PHYSICS – BLOG – THE GPS and RELATIVITY

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传说中的GPS用上相对论的38微秒来源可能就是这个课程:

来自Astronomy 162课程(Prof. Richard Pogge--教授级)中

课程节选:

Because an observer on the ground sees the satellites in motion relative
to them, Special Relativity predicts that we should see their clocks ticking
more slowly (see the Special Relativity lecture). Special Relativity predicts
that the on-board atomic clocks on the satellites should fall behind clocks
on the ground by about 7 microseconds per day because of the slower ticking
rate due to the time dilation effect of their relative motion [2].

『这一段提到狭义相对论预言卫星钟落后地面钟“每天7微秒”,因为狭义相对论的
时间膨胀效应导致慢了些的“滴答率”(slower ticking rate),并给出了引用文
献【2】』

Further, the satellites are in orbits high above the Earth, where the curvature
of spacetime due to the Earth’s mass is less than it is at the Earth’s surface.
A prediction of General Relativity is that clocks closer to a massive object
will seem to tick more slowly than those located further away (see the Black
Holes lecture). As such, when viewed from the surface of the Earth, the
clocks on the satellites appear to be ticking faster than identical clocks
on the ground. A calculation using General Relativity predicts that the clocks
in each GPS satellite should get ahead of ground-based clocks by 45 microseconds
per day.

『这一段提到广义相对论预言卫星钟快地面钟“每天45微秒”,比地面的“滴答”快些。』

The combination of these two relativitic effects means that the clocks on-board
each satellite should tick faster than identical clocks on the ground by
about 38 microseconds per day (45-7=38)! This sounds small, but the high-precision
required of the GPS system requires nanosecond accuracy, and 38 microseconds
is 38,000 nanoseconds. If these effects were not properly taken into account,
a navigational fix based on the GPS constellation would be false after only
2 minutes, and errors in global positions would continue to accumulate at
a rate of about 10 kilometers each day! The whole system would be utterly
worthless for navigation in a very short time.

『这一段提到广义相对论和狭义相对论综合效果为:(+45微秒-7微秒=38微
秒);如果不对这38微秒进行处理,则2分钟就可以导致GPS出错,而且,效
果是累积的,以每天计,会有每天约10公里的确差错。』

The engineers who designed the GPS system included these relativistic effects
when they designed and deployed the system. For example, to counteract the
General Relativistic effect once on orbit, the onboard clocks were designed
to “tick” at a slower frequency than ground reference clocks, so that once
they were in their proper orbit stations their clocks would appear to tick
at about the correct rate as compared to the reference atomic clocks at
the GPS ground stations. Further, each GPS receiver has built into it a
microcomputer that, in addition to performing the calculation of position
using 3D trilateration, will also compute any additional special relativistic
timing calculations required [3], using data provided by the satellites.

『这一段提到广义相对论的部分,靠预先设定“滴答”(“tick”)频率慢些;而狭
义相对论部分则需要用卫星提供的数据进行处理。并给出了引用文献【3】』

来自Astronomy 162课程(Prof. Richard Pogge--教授级)中的引用文献:

[3] – While the primary general relativistic correction is taken care of
on-board by the design clock frequency before launch and does not need to
be computed by an individual receiver, the special relativistic corrections
that require knowledge of the orbital parameters of the specific GPS satellites
whose signals are being measured are not. As described in the GPS Interface
Control Document ICD-GPS-200C (10 Oct 1993), applying these corrections
is the responsibility of the user’s equipment (Section 20.3.3.3.3.1, “User
Algorithm for SV Clock Correction”). The calculations are relatively straightforward
and require very little beyond basic arithmetic, and make use of information
transmitted in the data packets that come down from each spacecraft.
[Thanks to Luca Rep who wrote asking about which corrections were done on
the user’s equipment.]
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上述中第一句大意是广义相对论校正是用(或通过)发射前就设定钟的频率解决,
“by the design clock frequency”的意思就是“用(或通过)设定钟的频率”。

来自Astronomy 162课程(Prof. Richard Pogge--教授级)中的引用文献:

[2] – Relativity and the Global Positioning System, Neil Ashby, 2002, Physics
Today, May 2002, 41. Ashby does the calculations I cite for the time differences
due to special and general relativitic effects. If citing this article for
scholarly work regarding these numbers, please cite Ashby’s article as one
possibility.

