GPS卫星原子钟和原子频标介绍
原子钟——精选推荐
原⼦钟利⽤原⼦的⼀定共振频率⽽制造的精确度⾮常⾼的计时仪器。
是世界上已知最准确的时间测量和频率标准，也是国际时间和频率转换的基准，⽤来控制电视⼴播和全球定位系统。
现在⽤在原⼦钟⾥的元素有氢、铯、铷等，最好的铯原⼦钟精度可以达到每500万年相差1秒。
现在的世界标准时间，即是由原⼦钟报时的协调世界时。
环球⽹：由于格林尼治标准时间跟不上计算机时代的发展，今后⼈们可能将以原⼦钟标准时间为准。
原⼦钟以原⼦共振频率标准来计算及保持时间的准确，是世界上已知最准确的时间测量和频率标准，也是国际时间和频率转换的基准，⽤来控制电视⼴播和全球定位系统卫星的讯号。
原⼦钟⾥的元素有氢、铯(sè)、铷(rú)等。
最好的铯原⼦钟精度可以达到每500万年相差1秒。
这为天⽂、航海、宇宙航⾏提供了强有⼒的保障。
[1]原⼦钟直到20世纪20年代，最精确的时钟还是依赖于钟摆的有规则摆动。
取代它们的更为精确的时钟是基于⽯英晶体有规则振动⽽制造的，这种时钟的误差每天不⼤于千分之⼀秒。
即使如此精确，但它仍不能满⾜科学家们研究爱因斯坦引⼒论的需要。
根据爱因斯坦的理论，在引⼒场内，空间和时间都会弯曲。
因此，在珠穆朗玛峰顶部的⼀个时钟，⽐海平⾯处完全相同的⼀个时钟平均每天快三千万分之⼀秒。
所以精确测定时间的唯⼀办法只能是通过原⼦本⾝的微⼩振动来控制计时钟。
[2]1945年，哥伦⽐亚⼤学物理教授Isidor Rabi建议采⽤他在⼆⼗世纪三⼗年代开发的原⼦束磁共振法制造时钟。
1949年，国家标准局（NBS，现称美国国家标准技术协会，简称NIST）宣告开发了全球第⼀台将氨分⼦⽤做振荡源的原⼦钟；1952年，该机构宣告开发了第⼀台将铯原⼦⽤做振荡源的原⼦钟，即NBS-1。
1955年，英国国家物理实验室制造出了第⼀台可⽤做振荡源的铯束原⼦钟。
在其后的⼗年中，越来越多的先进时钟相继问世。
1967年，第13届度量衡⼤会在铯原⼦振荡技术的基础上制定了SI秒，从此，全球的计时系统不再以天⽂学技术为基础。
GPS北斗卫星时钟源（NTP网络时间源）技术参数详解
GPS北⽃卫星时钟源（NTP⽹络时间源）技术参数详解GPS北⽃卫星时钟源（NTP⽹络时间源）技术参数详解GPS北⽃卫星时钟源（NTP⽹络时间源）技术参数详解京准电⼦科技官微——ahjzsz1、有关时间的⼀些基本概念：时间与频率之间互为倒数关系，两者密不可分，时间标准的基础是频率标准，由晶体振荡器决定时间的精度。
4种实⽤的时间频率标准源包括晶体钟、铷原⼦钟、氢原⼦钟和铯原⼦钟。
常⽤的时间坐标系：世界时（UT）、地⽅时、原⼦时（AT）、协调世界时（UTC）、GPS时时钟源技术时钟振荡器是所有数字通信设备中最基本的部件，时钟源技术可以分为普通晶体时钟、⾼稳定晶振、原⼦钟和芯⽚级原⼦钟。
锁相环技术锁相环技术是⼀种使得输出信号在频率和相位上与输⼊信号同步的电路技术，利⽤锁相环技术进⼊锁定状态或者同步状态后，系统的振荡器输出信号与输⼊信号之间的相差为零。
锁相环技术是时钟同步的核⼼技术。
模拟锁相环由检相器、环路滤波器和压控振荡器3个部分组成。
⽽数字锁相环中的误差控制信号使⽤离散的数字信号，⽽不是模拟电压。
智能锁相环路技术，即直接数字频率合成（DDS-Digital Direct Frequency Synthesis）技术，在单⽚FPGA中就可以实现。
2、GPS时间是怎样建⽴的？为了得到精密的GPS时间，使它的准确度达到<100ns（相对于UTC（USNO/MC））：◆每个GPS卫星上都装有铯⼦钟作星载钟；◆ GPS全部卫星与地⾯测控站构成⼀个闭环的⾃动修正系统；◆采⽤UTC（USNO/MC）为参考基准。
