相对论在现代导航中的应用（第2版） [Application of Relativity in Modern Navigation] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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费保俊 著

图书标签:

• 相对论
• 导航
• 现代导航
• 物理学
• 空间技术
• 时间同步
• GPS
• 惯性导航
• 精密导航
• 科学计算

出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118097894

版次：2

商品编码：11661186

包装：精装

外文名称：Application of Relativity in Modern Navigation

开本：16开

出版时间：2015-01-01

用纸：胶版纸

页数：256

字数：300000

正文语种：中文

内容简介

　　《相对论在现代导航中的应用（第2版）》在2007年初版基础上做了全面修订和扩充，较为系统地叙述了相对论及其在现代导航中的应用。前3章简要介绍狭义和广义相对论的基本原理，着重阐述后牛顿引力理论及其在空间实验中的相对论效应。后4章分析经典相对论特别是后牛顿引力理论在卫星导航、脉冲星导航以及空间惯性导航中的应用，还介绍了相对论定位系统的基本原理及其应用前景。
　　《相对论在现代导航中的应用（第2版）》适合于理工科大专院校和科研机构的本科生和研究生阅读，也可供有关导航、测绘、空间技术和相对论等领域的科研人员和教师参考。

内页插图

目录

第1章 狭义相对论基础
1.1 狭义相对论基本原理
1.1.1 基本原理和时空间隔不变性
1.1.2 固有洛伦兹变换和时空观
1.1.3 因果律和光速极值原理
1.2 4维闵可夫斯基空间
1.2.1 闵氏空间的几何结构
1.2.2 闵氏空间的度规和坐标变换
1.2.3 闵氏空间的张量分析
1.3 狭义相对论力学
1.3.1 4维位移、速度和加速度
1.3.2 4维动量和运动方程
1.3.3 高速火箭的Ackeret公式
1.3.4 4维能量动量张量
1.3.5 4维自旋矢量和角动量
1.4 光波的频移和行差效应
1.4.1 相位不变性和波阵面方程
1.4.2 多普勒频移效应
1.4.3 多普勒计数测量原理
1.4.4 光行差效应
参考文献

第2章 广义相对论基础
2.1 基本原理及其几何基础
2.1.1 牛顿引力理论及其困难
2.1.2 广义相对性原理和等效原理
2.1.3 广义时空间隔不变性
2.1.4 黎曼几何的基本概念
2.1.5 伪黎曼时空的力学规律
2.2 球对称天体的引力场
2.2.1 爱因斯坦引力场方程
2.2.2 史瓦西度规及其牛顿近似
2.2.3 克尔度规及其牛顿近似
2.3 引力场中的时间和空间
2.3.1 坐标时和固有时
2.3.2 原子钟环球飞行实验
2.3.3 坐标长度和固有长度
2.3.4 弓l力场中的可观测量
2.3.5 引力场中的时空测量
2.3.6 光传播的时空测量
2.4 引力场中的运动方程及其效应
2.4.1 弯曲时空的测地线方程
2.4.2 自由质点运动方程及其牛顿近似
2.4.3 史瓦西场中质点轨迹和进动效应
2.4.4 史瓦西场中光子轨迹和弯曲效应
2.4.5 光传播时间的引力延缓效应
2.4.6 光波的引力和多普勒频移
参考文献

第3章 后牛顿引力理论
3.1 引力场的后牛顿近似
3.1.1 度规和联络的级数表示
3.1.2 后牛顿近似的场方程和度规
3.1.3 DSx体系的场方程和度规
3.1.4 太阳系天体的标量势和矢量势
3.1.5 质点和光子的后牛顿运动方程
3.2 后牛顿理论的时间和空间
3.2.1 太阳系质心和地心天球参考系
3.2.2 太阳系质心系与地心系的时空变换
3.2.3 太阳系质心系的度规和质心坐标时
3.2.4 地心系的度规和地心坐标时
3.2.5 地球系的度规和地球时
3.2.6 相对论时间尺度及其相互关系
3.3 光传播轨迹和时间的后牛顿修正
3.3.1 1PN轨迹方程及其弯曲效应
3.3.2 2PN轨迹方程及其弯曲效应
3.3.3 光传播时间的2PN引力延缓效应
3.3.4 地球系中光传播时间的Sagnat！效应
3.4 卫星运行轨迹的后牛顿修正
3.4.1 卫星的经典无摄运动方程
3.4.2 卫星运动状态及其测量
3.4.3 卫星的经典摄动运动方程
3.4.4 GCRS中卫星的l。PN轨迹
3.4.5 GCRS中卫星轨迹的2：PN修正
3.4.6 BCRS中卫星轨迹的2PN修正
参考文献

