HRP-N3 - серия источников питания с максимальной пиковой мощностью в 350% от MEAN WELL
РадиоЛоцман - Все об электронике

Спасибо тебе, Альберт Эйнштейн, за GPS

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июнь 2015

John Teel, президент Teel Engineering

Planet Analog

Сравнительное тестирование аккумуляторов EVE Energy и Samsung типоразмера 18650

Я большой поклонник Альберта Эйнштейна. Многие физики согласятся, что его теории – наиболее чистое выражение гения в истории человечества. Как инженер я рад, что имею возможность разрабатывать продукты, в основе которых лежит технология, зависящая от двух его величайших теорий. В данном случае речь идет о Глобальной системе позиционирования (GPS).

GPS была разработана американскими военными в разгар холодной войны в 1960-х годах. Первоначально она использовалась военно-морским флотом для целей навигации. В ранней версии судно могло обновлять данные о местоположении только раз в час. В течение следующих нескольких десятилетий США продолжали совершенствовать систему за счет запуска большего количества спутников. В 1980-х годах администрация Рейгана приняла решение сделать технологию GPS доступной для гражданских целей. Толчком для решения стал сбитый СССР в 1983 году пассажирский самолет Корейских Авиалиний, случайно пролетевший над территорией Советского Союза по пути из Аляски в Корею.

Спасибо тебе, Альберт Эйнштейн, за GPS

Система GPS состоит из 24 спутников, летающих вокруг Земли на высокой орбите. Эти спутники перемещаются со скоростью около 9000 миль в час, а их орбита расположена на высоте 12000 миль. (Для сравнения, высота орбиты Международной Космической Станции около 250 миль). Каждый спутник имеет атомные часы, точность которых составляет около 1 наносекунды. Спутники распределены таким образом, чтобы из любой точки поверхности Земли, по крайней мере, четыре из них были в зоне в прямой видимости. GPS-приемник на земле (или на летящем самолете) получает данные о времени и местоположении этих спутников с помощью радиочастотного сигнала 1.575 ГГц.

Без теории относительности Альберта Эйнштейна не было бы GPS. Такие сумасшедшие идеи, как замедление времени с увеличением скорости или искривление массивным объектом четырехмерной материи, названной пространственно-временным континуумом, имеют решающее значение для работы GPS. Вместо точного измерения в футах (а для военных и в дюймах) без учета теорий Эйнштейна измерять удавалось бы только в милях. А для точного указания пути этого недостаточно. В течение очень короткого промежутка времени накопились бы такие ошибки, что вся система стала бы бесполезной.

GPS-приемник может вычислить расстояние до каждого спутника по времени, за которое доходят до него радиоволны, распространяющиеся со скоростью света. Зная закодированное в сигнале точное расстояние до трех спутников и их местоположение, микропроцессор приемника путем трилатерации может определить свои координаты. Трилатерация является более сложной формой триангуляции, использующей пересекающиеся сферы для определения местоположения на основе расстояния до трех других точек трехмерного пространства. Четвертый спутник требуется для резервной проверки и временных коррекций приемника, не имеющего атомных часов.

Измерение времени движения радиоволн, распространяющихся на такие относительно небольшие расстояния, требует исключительно высокой точности. Для GPS необходима точность в пределах нескольких наносекунд. А это требует обращения к специальной и общей теории относительности Эйнштейна. Специальная теория относительности имеет дело с объектами, движущимися с высокой скоростью, в то время как общая теория относительности – это теория гравитации.

Эйнштейн опубликовал свою специальную теорию относительности в 1905 году и навсегда изменил наши фундаментальные представления о Вселенной. Он доказал в ней, что вопреки Ньютону и здравому смыслу, действительно универсальной постоянной является скорость света, а не время или расстояние. Его теория гласит, что по мере приближения скорости объекта к скорости света, время замедляется по отношению к «неподвижному» наблюдателю, находящемуся на Земле. Я выделил слово «неподвижному» кавычками, поскольку в действительности нет ничего неподвижного, и в данный момент вы движетесь на Земле, совершающей обороты вокруг Солнца в галактике, которая вращается в расширяющейся Вселенной.