I get more questions on relativity and GPS than any other web essay I’ve
written. Since I wrote the original, a number of hard-to-find sources available
only on paper are being scanned and made available in web-accessible form.
In particular, this excellent 1996 article by Henry Fliegel and Raymond DiEspositi,
online from the US Naval Observatory as a PDF document: GPS and Relativity:
An Engineering Overview. Similarly, the short paper by Weiss and Ashby in
1997 (same Ashby as the 2002 Physics Today article) is also available from
the USNO: GPS Receivers and Relativity.

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这段说明GPS用上相对论最早起源于(都是)几个人的计算文献,并借鉴引用
(1996到2002),并没有实际上是否就证实了他们的计算被真正用上了。

估计现在也被中国教材采用来证明相对论如何GPS如何用上了。

下面这个估计就是最早关于GPS用上相对论文献(1996 article by Henry Fliegel
and Raymond DiEsposit):

从介绍来看,说到GPS控制系统(OCS)并没有相对论的因素,但要求考虑相对
论因素,因为相对论因素可以带来更精确云云。。。。。。


就这么个文章,最终导致(Relativity and the Global Positioning System, Neil
Ashby, 2002)于2002年的广义相对论(+45微秒)和狭义相对论的(-7微
秒),以及(+45微秒-7微秒=38微秒)的网络英文文摘,然后,估计这么
个网络英文文摘被广泛传播,以至中国教材中也大量用上了。


值得想想的是,1996年提出的问题,到了2002年还在计算,这中间的7年怎
么就不出实际GPS证明资料,怎么都还是7年纸上谈兵呢?
至今也没有看到谁直接按这些文章的方式如何可以调控GPS的实际的例子。


这是不是相对论以讹传讹的高端版本呢?

看看连时间概念和时钟概念都混淆在一起的写个公式就GPS了的话,都应该知道不是一个事实求是的科学态度!

再看看GPS系统于1970年代开始进行研制,1978年2月首次发射,并于1994年全面建成。

这种写个公式就GPS了的源头最早于1996年的Paper;1996年的Paper是个马后炮的纸上谈兵。

理论上,时钟和时间概念之间是不同的关系。

当一个1996年的假设题,以计算的方式发表,不经过和没有实验设计,不经过和没有实验证据,不经过和没有人认真考证,就这么抄来抄去,最终抄到今天,居然成为了相对论应用的事实,可见事情有多荒谬!也可见许多人口口声声的“科学”有多么滑稽!
https://tieba.baidu.com/p/6874976160

关于北斗卫星导航空间信号接口控制文件中的钟差参数说明

1)这里“相对论校正项”是一个干扰因素项的校正,也即把相对论因素当干扰因素了;
2)干扰因素并不是时空理论范畴,所以,这里如果体现了相对论正确,那么,相对
论其它预言和所谓实验验证都是关于干扰因素的验证了;
3)干扰因素导致虚假关联;

上面几点的逻辑推论:相对论归根结底被北斗证明为虚假关联理论了。

如果相对论者认为“相对论校正项”成立,那么,什么相对论的水星进动,相对论的
引力波,相对论的其它声称等等,都是干扰因素而已,所谓干扰因素,就如同周围
环境(如温度、湿度等)因素或随机干扰因素的影响一样,都是牛顿理论下的物理因
素或数学随机干扰因素而已!相对论就变成是干扰的虚假信息了!

如果连信号漂移或偏移这类都没搞明白,也就不奇怪了。没相对论也有信号漂移或偏移这种现象,物理上都是当干扰信号处理,进行修正;产生漂移的原因有两个方面:一是自身结构参数;二是周围环境(如温度、湿度等)。“信号相位时间偏移”也不过如此。

其实,也是有点搞笑,一个被你们看作伟大人物的伟大正确理论,居然就是个小逗号般的存在在北斗的“信号相位时间偏移”的相对论校正项中,而且前面还带一个“t为信号发射时刻的北斗时,t可忽略精度”的前提下说校正,能校得多少的正呢?!

