Как работают навигаторы, или теория относительности в действии.

     Любая теория доказывается экспериментом, после чего ее начинают применять на практике. Это в полной мере относится и к теории относительности.

     Приводить здесь описание экспериментов, подтверждающих СТО и ОТО, бесполезно - у читателей просто нет возможности их повторить и самим убедиться в работоспособности СТО и ОТО.

     Однако есть приборы, которые используются всеми (ну , или почти всеми) , работа которых без учета работ Эйнштейна невозможна, и они работают строго с использованием СТО и ОТО. Все, наверное, поняли, что речь идет о спутниковой навигации.

     Принцип навигации по спутникам вроде прост - на орбитах висит некоторое число спутников, их местонахождение известно. Спутники излучают сигналы, по которым определяется номер спутника, а по времени прохождения сигнала от спутника до приемника (навигатора) определяется точка, в которой находится приемник. Вроде просто?

     Однако здесь есть несколько проблем, а именно:

1. Спутник не весит на орбите как привязанный, он "дрейфует" на ней в некотором диапазоне координат.

2. Течение времени на спутниках должно быть строго одинаковым и синхронизированным с приемником с возможно большей точностью

3. Время подачи сигнала спутниками должно быть известно приемнику с точностью до наносекунд, в противном случае не будет достигнута хоть сколько нибудь приемлемая точность навигации.

   Точность хода часов на спутников достигается применением атомных часов, которые сами имеют наносекундную точность, а также время от времени взаимно синхронизируются.

Точность же часов, установленных в навигаторах, не более точности обычных кварцевых часов - невозможно установить атомный стандарт в навигатор, так как , во первых, это дорого, во вторых, он будет довольно габаритным устройством, неприемлемым для носимых устройств.

Однако, все эти проблемы решены в современных системах, которые в принципе все работают на одинаковых принципах, различие лишь в кодировании сигналов и орбитах спутников.

При этом в каждой системе обязательно учитываются и СТО и ОТО. Дело в том, что без синхронизации часов на спутниках и в навигаторе достичь точной навигации, хотя бы с точностью в несколько метров невозможно. Если мы примем скорость света равной 300 000 км/сек , то ошибка в 1 микросекунду даст ошибку в расстоянии в 0,3 километра - столько свет проходит за 1 микросекунду.

Теперь посмотрим, что у нас получается, если часы на спутниках будут идти так, как они шли на Земле.

Согласно СТО, в связи с разностью скоростей точки на земле и висящего над ней спутника, часы на нем ( в соответствии с СТО) будут идти на 7 мкс в сутки медленнее, чем в момент старта на Земле. Однако, Земля обладает большой гравитацией, и уже в соответствии с ОТО часы на спутнике, находящимся на орбите (порядка 20 000 км. от Земли ) будут идти уже быстрее, чем на Земле, приблизительно на 45 мкс в сутки. Таким образом, если мы суммируем это влияние СТО и ОТО , получим +45-7 = +38 мкс в сутки. Если не корректировать этот уход, то он составит 0,3х38 =11,4 км/сутки.

Поэтому синхронизация часов как спутников между собой, так и приемников - очень важна, так как чем точнее она сделана, тем точнее определение местоположения.

Однако, в дискуссиях нередко высказывается мнение, что учитывать СТО и ОТО для навигации совершенно нет необходимости, так как синхронизировать приемник и спутники можно в момент определения местоположения.

Это было бы так - если бы навигатор один раз определял местонахождение , и повторно делать это нужно было бы хотя бы через несколько секунд - столько времени нужно, чтобы синхронизировать время на приемнике со спутником. Но это положило бы крест на возможности навигации в движении, когда необходимо непрерывно, несколько раз в секунду определять свое местонахождение. Поэтому синхронизация часов проводится один раз и повторяется, когда ошибка определения места становится больше допустимой для этого класса приборов.

Начальный момент времени излученного спутником сигнала определяется после его декодировки в приемнике. Кодирование и шифрование в каждой системе производится по своему, но смысл примерно в следующем - каждый спутник излучает сложный кодированный сигнал, каждая посылка в котором соответствует строго определенному времени. Грубо это выглядит так - все спутники одновременно передают, к примеру, какие то числа, к примеру, 1, 2, 3 , 4 , 5 , 6, 7 и так далее.

Получив сигнал, приемник определяет, в какой момент времени он был излучен - к примеру, на самом спутнике время 10 часов 10 минут 10 секунд 010 миллисекунд. От первого спутника получен сигнал 1, что означает - этот сигнал был излучен в 10 часов 10 минут 10 секунд 001 миллисекунду, от второго спутника сигнал 4, что означает, что сигнал отправлен в 10.10.10.004

Если отнять из времени приемника время спутников, то увидим, что от первого спутника сигнал шел 10 -1 =9 миллисекунд, а от второго 10-4= 6 миллисекунд. Остальное уже дело программы приемника - навигатора.