第4章 卫星导航的相对论效应
4.1 卫星导航的基本测量原理
4.1.1 卫星导航概述
4.1.2 卫星导航原理与光速不变性
4.1.3 卫星导航中的相对论效应
4.2 卫星钟的相对论修正
4.2.1 卫星导航的时间和空间系统
4.2.2 卫星钟与系统标准钟的同步
4.2.3 卫星椭圆运动产生的钟差
4.2.4 关于卫星相对论钟差的讨论
4.3 测码和测相伪距方程
4.3.1 测码伪距方程
4.3.2 卫星与接收机的相对论钟差
4.3.3 卫星到接收机距离的相对论意义
4.3.4 测相伪距方程的引力效应
4.3.5 多普勒测量方程的引力效应
参考文献

第5章 x射线脉冲星导航的相对论模型
5.1 x射线脉冲星导航概述
5.1.1 基于天体的天文自主导航
5.1.2 基于X射线脉冲星的自主导航
5.1.3 x射线脉）中星的观测特性
5.1.4 x射线脉冲星的导航参数
5.2 XNAV中的时间测量
5.2.1 BCRS中的光传播时间方程
5.2.2 SSB为基准的观测方程
5.2.3 SSB“等效时间”为基准的观测方程
5.2.4 航天器固有时与地球时的转换
5.3 BCRS中的绝对定位模型
5.3.1 多普勒速度观测方程
5.3.2 位置和速度联合观测方程
5.3.3 观测轮廓的叠加及频偏估计
5.3.4 观测轮廓与标准轮廓的时延估计
5.3.5 日地系平动点晕轨道卫星导航
5.4 GCRS中的相对定位模型
5.4.1 地心为基准的联合观测方程
5.4.2 GCRS中的相对定位法
5.4.3 地球静止卫星为基站的相对定位
参考文献

第6章 相对论定位系统及其应用前景
6.1 相对论定位系统基本原理
6.1.1 正交标架与零标架
6.1.2 零标架中的光坐标
6.1.3 零标架与观测者的关系
6.2 脉冲星导航的相对论定位法
6.2.1 2维平直时空的相对论定位法
6.2.2 4维弯曲时空的相对论定位法
6.2.3 相对论与TOA定位的比较
参考文献

第7章 空间惯性导航的相对论效应
7.1 惯性导航的基本原理
7.1.1 惯性导航系统概述
7.1.2 惯性导航的基本概念
7.1.3 TRs和GCRS中的比力方程
7.2 空间加速度计的相对论效应
7.2.1 航天器的惯性运动——测地线方程
7.2.2 航天器内的潮汐力——测地偏离方程
7.2.3 抵消潮汐力的加速度计组合
7.3 空间陀螺仪的相对论效应
7.3.1 陀螺仪的经典测量原理
7.3.2 弯曲时空的矢量平移
7.3.3 空间陀螺仪的测地进动
7.3.4 空间陀螺仪的Lense-Thirring进动
7.3.5 测地进动和Lense-Thirring进动的实验验证
参考文献
天文常数表