GPS定位、定时和校频的原理 （1）GPS定位原理：是基于精确测定GPS信号的传输时延（Δt），以得到GPS卫星到⽤户间的距离（R） R=C×Δt -----------------------[1]（式中C为光速）同时捕获4颗GPS卫星，解算4个联⽴⽅程，可给出⽤户实时时刻（t）和对应的位置参数（x、y、z）共4个参数。
卫星导航定位系统工作原理
我们看到在上一节中看到至少要利用3颗卫星才能计算出位置。
数学上的创意：
原子钟
/AMuseum/time/index.htmlNPL：铯：计时技术小史文/Justin Rowlatt铯中心：位于科罗拉多州的信号中继站，原子钟时间信号从这里传到美国的千家万户。
作为一个化学元素，铯实际上已经重新对时间进行了定义。
自小时候到现在，在各种场合你都被告知准时很重要。
现在，有了铯原子，全世界各个地方的时间都能保持准确，准确到让我们感到需要重新思考时间是什么。
而且我们发现计时技术中存在一个奇怪的缺陷。
事实上是在近些年来人们才意识到准确及时的重要性。
并不是我们的祖先不需要知道时间，他们当然需要。
几千年来，人类制造出多种多样精致的仪器来衡量时间的流逝。
但事实是直到175年前，在那之前的几千年里，人们对于时间的定义来源都是太阳。
不管走到哪里，你总能认出什么时候是正午。
晴天里只要看一眼天空或者看一下日晷，你就能知道时间。
这一切随着世界上第一条铁路线的开通而改变了，这第一条铁路就在这里，在我们英国。
在那之后人们都知道伦敦的正午比布里斯托（Bristol）的正午早10分钟，这是一个精确的值，它是阳光走过两座城市之间的经度差所需要的时间。
计时系统出现错误导致的将不只是乘客会误车。
由于计时偏差导致的危险事件甚至火车事故越来越多。
1840年11月，英国西部铁路公司（Great Western Railway）解决了这一问题，他们使用了一个叫“铁路时间”（Railway Time）的计时系统。
系统内所有城市的时间都是伦敦时间，这是第一次人们根据一个标准将不同地点的时间同步起来。
此举引起了很大争议。
突然间，皇家格林尼治天文台（Royal Observatory）就可以从遥远的格林尼治控制你的时间系统。
埃克赛特大学的校长拒绝将学校大教堂的时钟调整至英国西部铁路公司所要求的时间。
布里斯托采用了一个折中的方案：时钟上有两个分针，一个显示当地时间，一个显示“铁路时间”。
这座钟位于布里斯托，钟上仍旧有两根分针，两者表示的时间相差十分钟然而“铁路时间”逐渐成为了英国很多地方的时间标准，而且在世界上其他后来修建铁路的地区大多数都采用了“铁路时间”的标准。
原子钟概述
第2章原子钟概述2.1原子钟的定义原子钟，是一种利用原子、分子能级差为基准信号来校准晶体振荡器或激光器频率，以使其输出标准频率信号的一种装置。
它利用原子能级跃迁产生的光信号，通过光电转化、信号处理后获得用来修正晶振或激光器频率的负反馈纠偏信号，使其输出稳恒振荡频率，这种输出频率可以用来精确计量时间。
根据采用的原子种类和技术手段的不同，原子钟可以分为很多种。
因为特定原子能级之间的能极差是很稳定的，所以原子钟的准确度很高，可以达到千万年仅差一秒或者更高的水平。
2.2原子钟的发展历程在原子钟出现以前，最准确的计时工具是以晶体振荡器为代表的电子钟表和挂钟为代表的机械力学钟表，它们几乎可以满足人们的如常生活需要，但是在对计时准确度要求较高的科研或生产领域还是不能满足要求。
原子钟的发展，最早可以追溯到1938年，美国哥伦比亚大学的拉比（Rabi）和他的学生发明了分子束磁共振技术。
他们用磁共振技术观察到了原子超精细能级间的跃迁，指出当一束原子通过一个振动的电磁场时，电磁场的振动频率越接近超精细能级间的跃迁频率，原子从电磁场吸收的能量就会越多，从而使更多原子跃迁。