Спасибо тебе, Альберт Эйнштейн, за GPS

Согласно специальной теории относительности, если бы ваш брат-близнец улетел на космическом корабле со скоростью, близкой к скорости света, его время замедлилось бы по отношению к вашему. Он может вернуться по прошествии времени, которое для него было лишь одним часом, и увидеть, что вы стали на 50 лет старше него. Разница во времени полностью зависит от того, насколько близка его скорость к скорости света. Этот эффект известен как замедление времени и выражается следующей формулой преобразования Лоренца:

Здесь

t – время в одной инерциальной системе отсчета (в системе, движущейся с постоянной скоростью, например, GPS-приемник на Земле),
t’ – время в другой инерциальной системе отсчета (например, спутника на орбите),
v – относительная скорость между двумя системами отсчета,
c – скорость света.

Когда относительная скорость мала по сравнению со скоростью света, вышеприведенная формула сводится к t’ = t, то есть к отсутствию замедления времени. Это наш повседневный мир. Но по мере приближения относительной скорости к скорости света, t’ стремится к бесконечности (то есть время замедляется или даже останавливается при скорости света). Применительно к спутникам GPS, движущимся со скоростью 9000 миль в час, время течет примерно на 7000 наносекунд в день медленнее, чем время приемника на Земле.

Причина, почему специальная теория относительности была названа специальной, заключается в том, эта теория имела ограничение, работая лишь в одном специальном случае – когда ускорение равно нулю. Уравнения специальной теории относительности Эйнштейна справедливы только тогда, когда объект движется с постоянной скоростью по прямой линии таким образом, чтобы не возникало ускорения.

Эйнштейн, в конце концов, понял, что ускорение и гравитация эквивалентны (так называемый принцип эквивалентности). В 1915 году, после почти десяти лет борьбы с математикой, стоящей за его новой теорией, он опубликовал свой шедевр «Общая теория относительности». Математическая основа общей теории относительности, известная как тензорный анализ, во много раз сложнее, чем требуется для специальной теории относительности. После более чем 200 лет правления теория тяготения Ньютона была свергнута новой теорией гравитации Эйнштейна.

Общая теория относительности показала, что гравитация массы искажает ткань пространственно-временного континуума. Гравитация, так же как и скорость в специальной теории относительности, является причиной замедления времени. В случае с GPS, спутники в космосе испытывают несколько меньшее воздействие гравитации, чем приемник на Земле. Из-за этой разницы в силе тяготения время для спутника течет на 45,000 наносекунд в день быстрее, чем для наземного приемника.

Специальная теория относительности говорит, что для быстро движущихся спутников время замедляется, в то время как общая теория относительности предсказывает, что для спутников время бежит быстрее, поскольку они испытывают меньшее влияние гравитации. Сочетание этих эффектов приводит к тому, что для спутников относительно наземного приемника время течет на 38,000 (45,000 – 7,000) наносекунд в день быстрее. Излучаемые спутниками радиоволны движутся со скоростью примерно 1 фут в наносекунду. Это означает, что без учета релятивистских эффектов измерения расстояния до каждого спутника будут искажаться на 38,000 футов (примерно 7 миль) в день!

Вне зависимости от того, показывает ли система направление к ресторану, позволяет пилотам отслеживать свое местоположение в любой точке мира или помогает вам найти потерявшееся домашнее животное, GPS влияет на многие стороны жизни каждого из нас. Просто помните, что если бы около сотни лет назад не жил один человек, страстно желавший познать природу, все это бы невозможно. «У меня нет особых талантов. Я просто безумно любопытен», – сказал однажды Альберт Эйнштейн.

