スマートフォンがどのようにして正確な位置を知るのか

要約

本記事では、スマートフォンが、地球の12,000マイル上を周回する衛星、原子時計、そして量子力学を利用して、自分自身の位置を決定する方法について探求します。衛星の時間を知ることが位置を決定する上でなぜ重要か、原子時計がどのように機能するか、そして複数の衛星からの距離を測定することでユーザーの正確な位置を特定する方法について説明します。

衛星の時間を知ることがなぜ重要か

スマートフォンが自分自身の位置を決定するためには、衛星との距離を知る必要があります。各衛星は、電波信号を光速で送信し、スマートフォンが信号を受信した時間を記録し、信号が移動した時間を計算して衛星との距離を求めます。しかし、正確な距離を計算するためには、スマートフォンには正確な時計が必要です。

原子時計がどのように機能するか

原子時計は、原子の2つのエネルギー準位の遷移に基づいて、一定の周波数を維持する非常に正確な時計です。量子力学によれば、原子はエネルギーを持っていますが、特定の量、つまり「量子」しか取り込むことができません。2つのエネルギー準位のエネルギー差は、特性周波数に定数を乗じたものに等しくなります。GPS衛星は、セシウムとルビジウムの原子を周波数標準として使用しており、セシウム133は9,192,631,770ヘルツの特性クロック周波数を持っています。この正確な時計により、1秒間の誤差は10億分の1秒以内になります。