他们由此提出应用反馈回路可以调节电磁场的振动频率，直到所有原子都可以跃迁。
这就是实现原子钟的基本理论基础。
通过使电磁场振动频率与原子精细能级跃迁频率共振，用电磁场的共振频率调节晶体振荡器的频率，就能使晶振频率严格跟随电磁场振动频率，实现频率输出的准确性和稳定性。
再通过相应的控制、调节系统，就能使晶振输出准确、稳恒的振动频率，用这个频率为基准，就可以实现精确时。
1949年，在美国诞生了以氨分子为样品的世界上第一台原子钟，其输出频率为23.8GHz。
与当时最精确的石英钟相比，它已经相当精确了。
但是它由众多器件构成，体型巨大，对于大应用领域来说，实用性不强。
1955年，在英国国家物理实验室建成了第一台铯原子钟。
1960年，拉姆齐(N．Ramsey)等人成功研制出第一台氢原子钟，通常人们把它叫做氢微波激射器（H maser）。
GPS卫星原子钟和原子频标介绍
GPS卫星原⼦钟和原⼦频标介绍原⼦钟最早是⽤来探索宇宙本质的，并不是⽤来计时的，直到科学家在研究原⼦和原⼦核基本特性过程时，才发明了的技术，这项技术可以测量出原⼦的⾃然共振频率，⽽⾃然共振频率的准确性⾮常⾼，特别适合制作⾼精度时钟，这样原⼦钟成为了研制⾼精度时钟的基础。
在时间计时领域，钟表是⼈们⽇常使⽤的计时⼯具，精度每天每年都存在有误差，这对于⼈们⽇常使⽤已经⾜够了，但在时间精度要求更⾼的⽣产和科研领域就不能满⾜了。
为了解决对精度要求很⾼的领域⼈们制造了原⼦钟，之后根据原⼦钟原理相继发明了铯原⼦钟、氢原⼦钟和，其中铯原⼦钟精度最⾼常应⽤于GPS北⽃等卫星系统中。
铯原⼦钟运⽤内部电⼦在两个能级间跳跃辐射出的电磁波为标准，从⽽控制校准电⼦振荡器和钟的计时。
铯原⼦钟稳定程度为2000万年相差1 秒。
氢原⼦钟运⽤原⼦能级跳跃时辐射出的电磁波来控制校准⽯英钟，其稳定度每天变化为⼗亿分之⼀秒。
铷原⼦钟相对其他原⼦更为简便紧凑，铷原⼦钟能使铷振荡器输出频和卫星的信号同步，能提供稳定的频率信号。
原⼦钟可以应⽤于守时⽅⾯，也可以应⽤于频率标准⽅⾯。
在守时⽅⾯⽐如设备SYN2136型北⽃NTP⽹络时间服务器，⾥⾯都内置了守时的铷原⼦钟、驯服铷钟，当设备没有实时的卫星时间信号时，设备内部⽤铷原⼦钟进⾏守时。
SYN3204型GPS北⽃驯服铷原⼦频率标准是由西安同步研制的⾼精度频率标准设备，能溯源同步到GPS卫星上，输出频率信号准确度⾼并能长期稳定输出，该设备可以提供铯钟级的频率标准，并能代替价格较⾼的铯钟，是⼀款⾼性价⽐的时频设备。
SYN3204型GPS北⽃驯服铷原⼦频率标准，以卫星信号为基准提供铯钟级的稳定频率标准。
该设备有10MHz正弦信号输出、1PPS脉冲信号和RS232时间信号，其中10MHz正弦信号输出，也可选择为5MHz和1MHz，频率准确度≤1E-12。
SYN3204型GPS北⽃驯服铷原⼦频率标准能快速锁定信号，并提供稳定可靠的信号，⼴泛应⽤于航空航天、卫星、航海、时频计量、同步⼴播、测控、通信、天⽂、⽓象等⾏业。
GPS卫星定位系统简介
第20卷第1期2010年3月陕西国防工业职业技术学院学报Journal of Shaanxi Institute of TechnologyVol 120No 11Mar .2010收稿日期:2009-12-09作者简介:毛敏(1976-),女,陕西西安人,助教,主要从事电子控制、通讯方面的教学和研究工作。
GPS 卫星定位系统简介毛 敏(陕西国防工业职业技术学院电子工程系,陕西西安 710030)摘 要:本文简单介绍了GPS 卫星定位系统的组成、工作原理、应用及如何选购GPS 相关产品。
