导语：精准无比的原子钟让你再也不会被导航带错地方。
关键词：GPS；原子钟
GPS网络也许是地球上最大的一项基础设施。它本质上就是太空中的一组时钟，不分昼夜地向地球上任何想知道时间信息的人提供免费服务。
这些时间信号具有多种重要的用途，但多数人仅仅需要GPS 导航帮助他们完成从A 点到B点的旅程——实际上是到达B 点10米内的地方。从人类和车辆的尺寸来看，这可算是相当大的误差幅度，任何一位曾因此错过左转弯的人都可以为此作证。
未来的前沿科技，比如自动驾驶汽车，将很有可能依赖就地传感器和GPS信号来独立、安全地完成导航。因此，在GPS精度方面的任何改进将极大有利于自动汽车时代的加速到来。
GPS接收器会接收并比较不同GPS卫星的对时信号，然后利用这些信息计算出你在地球上的精确位置。
影响GPS导航精度的因素有很多。如今，对于大多数民众而言，主要的影响来源于地球的电离层，对时信号在穿过电离层到达你的GPS接收器的过程中会受到干扰。
造成对时误差的第二大因素，是卫星所搭载的时钟自身的稳定性。
时间就是一切
每颗GPS卫星上都安装了一组原子钟（通常是4个），其时间的来源是铯原子（Cs）或铷原子（Rb）。
这些原子钟实际测量的是两个特定原子态之间的能量差异。当原子由高能量原子态转换到较低能量原子态时，两者之间的能量差异会以光的形式释放出来。而我们就是通过这种光的频率，或者节奏率，对时间进行计算和定义。而此处的重点在于，上述的这种能量差异基本上是恒定的。
所有的时钟，不论是手表、落地摆钟、原子钟还是其他钟表，都具有一定的固有误差，这会导致它们的走时或快或慢。对于GPS卫星上的原子钟而言，它每天的误差为±10纳秒。
这点误差看起来也许并不多，但如果你将其乘以光速，最后得到的GPS位置误差将达3米。
值得庆幸的是，GPS网络具有良好的监测和更正机制，使时钟处于秩序井然的状态，因此它们仅会产生1－2米之内的位置误差。
科学家正在探寻多种方法来改善GPS导航的精度，比如研究能够有效消除电离层干扰的不同广播方式。
但对于GPS而言，时钟的性能才是至关重要的。随着时钟技术的不断进步，许多新的发现和应用也应运而生。
经过改进的精度
在西澳大利亚大学（University of Western Australia），我们的研究小组正在研发一种以镱（Yb）原子为基础的光学晶格时钟。
除了镱原子，我们还拥有一台超稳定激光器和一台频率梳，这样就足以生产出一只高精度的光学原子钟。
西澳大利亚大学镱原子晶格时钟。（图片来源：Romain Bara-Maillet and John McFerran，由作者提供。）
这种时钟是目前最好的时钟之一，按照类似的设计制成的时钟，其精度比目前的GPS卫星要高10万倍。
它们的设计精度为10－18 秒。如果有两个这样的时钟在138亿年前宇宙诞生时同时开始走时，到今天它们之间的允许误差将在1秒以内。
我们的晶格时钟一旦完成，将成为南半球同类型时钟中的唯一一个。另外，再辅以我们在时间和频率方面的其他尖端技术，西澳大利亚大学将建立一个地面站，用于参加太空时钟比较实验。
实际上，这个令人印象深刻的澳大利亚时钟在即将到来的欧洲航天局试验中将扮演重要角色。
太空中的任务
太空原子钟（ACES）任务将为国际空间站（ISS）带来一个不同的冷原子钟，它比普通GPS原子钟稳定约1000倍。
太空原子钟任务计划于2017年正式启动。如果能将太空原子钟成功送上太空，并在国际空间站上稳定运行，那将是一个十分重大的成就。在通往未来太空时钟网络的路上，这是非常重要的一步。
在几年时间里，由太空原子钟产生的对时信号将与全世界各种不同种类的时钟进行对比，其中包括西澳大利亚大学正在研发的镱原子钟。
这将需要我们开展一些重要的基础物理试验，比如测试引力红移和寻找自然界基本常数的微小变化。
除了太空任务之外，这种极端精准和稳定的光学晶格时钟还有许多用途。比如，由于这种时钟的走时速率极度依赖于当地的重力场强，高度相差30厘米的两个时钟之间就可形成明显的速率差异。
基于这种速率差异，人们最终可以用这种时钟建立一个网络，用于精确标注地球的重力场强，这也许能有助于矿产的勘探。
虽然科学进步有时会显得缓慢，但在未来，先进的时钟将被安装在升级版的GPS卫星上，帮助人们准确地驾驶汽车（也许是自动驾驶汽车）到任何地方，这一切仅仅只是时间问题。
关于作者：
Stephen Parker，西澳大利亚大学助理研究员。本文讨论的内容中有一部分由澳大利亚研究院提供资助。
（翻译：范俊；审校： 侯政坤）
原文链接[the conversation]：
https://theconversation.com/sharper-gps-needs-even-more-accurate-atomic-clocks-38109
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