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Relativistic Time Dilation in GPS Satellites

Physical Foundations, Mathematical Derivation, and Receiver-Side Implementation

Titre: Relativistic Time Dilation in GPS Satellites

Essai , 2026 , 20 Pages , Note: 1

Autor:in: Michael Horner (Auteur)

Physique
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Résumé Résumé des informations

Global Positioning System (GPS) positioning is fundamentally a time-transfer problem. A receiver estimates its position by comparing the transmission and reception epochs of radio signals from several satellites whose orbital states and clock corrections are broadcast in the navigation message. Because the satellites move at approximately 3,9 km/s and orbit in a gravitational potential that differs substantially from the terrestrial reference geoid, their atomic clocks do not accumulate proper time at the same rate as clocks on or near the Earth. Special relativity predicts a motion-related slowing of roughly 7.2 microseconds per day, whereas general relativity predicts a gravitational speeding of roughly 45.7 microseconds per day in a simplified spherical-Earth model. The operational GPS reference-rate adjustment is approximately 38.6 microseconds per day, corresponding to a fractional frequency pre-offset of about -4.4647 x 10^-10. If this secular effect were ignored, the equivalent range discrepancy would grow by roughly 11.6 km per day.

This article develops the result from the Lorentz factor and the weak-field gravitational redshift, explains the distinction between proper time and coordinate time, and connects the physics to the algorithms implemented in a navigation receiver. Particular attention is given to the broadcast satellite clock polynomial, the periodic eccentricity correction specified in IS-GPS-200, the Sagnac correction caused by Earth rotation, coordinate-frame handling, week-crossover logic, and software verification. The article also places relativity within the wider GNSS measurement model, which includes atmospheric delay, satellite ephemeris and clock uncertainty, multipath, receiver noise, and geometry. The goal is not to report new experimental results but to provide a technically accurate bridge between relativistic physics and implementable software engineering.

Résumé des informations

Titre
Relativistic Time Dilation in GPS Satellites
Sous-titre
Physical Foundations, Mathematical Derivation, and Receiver-Side Implementation
Université
University of Applied Sciences Rosenheim  (Informatik)
Note
1
Auteur
Michael Horner (Auteur)
Année de publication
2026
Pages
20
N° de catalogue
V1745256
ISBN (PDF)
9783389201381
ISBN (Livre)
9783389201398
Langue
anglais
mots-clé
GPS GNSS Time Dilation Computer Science Satellite Navigation
Sécurité des produits
GRIN Publishing GmbH
Citation du texte
Michael Horner (Auteur), 2026, Relativistic Time Dilation in GPS Satellites, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1745256
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Extrait de  20  pages
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