早投入实用的BlockII/BlockIIA GPS卫星,已经全部退役(图:gps.com)

1989年,在最终方案确定下来之后,开始发射正经的工作卫星,这些卫星的型号称之为BlockII以及BlockIIA,卫星寿命只有7年,因此最后一刻这一代的卫星也在2016年退役了。

GPS的原理

GPS的定位原理其实并不复杂,只要GPS卫星不断的发送自己的时间、位置信号,手机端接收到多个GPS的信号就可以确定自己的三维坐标位置。一共需要坐标的XYZ及时间T四个常量,这也是GPS设计的时候要求至少收到4个卫星信号的原因,3个卫星是无法定位的。

GPS如何工作的(图:si.edu)

这其中时间的单位T就很重要,因为轨道高度只有两万公里,对于以光速传播的电磁波来说瞬间就到了地球,这个时间越准,那么定位精度就越高,所以GPS卫星上的原子钟一直在升级。

GPS卫星上使用的铷原子钟(图:si.edu)

早期试验型卫星采用由霍普金斯大学研制的石英振荡器,相对频率稳定度为 10^{{-11}}秒。误差为14m。1974年以后,GPS卫星采用铷原子钟,相对频率稳定度达到 10^{-12}/秒,误差8m。1977年,BLOCK II型采用了马斯频率和时间系统公司研制的铯原子钟后,相对稳定频率达到10^{-13}/秒,误差再降为2.9m。1981年,休斯公司研制的相对稳定频率为 10^{-14}/秒的氢原子钟使BLOCK IIR型卫星误差降至仅为1m。新的BlockII F卫星使用的则是使用了两个铷钟一个铯钟,时间信号精度比Block IIR再提高一倍。

狭义相对论和广义相对论共同作用下,GPS的时钟比地球快(图:worldpress.com)

早在1955年,就有科学家想象了把精准的原子钟放到卫星上去比较和地球上时间的差别来验证狭义相对论的理论:速度越快时间流逝的越慢。实际上GPS卫星速度很快,时速1.4万公里,根据狭义相对论,每天慢7微妙;但是根据广义相对论,地球的巨大质量扭曲了时空,所以地球表面的时间流逝也要比2万公里上的GPS卫星慢,根据广义相对论的计算就是GPS每天反而快45微秒,抵消之后就是每天快38微秒。

组装GPS卫星的时候要调整时钟(图:boeing.com)

要知道GPS卫星时钟精度是纳秒级别的,38毫秒就是38000纳秒,相当于每天积累10公里定位误差,所以GPS卫星上天之前要把时钟频率调慢100亿分之4.465,即10.23兆赫调为10.22999999543兆赫.

GPS从底层设计上,它是一个广播信号的卫星,也就是说GPS在太空不断的对地球发射信号,由接收端来进行计算、定位,这个原理就导致了它根本就没有给局部关闭的功能,除非多个GPS卫星同时失效,但这一定是全球某个巨大的区域同时出了问题。

当时美国还用C17运输机给四川赠送了不少救援物资

在谣言中,还说正是美国关闭了GPS信号,导致了中国自主研发北斗,而实际上汶川地震发生在2008年,而2007年我们已经完成了四颗北斗试验卫星的组网,2007年我们还发射了北斗正式网络的第一颗MEO轨道卫星。在汶川地震时期,美国还派遣军用运输机给四川运去了百吨人道主义救援物资,我们中国人是有恩必报,有仇必报的民族,这种低劣的谣言应该让我们警醒,新浪微博也应该净化自己的言论环境,不应该成为谣棍大V的狂欢圣地,我们的民族凝聚力也不需要使用谣言来团建凝固。

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