Перевод: Mikhail R по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Thank you Albert Einstein for GPS

Электронные компоненты. Бесплатная доставка по России
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Думаю, что всё это полное враньё.
  • Спасибо партии родной за то, что солнце ярко светит! Предлагаю дополнить Общую теорию относительности ещё одним постулатом: - если объект движется по направлению к наблюдателю, то его размеры и масса увеличиваются и наоборот!:eek:
  • А я думаю что не всё и не полное:eek:
  • А когда кулак долетает - изображение стягивается мгновенно в точку - непропорционально сжимается . Вы заметили ? У всех Великих - божий дар ... и национальность . ;)
  • Квинтэсенция данной стаи такова -:"ветер дует, по тому, что деревья качаются!"
  • Ещё одна эссенция - поярче рекламнуть себя, ибо по меньшей мере уже три системы на пятки жипиэсу наступают.
  • Пишите конкретно, иначе Ваше сообщение приравнивается к флейму и подлежит удалению.
  • Как только я узнал о "парадоксе близнецов", то меня "гложут смутные сомнения". Почему молодым должен оставаться близнец "лягушка-путешественница"? " Привяжемся" к его системе отсчета, тогда "домоседа" будет двигаться относительно него с ускорениями и обязан "по гнусной теорьи Эйнштейна" (В.Высоцкий) оставаться молодым. Так ведь? Все системы отсчета равноправны!
  • вранье от начала и до конца... во первых никакого отношения Эпштейн к этим формулам не имеет... это формулы Лоренца сделанные на изучении распространения волн в среде, наличие которой СТО отрицает второе никакого ускорения/замедления времени нет, и как раз попытка применения формул СТО в чистом виде приводит к полной неработоспособности GPS , напротив применение формул описывающих эффект Доплера приводят все в норму конкретно по этому поводу здесь: [url]http://sceptic-ratio.narod.ru/fi/es4.htm[/url]
  • Именно что в среде - увы пока никакой среды (ни четверга) не смогли обнаружить - значит пока подобные рассуждения - только вилами по воде
  • вы абсолютно правы среду и четверг не нашли, нашли пятницу... то что в конце 19 века среду называли эфиром, в середине 20го четверг назвали вакуумом, в 21ом объявили пятницу и назвали темной материей... о том что СТО высосана из пальца достаточно внимательно ознакомится с потугами ее доказательства, за примерами ходить далеко не надо... если на лабораторной по физике студень в ходе проведения опыта получит более четырехсот замеров из которых только десяток соответствует правильному ответу лабороторки и выберет из них только пять-шесть это называется подгон результатов за который студень получает неуд. а у светил-релятивистов это называется доказательством СТО по средством проведения опытов по гравитационному линзированию... те эффект "Красная Луна" при лунном затмении объясняется как преломление лучей света в атмосфере земли (высота которой всего-то 150-200км)те преломление лучей света при прохождении среды с разными коэф.преломления , а смещение положения звезд при солнечном затмении объявляется гравитационным линзированием и объясняется изменением пространства/времени вокруг Солнца и сотни тысяч км ее атмосферы откидываются за ненадобностью....
  • в 21ом объявили пятницу и назвали темной материей... Ну пока вакуум к тёмной материи не приравняли Всё-таки тёмная материя как-бы уже имеет какие-то границы, а вакуум - он вездесущ
  • Нечто подобное уже звучало из уст И.Прокопенко: "Эффект Допплера - это когда источник звука приближается - звук становится громче, удаляется - тише" Плохо, когда один (или одна) неуч переводит неправильно, а другой - еще больший неуч - это пропагандирует. Смотрю и слушаю лекцию Стивена Хокинга и слышу перевод про эфф. Д. точь-в-точь как у Прокопенко. Ясно,что проф. подумал, а комп. озвучил по англ. "выше и ниже", а на русск. перевели как "громче и тише"
  • Уважаемый [b]us90[/b], здравствуйте. И, вообще, Земля плоская. Кто сомневается,- пусть посмотрит вокруг. Когда чей-то кулак висит вдоль чьего-то тела, его размер и масса не меняются. Если он прилетает в нос, его размер и, особенно масса, сильно увеличиваются. Добавляется масса тела.;-) Прости, Господи!
  • М-м-да... Даже непонятно, какие слова подбирать, чтобы не очень того... Получилась наглядная и очень скорбная витрина самоуверенности и невежества.
Полный вариант обсуждения »