前言/序言

《相对论在现代导航中的应用（第2版）》 图书简介 在这个日新月异的时代，人类对精准定位与高效导航的需求从未停止。从宏观的宇宙探索到微观的粒子追踪，从深海潜航到高空飞行，精确的导航系统已经成为现代社会不可或缺的关键技术。而支撑起这些复杂导航系统背后，隐藏着一项深刻而颠覆性的物理理论——相对论。本书记叙了相对论，尤其是狭义相对论和广义相对论，如何从理论的殿堂走向实际应用，为我们构建起一个更加精确、可靠的全球导航体系。 第一部分：理论基石——揭开相对论的面纱 在深入探讨相对论在导航领域的应用之前，有必要回顾和梳理相对论的核心概念。 1. 狭义相对论：时空的新视野 阿尔伯特·爱因斯坦在1905年提出的狭义相对论，彻底改变了我们对时间、空间和运动的理解。它基于两个基本假设： 光速不变原理： 在所有惯性参考系中，真空中的光速是恒定的，不随光源或观察者的运动而改变。这个看似简单的原理，却引出了许多令人难以置信的推论。 相对性原理： 所有惯性参考系中的物理定律都具有相同的形式。也就是说，没有绝对静止的参考系，运动是相对的。 狭义相对论的核心结论包括： 时间膨胀： 运动的钟比静止的钟走得慢。速度越快，时间膨胀效应越显著。 长度收缩： 在运动方向上，物体长度会收缩。速度越快，长度收缩越明显。 质能方程 E=mc²： 质量和能量可以相互转化，质量是能量的一种形式。 相对论速度叠加： 速度的叠加不再是简单的加法，而是遵循特定的相对论速度叠加公式，以确保合成速度不超过光速。 这些概念，虽然在宏观世界中不甚明显，但在速度接近光速的粒子加速器或是在星际旅行的设想中，其重要性就显露无遗。 2. 广义相对论：引力的新解释 继狭义相对论之后，爱因斯坦在1915年提出了广义相对论，将引力纳入了时空的框架。广义相对论的核心思想是将引力不再视为一种神秘的“力”，而是时空本身弯曲的表现。 等效原理： 均匀引力场的作用与一个加速参考系的作用是无法区分的。这个原理是广义相对论的基石，将引力与惯性运动联系起来。 引力场方程： 描述了物质和能量如何使时空发生弯曲，以及时空的弯曲如何影响物质和能量的运动。数学上，这表现为爱因斯坦场方程。 广义相对论的主要推论包括： 时空弯曲： 大质量物体会使周围的时空发生弯曲，就像在一个平坦的橡胶膜上放置一个重物会使其凹陷一样。 引力时间膨胀： 在强引力场中，时间流逝得比弱引力场中慢。 引力红移： 光在引力场中传播时，频率会降低（波长变长），表现为红移。 引力透镜效应： 光线经过大质量物体附近时会发生弯曲，导致远处的物体图像发生变形或出现多个像。 水星近日点进动： 广义相对论能够精确解释水星轨道近日点的反常进动，这是牛顿力学无法完全解释的现象。 这些理论，特别是关于时间和引力对时间影响的深刻洞察，为理解和发展现代导航系统奠定了不可动摇的理论基础。 第二部分：从理论到实践——相对论在导航中的具体体现 狭义相对论和广义相对论的理论预言，在许多高精度测量和导航系统中得到了令人信服的验证。其中，全球导航卫星系统（GNSS），如美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo和中国的北斗，是相对论在导航领域最广泛、最重要的应用实例。 1. GNSS的工作原理与相对论的影响 GNSS系统由一组分布在地球轨道上的卫星组成。这些卫星不断地向地面广播自身的位置、时间和高速运行的信号。地面上的接收器通过接收至少四颗卫星的信号，利用信号传播的时间差，计算出接收器相对于卫星的距离。通过多颗卫星的距离信息，结合已知的卫星位置，接收器就可以 triangulate（三边测量）出自身在三维空间中的精确位置。 然而，仅仅依赖经典物理学原理，GNSS系统的定位精度将大打折扣，甚至无法正常工作。相对论效应在GNSS系统中扮演着至关重要的角色： 狭义相对论的时间膨胀效应： GNSS卫星以极高的速度（约14,000公里/小时）绕地球运行。根据狭义相对论，这些高速运动的卫星上的原子钟会比地面上的静止钟走得慢。如果不考虑这个效应，每天累积的时间误差会达到约7微秒。 广义相对论的引力时间膨胀效应： GNSS卫星运行在距离地球表面约20,000公里的轨道上，那里的引力场比地面弱。根据广义相对论，在较弱的引力场中，时间流逝得比强引力场中快。如果不考虑这个效应，每天累积的时间误差会达到约45微秒。 