关键词:GPS ;卫星星历;星载原子钟中图分类号:TN014 文献标识码:A 文章编号:9474-(2010)01-0039-04 1973年12月,美国国防部批准它的陆海空三军联合研制新的卫星导航系统:NAVSTAR/GPS 。
它是英文“Navigation Satellite Timing and Ranging/G lobal Positioning System ”的缩写词。
其意为“卫星测时测距导航/全球定位系统”,简称GPS 。
这个系统向有适当接受设备的全球范围用户提供精确、连续的三维位置和速度信息,并且还广播一种形式的世界协调时(U TC )。
GPS 提供两种服务:标准定位服务(SPS )和精密定位服务(PPS )。
PPS 是指定为美国核准的军方用户和选定的政府部门用户使用的,接入GPS PPS 是通过加密机制而受控的。
而SPS 是指定为民用社团使用的,它所提供的预测精度与PPS 相比有较大的差距。
但对SPS 的使用未设任何限制,对于全世界的所有用户SPS 均是可用的。
全球四大GPS 系统:美国GPS ,由美国国防部于20世纪70年代初开始设计、研制,于1993年全部建成。
1994年,美国宣布在10年内向全世界免费提供GPS 使用权,但美国只向外国提供低精度的卫星信号;欧盟“伽利略”,1999年,欧洲提出计划,准备发射30颗卫星,组成“伽利略”卫星定位系统;俄罗斯“格洛纳斯”,尚未部署完毕。
北斗卫星铷原子钟原理
北斗卫星铷原子钟原理
北斗卫星铷原子钟的原理是基于“光-微波双共振”原理设计的。
这种原子
钟的核心在于对原子能级进行精确控制和测量，以确定时间。
在铷原子钟中，原子信号的强弱与物理系统的两个主要部件相关，一个是激励光共振信号的光谱灯，另一个是激励微波共振信号的微波腔。
光谱灯的作用是将原子从低能级抽运到高能级，类似于抽水机的工作原理。
铷原子中的高能级原子不会自动回到低能级，因此需要用微波场去激励，使它们能够回到低能级。
通过控制和测量这些能级的转换，可以确定非常精确的时间。
因为这种转换是高度稳定的，所以铷原子钟的精度和稳定性都非常高，可以达到纳秒级别。
在北斗卫星中，这种铷原子钟被用来提供精确的时间服务。
地面用户可以通过接收北斗卫星的信号，获取由卫星时钟提供的精确时间信息。
然而，信号在传输过程中会受到各种因素的影响，如空间大气层、地球自转和卫星运动等，因此需要对信号进行修正和校正，以确保时间服务的精确度和稳定性。
总的来说，北斗卫星铷原子钟通过控制和测量原子的能级转换来确定时间，其高精度和稳定性为各行业提供了准确的时间服务，如海洋渔业、航空航天、交通运输和电力能源等。
GPS原理与应用复习重点
GPS原理与应用复习重点1.子午卫星系统释义：美国海军研发、开发、管理的第一代卫星导航定位系统，又称海军卫星导航系统。
原理：多普勒测量局限性：①.一次定位所需时间过长；②.不是一个连续、独立的导航系统；③.测量所需时间长，作业效率偏低；④.定位精度偏低。
2.SA技术（政策）——选择可用性释义：美国政府从其国家利益出发通过降低广播星历精度（ε技术）和使卫星钟频快速变化（δ技术）等方法，人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。
3.AS技术（政策）——反电子欺骗释义：在P码上加上严格保密的W码，使其模二相加产生完全保密的Y码。
这是美国国防部为防止敌对对P码进行电子欺骗和干扰而采取的一种措施，仅在特殊情况下启动。
4.全球卫星导航系统（GNSS）组成：①.美国——GPS；②.俄罗斯——GLONASS；③.欧盟——Galieo。
5.北斗卫星导航定位系统性质：区域性的有源导航系统。