北斗官方网站介绍的GPS相对论老黄历情况

抱着北斗系统如何用相对论的心情,搜索了北斗官方网站( http://www.beidou.gov.cn/ ),
发现的官网资料如下:

<<GPS系统误差的主要来源>>
2012/01/05
1.与卫星有关的误差
。。。。。。
(4)相对论效应的影响
  这是由于卫星钟和接收机所处的状态(运动速度和重力位)不同引起的卫星钟和
接收机钟之间的相对误差。由于卫星钟和地面钟存在相对运动,相对于地面钟,卫
星钟走得慢,这会影响电磁波传播时间的测定。
。。。。。。

<<为什么要用相对论为GPS导航提供修正>>
2012/01/05
。。。。。。
狭义相对论认为高速移动物体的时间流逝得比静止的要慢。每个GPS卫星时速为1.4万
千米,根据狭义相对论,它的星载原子钟每天要比地球上的钟慢7微秒。另一方面,
广义相对论认为引力对时间施加的影响更大,GPS卫星位于距离地面大约2万千米的
太空中,由于GPS卫星的原子钟比在地球表面的原子钟重力位高,星载时钟每天要快
45微秒。两者综合的结果是,星载时钟每天大约比地面钟快38微秒。
。。。。。。
====================================

注意到:
1)文章很早期,2012/01/05;
2)文章只提了GPS;
3)虽然文章没有给出引用文献,但对比就知道内容果然出自抄:
传说中的GPS用上相对论的38微秒来源可能就是这个课件 (https://tieba.baidu.com/p/6062038795 )

最重要的是从2012/01/05以后,没找到再提相对论的文章了;而后,北斗关于精度的文章都是关于原子钟改进和发展的内容了。

当一个1996年的假设题,以计算的方式发表,不经过和没有实验设计,不经过和没有实验证据,不经过和没有人认真考证,就这么抄来抄去,最终抄到今天,居然成为了相对论应用的事实,可见事情有多荒谬!也可见许多人口口声声的“科学”有多么滑稽!

GPS用上相对论的以讹传讹的版本

GPS用上相对论的以讹传讹的版本
许多媒体现在对李子丰教授的质问就是相对论都用到GPS了,为什么还反相对论?
然而,媒体人不明白的是他们只不过是道听途说的而已,道听途说的东西可以当真实的媒体人,其实就是些科盲。
传说中的GPS用上相对论的38微秒来源可能就是这个课程:
https://tieba.baidu.com/p/6062038795

从介绍来看,说到GPS控制系统(OCS)并没有相对论的因素,但要求考虑相对论因素,因为相对论因素可以带来更精确云云。。。。。。

就这么个文章,最终导致(Relativity and the Global Positioning System, Neil Ashby, 2002)于2002年的广义相对论(+45微秒)和狭义相对论的(-7微秒),以及(+45微秒-7微秒=38微秒)的网络英文文摘,然后,估计这么个网络英文文摘被广泛传播,以至中国教材中也大量用上了。

值得想想的是,1996年提出的问题,到了2002年还在计算,这中间的7年怎么就不出实际GPS证明资料,怎么都还是7年纸上谈兵呢?
至今也没有看到谁直接按这些文章的方式如何可以调控GPS的实际的例子。

看看连时间概念和时钟概念都混淆在一起的写个公式就GPS了的话,都应该知道不是一个事实求是的科学态度!

再看看GPS系统于1970年代开始进行研制,1978年2月首次发射,并于1994年全面建成。
这种写个公式就GPS了的源头最早于1996年的Paper;1996年的Paper是个马后炮的纸上谈兵。这是不是相对论以讹传讹的高端版本呢?

GPS系统的工作原理可知,星载时钟的精确度越高,其定位精度也越高。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,BOKCK 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,误差则降为2.9m。1981年,休斯公司研制的相对稳定频率为10^(-14)/秒的氢原子钟使卫星误差仅为1m。

由此,可以提出这么样的一个问题:相对论与星载时钟的精确度有关联吗?

如果回答
–有关联,但上面通过关于星载时钟的精确度的改进都是技术活,单纯从技术上就可以降低误差了,事实上看不出任务需要相对论的地方。理论上,如果原子钟相对稳定频率达到10^(-18)秒这个级数,毫无疑问,误差将会更进一步下降,但这个级别上的相对论效用应该更明显(本着相对论关于越精确则越容易看出经典牛顿理论误差越明显的说法),那么,这个级别的理论上,相对论反而是误差越来越大的原因了,这明显与星载时钟的精确度越高其定位精度也越高的客观事实不符合。

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相对论的传说都是怎样“传说中”出炉的:美国双黑洞引力波探测发现的概率只有2.5%
https://tieba.baidu.com/p/6847746050