综合效应： 将狭义相对论和广义相对论的影响结合起来，GNSS卫星上的原子钟每天会比地面上的原子钟快约38微秒（45微秒 - 7微秒 = 38微秒）。 2. 修正与校准：实现GNSS的精准定位 每天38微秒的时间误差，看似微不足道，但对于需要米级甚至厘米级精度的GNSS定位系统来说，却是灾难性的。光速约为300,000公里/秒，38微秒的时间差相当于一个高达11公里的距离误差（38 × 10⁻⁶秒 × 3 × 10⁸米/秒 ≈ 11,000米）。 为了解决这一问题，GNSS系统的设计和运行必须将相对论效应纳入考量，并在系统层面进行精确的校准和修正： 频率调整： GNSS卫星上的原子钟在发射前，会根据相对论效应进行预先频率调整。也就是说，卫星上的原子钟会以一个略微比地面标准频率慢的频率运行，这样在进入轨道并受到相对论效应的影响后，其频率就能与地面接收器的频率同步。 软件校准： GNSS接收器内部的软件会接收卫星广播的导航信息，这些信息已经包含了相对论效应的修正参数。接收器在进行定位计算时，会根据这些参数对接收到的时间信号进行校准，从而消除相对论效应带来的误差。 3. 其他导航应用中的相对论身影 除了GNSS，相对论的原理也深刻影响着其他领域的导航和定位技术： 惯性导航系统（INS）： 虽然INS主要依赖陀螺仪和加速度计来测量物体的姿态和加速度，并推算位置，但在极长距离或长时间的航行中，地球的曲率和自转带来的效应（与相对论效应有密切关联），以及地球引力场的微小变化，都需要通过相对论的框架来精确建模，以提高长时积分的精度。 高精度授时： 许多先进的通信系统、金融交易网络和科学实验，都依赖于高精度的时间同步。GNSS系统是实现全球时间同步的重要手段，而其背后的精确授时能力，离不开对相对论效应的校准。 空间科学与深空探测： 在探测器进行星际旅行或观测遥远天体时，其速度可能接近光速，或者需要考虑引力场的极度差异。此时，狭义相对论和广义相对论的效应将变得极其显著，必须在轨道计算和导航规划中予以充分考虑。例如，当探测器穿越强引力场时，其时间流逝会发生变化，需要精确计算以确保任务的成功。 第三部分：未来展望——相对论与下一代导航技术 随着科技的不断发展，我们对导航精度的要求也将越来越高。相对论将在未来的导航技术发展中继续扮演核心角色。 量子导航： 量子技术正在以前所未有的方式革新着导航领域。虽然量子导航的主要驱动力是利用量子态的敏感性来感知重力场、惯性运动等，但未来高精度量子导航系统的设计和校准，也需要精密的相对论模型来支撑。 新一代GNSS： 随着新一代GNSS系统的部署，其导航精度将进一步提升。这意味着对相对论效应的修正也将更加精细化，以满足更高精度定位的需求。 地月空间导航： 随着人类对月球及地月空间探索的深入，需要构建更复杂的导航体系。在这一区域，地球引力、月球引力以及太阳引力都会对时空产生影响，广义相对论将成为设计和计算轨道不可或缺的工具。 结论 《相对论在现代导航中的应用（第2版）》不仅仅是一部介绍物理理论的书籍，更是将深奥的科学原理与我们日常生活息息相关的技术紧密连接起来的桥梁。从GNSS系统的精准运作，到深空探测的成功执行，相对论的每一次“显灵”都标志着人类对宇宙认知和技术能力的飞跃。本书将带领读者，一步步揭开相对论在现代导航领域的神奇面纱，理解它如何深刻地改变了我们的出行方式，并塑造着我们对宇宙的认知。通过对本书的阅读，读者将能够更深刻地理解，那些“看不见”的物理定律，是如何在幕后默默支撑起我们这个精密运作的现代世界的。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名《相对论在现代导航中的应用（第2版）》本身就极具吸引力，它巧妙地将两个看似截然不同但又紧密相连的领域——深邃的物理学理论和实用的工程技术——融为一体，勾勒出一幅充满智慧和创新的画面。 我猜想，这本书的作者一定是一位既有扎实的理论功底，又有丰富的实践经验的专家。他/她将带领读者穿越时空的维度，深入理解相对论如何从一个抽象的概念，一步步渗透到我们现代生活中的关键技术之中。我特别期待书中能够详细介绍相对论对全球定位系统（GPS）、北斗卫星导航系统等现代导航系统的影响，阐述它们是如何通过精确计算和修正相对论效应，来实现毫米级的定位精度。 