GPS AND RELATIVITY: AN ENGINEERING
OVERVIEW
Henry F. Fliegel and Raymond S. DiEsposti
GPS Joint Program Office
The Aerospace Corporation
El Segundo, California 09245, USA
Abstract
We give and explain in detail the formulas for the relativistic corrections to be implemented in high-speed aircraft, or when using other satellites in connection with GPS, or when using GPS from another satellite. We explain how to sue these formulas in various scenarios, give numerical examples, and itemize the pitfalls to be avoided fry (for example) receiver manufactures.
INTRODUCTION
The Operational Control
System (OCS) of the Global Positioning
System (GPS) does not include the
rigorous transformations between coordinate systems that Einstein's
general theory of relativity would
seem to require
- transformations to and from the
individual space vehicles (SVs), the Monitor Stations
(MSs), and the users on
the surface of the rotating
earth, and the geocentric Earth Centered Inertial System (ECI) in which the
SV orbits are calculated. There is a very
good reason for the omission:
the effects of relativity, where they are
different from the effects predicted
by classical mechanics and electromagnetic
theory, are too small to
matter - less than one centimeter,
for users on or near
the earth. However, a new
class of users, who employ
satellites that obtain time and
position in space from GPS, cannot be satisfied
with the approximations in the current OCS. Furthermore, because those approximations have not been
publicly analyzed and presented, there is much
confusion in the GPS literature. Eminent scientists have been divided
amongst themselves, wondering whether the OCS software does not need
to be rewritten,
especially since the Department pf Defense is
now requiring that the current
specifications -
GPS И ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ:
КРАТКИЙ ОБЗОР
Генри Ф. Флигэль и Раймонд С. Диспости
Отдел разработки приложений связи с GPS
Космическая Корпорация
Эль Segundo, Калифорния 09245, США
Реферат
Мы предлагаем и объясняем подробно формулы для релятивистской коррекции, которые должны быть применены в высокоскоростном самолете, или используя другие спутники в комплексе с GPS, или при использовании GPS на другом спутнике. Мы объясняем, как использовать эти формулы в различных сценариях, даем числовые примеры, и перечисляем ловушки, которые следует избегать разработчика пользовательской аппаратуры.
ВВЕДЕНИЕ
Операционная Система управления (OCS) Глобальной Системы Позиционирования (GPS) не включает в себя строгие преобразования между системами координат, которых общая теория относительности Эйнштейна, кажется, требует - преобразования к и от индивидуальных пространственных транспортных средств (SVs), Мониторинговых станций (MSs), и пользователей на поверхности вращающейся Земли, и геоцентрической Земной Инерционной Системы (ECI), в котором вычислены орбиты SV.
Есть очень серьезное основание для игнорирования эффектов относительности, там, где их отличие от эффектов, предсказанных классической механикой и электромагнитной теорией, являются слишком маленькими, чтобы иметь значение - меньше чем один сантиметр, для пользователей на или около Земли.
Однако, новый класс пользователей, которые используют спутники, которые получают время и позицию в пространстве от Глобальной Системы Позиционирования, не может быть удовлетворенным погрешностями в текущей OCS.
Кроме того, то, что эти
погрешности не были публично проанализированы, и представлены, в текущей литературе
по GPS - большой пробел.
Выдающиеся ученые разделились во мнении, задаваясь вопросом,
не должно ли программное обеспечение OCS быть
перезаписано, тем более, что Департамент Обороны теперь требует, чтобы текущие
спецификации -
В этой статье, мы сравниваем предсказания теории относительности к таковым из интуитивной, классической, ньютоновой физики; мы показываем, насколько большими или маленькими эти различия являются, и показать, что различие являются достаточно большими, чтобы заставить исправлять формулы классической физики…