“双黑洞引力波”这种低概率事情就在“传说中”出炉了,而且,用人类无法再重复验证的方式拿了诺贝尔物理奖。

狭义相对论具有伪科学的几个特点
1)科学和伪科学的定义(WJ)
科学(英语:Science)的定义:通过经验实证的方法,对现象进行归因的学科。科
学活动所得的知识是条件明确的(不能模棱两可或随意解读)、能经得起检验的,
而且不能与任何适用范围内的已知事实产生矛盾。
伪科学(英语:Pseudoscience、Bad Science)的定义:又称假科学、坏科学、疑
似科学,是指任何经宣称为科学,或描述方式看起来像科学,但实际上并不符合科
学方法基本要求的知识、缺乏支持证据,经不起可信性测试,或缺乏科学形式,伪
科学常常使用模糊的、自相矛盾的、夸张的或无法证明的主张,过度依赖确认而不
是严格的反驳,缺乏其它专家的公开确认,缺乏系统化、理性化的理论过程。
2)伪科学的主要判断方式
二十世纪中叶,卡尔•波普尔将可证伪性视为科学和伪科学的标准。可证伪性意味
着结果可以被证伪。例如,论断“上帝创造了宇宙”可以是真的、也可以是假的,
但没有相应的实验可以被构架起来;它干脆被列在科学范畴之外。
物理学最前沿的伪科学例子:到现在,超弦已经被改成可以从逻辑上证明完全没有
预测能力,也就是典型的不能被证伪的伪科学。
3)狭义相对论是伪科学的判断依据
(1)按狭义相对论原理无法设计出任何可检验其预言的实验。狭义相对论也无法通过经
验实证的方法检验。
(2)狭义相对论无法用实验证伪。至今为止,没有任何实验证伪了狭义相对论。主要
的原因也是严格按狭义相对论原理无法设计出任何可检验其预言的实验。
(3)狭义相对论的预言具有典型逻辑循环的特点。

所以,狭义相对论只是个被糊涂物理学们打扮得比较漂亮和时髦的伪科学而已。
然而,替代狭义相对论的理论早就有了,是朴素的经典的以牛顿为代表的理论。

中国团队公布世界最大暗物质实验首个结果—-“零”发现

2016
7月21日晚,上海交通大学鸿文讲席教授、中国锦屏地下实验室PandaX(熊猫计划)实验负责人季向东博士在英国举行的两年一度的国际暗物质大会上正式公布了PandaX二期500公斤级液氙暗物质探测器运行的第一个物理结果,在3.3万公斤/天的曝光量下,未发现暗物质粒子踪迹,对可能的暗物质候选对象得出了最新的限制。这一探测的灵敏度处于当前世界最高水平。7月22日下午,上海交通大学专门举行新闻发布会,公布这一结果。
“昨天我们在大会上作报告的时候现场200多位科学家都很激动,PandaX团队有一种像在奥运会上得了金牌的感觉!”身在英国的上海交通大学教授季向东通过视频连线参与了发布会。该实验团队由季向东在2009年组建。

根据最新天文学和宇宙学的研究,暗物质代表了宇宙中约85%的物质含量,而人类已知的普通物质仅占约5%。由于与普通物质没有直接电磁相互作用,所以暗物质不发光,无法用通常的办法看到,因此得名暗物质。不过科学家们普遍认为,暗物质粒子与普通物质之间极有可能存在一种微弱的相互作用。物理学家便是使用这种 “微弱的相互作用”所发出的信号来寻找暗物质。但由于作用太过微弱,探测工作异常困难。
为了应对这个难题,PandaX二期进行了目前全球最大的暗物质实验——500公斤级液氙暗物质探测实验,持续约100天的实验整体液氙规模高达3.3万公斤/天。负责实验数据分析的上海交通大学特聘教授刘江来在发布会现场解释,实验规模“最大”的意义在于,暗物质有最大的机率“撞”上普通物质——液氙,而发出相互作用的信号,从而被探测到。
通俗来讲,PandaX二期实验相当于织了一张目前“最密的网”,试图捕捉暗物质信号。具体而言,这张“网”的“细密程度”是σ=2.7×10-46 cm2 ,其精度是2015年最先进成果保持者美国LUX团队的两倍。
PandaX 实验用氙原子作为探测靶子,采取“守株待兔”的方式,探测弥散在地球周围的成千上万亿的暗物质粒子可能碰撞到氙原子上而发生的微弱信号。而实验记录显示,实验过程中并没有符合预期的信号产生,这个结果相当于,3.3万公斤的氙原子在一天时间内没有和这些暗物质粒子发生过一次碰撞,或者1公斤的氙原子在 3.3万天里没有发生过一次碰撞。
这意味着,目前“最密的网”对于暗物质来说仍旧过于“稀疏”,这对可能的暗物质粒子的存在条件作出前所未有的理论限制, 缩小了人类寻找暗物质的范围。