特点：投资小；建成快；具有一定的通信能力。
组成及功能：①.空间部分：由2～3颗地球同步卫星组成。
负责完成地面中心控制站与用户终端之间的双向电信号中转。
②.地面中心站：连续发射无线电信号，接收用户终端的应答信号，完成所有用户定位数据的处理和交换工作，并将计算结果发给各个用户。
是整个导航系统的中枢。
③.用户终端：接收经卫星转发的来自地面中心站的测距信号，注入相关信息后，用上述频率向卫星发出应答信号，再由卫星转给地面中心站，以进行信号传播时间的量测和定位导航计算。
工作原理及作业流程：①.地面中心站向一颗卫星发射信号，卫星将该信号放大后再发给用户；②.用户终端接收到转发的信息后发出应答信号，分别经两个卫星中转传回地面中心站；③.地面中心转在接收到卫星中转的应答信号后，即可求出中心站→卫星1→用户→卫星1→中心站和中心站→卫星1→用户→卫星2→中心站的传播时间和距离。
由于中心站和两个卫星的位置是已知的，于是可以求出两个卫星分别到用户的距离，采用距离交会法能求出用户的平面位置；④.地面中心站再通过卫星将计算结果传给用户。
各种时钟体的说明(同步时钟网)
原子钟：原子钟，它最初本是由物理学家创造出来用于探索宇宙本质的；他们从来没有想过这项技术有朝一日竟能应用于全球的导航系统上。
根据量子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。
这里电磁能量是不连续的。
当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。
这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。
同一种原子的共振频率是一定的—例如铯133的共振频率为每秒9192631770周。
因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。
30年代，拉比和他的学生们在哥伦比亚大学的实验室里研究原子和原子核的基本特性。
也就是在这里，他们在依靠这种原子计时器来制造时钟方面迈出了有价值的第一步。
在其研究过程中，拉比发明了一种被称为磁共振的技术。
依靠这项技术，他便能够测量出原子的自然共振频率。
为此他还获得了1944年诺贝尔奖。
同年，他还首先提出“要讨论讨论这样一个想法”（他的学生这样说道），也就是这些共振频率的准确性如此之高，完全可以用来制作高精度的时钟。
他还特别提出要利用所谓原子的“超精细跃迁”的频率。
这种超精细跃迁指的是随原子核和电子之间不同的磁作用变化而引起的两种具有细微能量差别的状态之间的跃迁。
在这种时钟里，一束处于某一特定“超精细状态”的原子束穿过一个振荡电磁场。
当原子的超精细跃迁频率越接近磁场的振荡频率，原子从磁场中吸收的能量就越多，从而产生从原始超精细状态到令一状态的跃迁。
通过一个反馈回路，人们能够调整振荡场的频率直到所有的原子完成了跃迁。
原子钟就是利用振荡场的频率即保持与原子的共振频率完全相同的频率作为产生时间脉冲的节拍器。
人们日常生活需要知道准确的时间，生产、科研上更是如此。
人们平时所用的钟表，精度高的大约每年会有1分钟的误差，这对日常生活是没有影响的，但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。
原子钟原理在GPS上的应用
原子钟原理在GPS上的应用1. 简介原子钟是一种高度精确的时间测量设备，它通过测量原子的振荡频率来确定时间。
在全球定位系统（GPS）中，原子钟被广泛应用于精确的时间同步和位置测量。