Не нужно только придираться к конкретным значениям времени, цифры приведены только для обьяснения принципа работы и необходимости точной привязки ко времени.

Итак, вот примерный цикл работы приемника при установлении связи и определения местоположения после включения навигатора:

1. После включения навигатора приемник получает с первого же спутника так называемый альманах, в котором указаны параметры орбиты всех спутников системы, а после начала приема сигнала каждого следующего спутника так называемые эфемериды каждого из них. Альманахи и эфемериды указывают местонахождение каждого спутника в данный момент времени и строго привязаны к системному времени навигационной системы. Что такое альманахи и эфемериды, что в них отражено , и как ведется прием, каждый желающий подробно может найти в сети. Процесс этот довольно длительный, так как они содержат довольно обширный обьем данных.

2. После прием этих данных, начинается синхронизация часов , одновременно с определением первоначального местонахождения. Для этого необходимо иметь сигналы не менее трех, а лучше большего количества спутников.

Приняв сигнал каждого спутника, навигатор определяет область возможного своего нахождения, которая будет представлять некую окружность со спутником, висящим в этот момент над ее центром. Затем точно так же определяется такая же область для еще двух спутников.

Если часы спутника и приемников синхронизированы, то в строго определенной точке все три окружности пересекутся, это и будут координаты вашего местоположения. Если же часы несинхронизированы, то окружности пересекутся в разных точках, которые будут вершинами треугольника, очерчивающего область, в которой вы находитесь. Обнаружив несовпадение точек пересечения, программа приемника - навигатора начинает подстраивать свои часы таким образом, чтобы ошибка уменьшалась и в конце концов вошла в пределы допуска для этого устройства. Исполняет это математическое обеспечение программы, решая соответствующие уравнения. Это так же занимает определенное время.

3. Точная синхронизация достигается с помощью четвертого спутника, с которого принимается определенный код, содержащий метки времени. Такой же код все время генерируется в приемнике. Приняв этот код, навигатор сравнивает его со своим, находит одинаковые точки, и по ним определяет уже точную разницу во времени, убирает ошибку и в дальнейшем ведет расчеты с применением получившегося времени.

Синхронизация проведена.

В дальнейшем уже ведется оперативная работа и выдача данных. Чем больше спутников "видит" навигатор, тем точнее определение местоположения.

Вот теперь вернемся к СТО и ОТО. Если мы не будем учитывать разницу хода часов , то уже через час разница во времени будет 38/12 =1,58 мсек, что даст ошибку 450 метров.

Таким образом, мы видим один из примеров реального доказательства релятивистских эффектов, согласно теории Эйнштейна.

Несколько слов о теории Пуанкаре. Действительно, он очень близко приблизился к пониманию теории относительности. Однако , я не буду здесь углубляться в дебри физики, скажу лишь следующее:

- работы Пуанкаре и Эйнштейна по этому вопросу вышли практически одновременно, и также обсуждались одновременно. И хотя Пуанкаре сделал почти те же выводы, что и Эйнштейн, научное общество, ознакомившись с обеими работами, предпочтение отдало все таки Эйнштейновской СТО .

Разные разговоры о том, что СТО была внедрена чуть ли не административным путем, совершенно не выдерживают критики - по той простой причине, что Эйнштейн на тот момент был 26 летним мало кому известным юнцом, не имевшим покровителей.

     P.C.: Для особо рьяных противников СТО хочу привести следующий факт : 

В свое время в Советском Союзе собирались бороться с теорией относительности так же, как и с генетикой.

Получив указание Сталина о развертывании наступления на «идеологические извращения в физике», Берия вызвал к себе на собеседование людей, ответственных за работы по атомной бомбе (это были И. В. Курчатов и А. П. Александров), и сообщил им о планах вождя. Руководители проекта не дрогнули и сказали, что кампания идеологической дискредитации основ новой физики (СТО и квантовой механики) неминуемо сорвет работы по созданию атомной бомбы. Берия донес этот ответ до Сталина. Как говорят, Сталин долго молча ходил по кабинету, покуривая трубку, а потом сказал: «Пусть наши ученые работают спокойно». И добродушно продолжил: «А расстрелять мы их всегда успеем!» Разоблачение идеалистических извращений в физике было отменено, хотя оно уже до того началось — я застал его следы, когда учился в Ленинградском политехническом институте (ЛПИ им. М. И. Калинина) в пятидесятых годах ХХ века.

     Ну. а особо рьяным "доказывателям" ошибочности теории Эйнштейна и требовающим описаний экспериментов, предлагаю ознакомиться с материалом по следующей ссылке http://elementy.ru/nauchno-pop...   , где как раз речь идет об экспериментальных доказательствах справедливости СТО и ОТО. 

Следующая статья по теме https://cont.ws/@ralexd/113678...