“在科研上,发现一条路和堵死一条路同样重要。”中国科学院高能物理研究所研究员张新民总结说。
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点评:最后一句可能就是整个研究的意义所在了。如此说来,科研人员还是有“态度”的。

数学和逻辑学都能证明相对论错误:

电脑–是最基于数学和逻辑学的智能机器,但如果把相对论几条假设作为编程语言基础,这种编出来的软件系统会不断死机。

实际应用,美国GPS管理部门的专业人士就直接证明过,毕竟只有在一个时间系统下,GPS才能正常工作。原某GPS技术主管和主任也直接指出:相对论不管用。GPS导航系统技术主管主任出面澄清GPS不需要相对论, 以及美军海军地面站管理人员澄清GPS不需要相对论,技术主管主任以及实际操作人员:经典理论的测量学的方法+地面站实时调控=GPS解决方案。

GPS “Evidence for SR”
Einstein supporters and dumb physicists (that repeat things without investigating for themselves state), “The GPS would not work without special relativity”.
Quote:
“What does one of the world’s foremost experts on GPS have to say about relativity theory and the Global Positioning System?”

Ronald R. Hatch is the Director of Navigation Systems at NavCom Technology and a former president of the Institute of Navigation. As he describes in his article for this issue (p. 25, IE #59), GPS simply contradicts Einstein’s theory of relativity.

[1] (Referring to Special Relativity)
Quote:
In principle, the critics of GPS in the relativity debate have not been completely wrong. The neglected 7 factor could hurt us. The OCS software should be reformulated. Nevertheless, in practice, neglect of relativity does not now contribute measurably to the GPS error budget, as the OCS software is currently configured.

Link to papers by Ronald R. Hatch. The man that helped create the GPS system and has many of the patents involved in making it work. He says out right SR is garbage.
http://Natural Philosophy Alliance – Database

Ronald R. Hatch 美国宇航局宇航系技术统主任和前所长写文章说:
很简单,GPS反爱因斯坦的相对论
他说相对论是垃圾。

美国海军部(GPS合作者和实际操作者)英文说法:
Nevertheless, in practice, neglect of relativity does not now contribute measurably to the GPS error budget, as the OCS software is currently configured.

美国海军部(GPS合作者和实际操作者)称:
不管怎样,实际操作过程中,忽略相对论并没有导致GPS出现测量错误,正如OCS软件系统现在都运行协调并处于默认一致。

GPS系统的工作原理可知,星载时钟的精确度越高,其定位精度也越高。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,BOKCK 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,误差则降为2.9m。1981年,休斯公司研制的相对稳定频率为10^(-14)/秒的氢原子钟使卫星误差仅为1m。

由此,可以提出这么样的一个问题:相对论与星载时钟的精确度有关联吗?

如果回答
–有关联,但上面通过关于星载时钟的精确度的改进都是技术活,单纯从技术上就可以降低误差了,事实上看不出任务需要相对论的地方。理论上,如果原子钟相对稳定频率达到10^(-18)秒这个级数,毫无疑问,误差将会更进一步下降,但这个级别上的相对论效用应该更明显(本着相对论关于越精确则越容易看出经典牛顿理论误差越明显的说法),那么,这个级别的理论上,相对论反而是误差越来越大的原因了,这明显与星载时钟的精确度越高其定位精度也越高的客观事实不符合。

“星载氢原子钟在北斗导航系统的应用将大幅提高导航精度”
http://tieba.baidu.com/p/4340565326 )
本次发射的卫星属地球中圆轨道卫星即MEO卫星,GPS和GLONASS都属于此类卫星。
时钟越精确,误差越小了。GPS卫星在时钟越精确的实验证明下,所谓“误差”都只与技术手段有关。