2. GPS系统概述GPS是由美国国防部开发的一种卫星导航系统，它通过一组卫星和地面控制站共同工作，提供全球范围内的位置和时间信息。
GPS系统的核心是原子钟。
3. 原子钟原理原子钟利用原子的精确振荡频率来测量时间。
最常用的原子钟是基于铯原子或铷原子的钟摆。
这些原子钟利用微波辐射与原子的共振相互作用来测量时间。
4. 原子钟在GPS中的应用原子钟在GPS中具有重要作用，主要体现在以下几个方面：4.1 时间同步在GPS系统中，原子钟用于卫星和地面控制站之间的时间同步。
精确的时间同步是确保GPS系统正常运行的关键因素之一。
原子钟提供了高度准确的时间参考，使得GPS系统中的各个组件能够进行精确的时间同步，确保卫星之间的数据传输和地面控制站的指令传递的准确性。
4.2 距离测量GPS系统基于距离测量原理来定位用户的位置，而原子钟的高精确度是实现准确距离测量的关键因素。
由于信号的传播速度是已知的，计算信号传输时间可以精确测量出用户与卫星之间的距离，进而确定用户的位置。
原子钟提供了准确的时间信息，确保距离测量的精确性。
4.3 修正卫星轨道GPS系统中的卫星轨道需要不断进行修正和校准，以确保定位的准确性和可靠性。
原子钟提供了高精度的时间参考，能够对卫星的位置和速度进行精确计算，从而修正卫星轨道上的偏差，保持卫星运行的稳定性。
4.4 系统故障检测原子钟可以用于检测GPS系统中的时钟故障。
由于原子钟的高精确性，任何时钟偏差或故障都可以通过与原子钟进行对比来检测和纠正。
这有助于提高GPS系统的稳定性和可靠性。
5. 结论原子钟在GPS系统中起着关键作用，通过提供精确的时间参考，实现了GPS系统的时间同步、精确的距离测量、卫星轨道修正和时钟故障检测等功能，从而提高了GPS系统的定位精度和稳定性。
原子钟的精确值
原子钟的精确值
一、引言
原子钟是目前最精确的时间测量工具，其精确度高达每秒钟误差不到一秒。
本文将深入探讨原子钟的精确值。
二、什么是原子钟？
1. 原理：利用原子的振荡频率作为时间标准。
2. 原子钟分类：
（1）氢原子钟：利用氢原子的超精细结构线作为频率标准。
（2）铷原子钟：利用铷原子的基态与第二激发态之间跃迁所产生的微波辐射作为频率标准。
（3）铯原子钟：利用铯133同位素基态与第一激发态之间跃迁所产生的微波辐射作为频率标准。
三、如何保证原子钟的精确度？
1. 稳定性：保持温度稳定，避免外界干扰。
2. 精度：使用高质量的晶体管、电容器等元器件，以及高品质的电源和时钟信号。
3. 参考信号源：使用GPS等全球卫星导航系统提供参考信号源，以保证时间同步。
四、与其他时间测量工具相比，原子钟有何优势？
1. 精确度高：误差不到一秒。
2. 稳定性好：不受温度、压力等外界因素的影响。
3. 可追溯性强：时间标准由国家授权机构统一制定，可追溯到国际原子时。
五、原子钟在哪些领域应用广泛？
1. 通信领域：保证通信设备之间的时间同步。
2. 导航领域：提供精确的时间参考，以确定位置和速度。
3. 科学研究领域：提供高精度的时间标准，以研究宇宙演化、地球物理学等领域。
六、结论
原子钟是目前最精确的时间测量工具，其精确度高达每秒钟误差不到一秒。
为保证其精确度，需要保持稳定性、使用高品质元器件和参考信号源。
原子钟在通信、导航和科学研究等领域应用广泛。
卫星原子钟的原理和应用
卫星原子钟的原理和应用一、卫星原子钟的原理卫星原子钟是卫星导航系统中的核心部件，它通过精确测量原子的振荡频率来标定时间。
卫星原子钟的原理基于原子的稳定性，主要包括以下几个方面：1.物理原理卫星原子钟一般采用铷原子或氯原子作为基本振荡器。
这些原子通过外部的激光或微波信号进行激发，进而在特定的频率下进行振荡。
利用原子的振荡频率可以准确地计量时间。