想象一下，我们脚下的土地，我们头顶的星空，都被这无形但强大的相对论力量所影响，而现代导航技术正是捕捉并利用了这种影响，将我们引向正确的方向。这种对科学原理的深刻洞察，以及它们在现实世界中的应用，无疑会给读者带来震撼和启发。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名听起来就充满了科学的严谨和未来的想象力，让人立刻对它的内容产生浓厚的兴趣。作为一个长期关注科技发展，尤其是与航空航天、精密测量等领域相关信息的人，我预感这本书的价值非同一般。 我非常期待书中能够详细阐述相对论原理在现代导航系统中的具体实现细节。这可能包括如何计算和补偿因卫星高速运动而产生的相对论效应，以及如何处理地球引力场对时空产生的微小弯曲，从而保证导航信号的准确性。我猜测书中会大量引用数学公式和物理模型，但同时也希望能有清晰的图示和生动的案例来辅助理解，让非专业读者也能领略其中的智慧。 更进一步，我希望这本书能探讨相对论对未来导航技术可能带来的启示。例如，在星际探索、深空探测等更复杂的导航场景下，相对论效应的重要性是否会更加凸显？这本书是否会展望一些基于相对论的新型导航理念或技术？这种前瞻性的讨论，无疑会极大地拓展读者的视野，激发对科学探索的无限热情。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名《相对论在现代导航中的应用（第2版）》让我立刻产生了浓厚的兴趣。作为一名对科技史和前沿科技发展都略有涉猎的读者，我一直认为，最伟大的科学发现往往能以意想不到的方式改变我们的生活。 我非常有兴趣了解，书中是如何将爱因斯坦提出的那些精妙绝伦的相对论，那些曾经让无数人感到困惑的理论，转化为我们日常生活中不可或缺的导航工具的。我设想，书中可能会详细介绍狭义相对论中的时间膨胀和长度收缩效应，以及广义相对论中的引力时间延迟等现象，是如何被纳入导航卫星系统的计算模型中的。 想象一下，当你在陌生的城市中依靠手机导航寻找方向，或者当飞机在万米高空中平稳飞行，其背后都可能蕴含着对时空微妙变化的精准计算。这种科学理论与实际应用的完美结合，无疑会让人对人类的智慧产生由衷的敬佩。我期待书中能以一种引人入胜的方式，揭示这种“看不见”的科学如何保障着我们“看得见”的世界的有序运行。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对地理信息系统（GIS）和天文学都有浓厚兴趣的业余爱好者，我一直对宇宙的奥秘充满了好奇。最近，我偶然发现了一本名为《相对论在现代导航中的应用（第2版）》的书籍。虽然我对书中具体内容的了解仅限于书名，但仅凭这个标题，我就能想象到这本书将带领读者进行一场怎样的思维旅行。 首先，我迫不及待地想要探索书中是如何将爱因斯坦那令人着迷的相对论理论，与我们日常生活中看似平凡的导航技术联系起来的。我一直以为相对论是那些遥不可及的物理学家才研究的高深学问，但这本书的出现，让我看到了科学的另一面：那些最前沿的理论，竟然能如此深刻地影响着我们身边的世界。我特别好奇，书中会用怎样的语言来解释狭义相对论中的速度效应和广义相对论中的引力效应，又是如何将这些抽象的概念转化为具体的导航原理的？是否会涉及GPS系统，因为我知道GPS的精度很大程度上依赖于相对论的修正。光是想到这个连接，就足以让我心潮澎湃。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名《相对论在现代导航中的应用（第2版）》就像一把钥匙，打开了我对未知领域的好奇心。它预示着一本充满深度和广度的著作，能够将抽象的物理学理论与我们日常生活中的实际应用巧妙地连接起来。 我尤其期待书中能够详尽地阐述相对论在现代导航系统中所扮演的关键角色。这不仅仅是简单的应用，更是一种对物理学原理深刻理解的体现。我推测，书中会深入探讨，例如GPS卫星为了实现高精度定位，必须考虑哪些相对论效应，比如卫星高速运动导致的时间膨胀，以及地球引力场对卫星上原子钟运行速率的影响。 此外，我希望这本书能够进一步探讨相对论在未来导航技术发展中的潜力。在日益复杂的太空探索和高精度测量领域，相对论效应是否会成为影响导航精度的决定性因素？书中是否会提及一些更具前瞻性的导航概念，例如基于量子纠缠或时空弯曲的导航方式？这种对科学前沿的探索，一定会让本书的内容极具价值和启发性。