2.原子钟的构成卫星原子钟由振荡器、控制电路和反馈电路组成。
振荡器负责产生精确的振荡信号，控制电路用于调节振荡器的频率，而反馈电路则负责监测和修正振荡器的频率稳定性。
3.原子钟的工作原理卫星原子钟通过不断地激发原子，并测量其振荡频率的变化来计算时间。
一般情况下，卫星原子钟的振荡频率非常稳定，可以达到纳秒级的精度。
为了提高精度，卫星原子钟通常采用温度控制系统来保持恒定的工作温度。
二、卫星原子钟的应用卫星原子钟在现代导航系统中发挥着重要的作用，具有以下几个方面的应用：1.导航定位卫星原子钟是全球定位系统（GPS）中的重要组成部分，利用多颗卫星原子钟发射的信号进行三角定位，可以精确地确定接收器的位置和时间。
通过卫星原子钟的高精度时间标定，可以实现亚米级的定位精度。
2.精密测量卫星原子钟的高精度时间标定为精密测量提供了便利。
例如，在地质勘探、测绘制图以及科学实验等领域，卫星原子钟可以提供纳秒级的时间同步，确保测量结果的准确性。
3.时间标准卫星原子钟通过精确测量原子的振荡频率，可以提供高精度的时间标准。
这对于金融交易、科学实验和通信网络等需要时间同步的领域非常重要。
4.天文观测卫星原子钟可以提供极高的时间精度，对于天文学研究有着重要的意义。
在观测恒星、行星运动以及黑洞等天文现象时，卫星原子钟可以提供准确的时间标定和测量结果。
三、总结卫星原子钟通过精确测量原子的振荡频率来标定时间，具有高精度和稳定性的特点。
它在导航定位、精密测量、时间标准和天文观测等领域发挥着重要作用。
原子钟频率标准
安
排
1. 钟的工作原理 2. 仪器常用指标及实现
3. 相关产品介绍
4. 其它竞争产品比较 5. 总结
主要时间频率标准产品
• 氢钟： – Kvarz CH1-90A CH1-75A Ch1-76A – VCH 1003M 1006 – Symmetricom MHM 2010 – T4 Science iMaser 3000 – OSA 3700 PHM – 上海天文台 SOHM-4
带铷钟的6689 高稳恒温晶振的6688
高稳定度频率标准6688和6689
特点 振荡器类型
标准的频率输出
6688 高稳恒温晶振 OCXO
5x 10 MHz 1x 5MHz
6689 铷钟
5x 10 MHz 1x 5MHz
可选择的频率输 10x 10 MHz
出
1x 5MHz
10x 10 MHz 1x 5MHz
行滤除后照射进入谐振泡。
利用光抽运技术使得谐振泡
中的铷87发生能级跃迁。调
整微波腔的频率，当光电转 换电路的输出电流达到最大
超精细滤光 谐振泡 灯泡
的时候可得到铷的共振频率。
信号 光电检测
GPS的工作原理
GPS系统操作原理为:每 一颗卫星不断发射包含其位 置和精确到十亿分之一秒的 时间的数字无线电信号。 GPS的接收装置接收到来自 于四颗卫星的信号，然后计 算出在地球上的位置。接收 装置将接收时间与卫星发射 的时间进行比较，通过二者 之差计算出远离卫星的距离。 通过比较这个时间与其他三 个已知位置的卫星的时间， 接收装置便能够确定经纬度 及海拔高度。
• 发送系统 – 卫星无线电系统 • GPS, GLONASS, 伽利略 – 地面无线电系统 • Loran-C, DCF-77 – 光纤同步系统 • E1, T1 (SSU)
基于GPS的原子频标核查装置设计
核查。这种方案需要两个单位共 同协作来完成 ， 数据处
《 计量与溺字滤 波 ， 滤波 后 的数 据进 行 实 时最 小 二乘 法线 性 拟 对
式 中 ： ～ 为 前 一 时差 的平 均 值 ； ７一 为 后 一 时 △ｌ △＂ ２
差 的平 均值 ； 一 为 测 量 两 次 时差 的 时 间 间隔 。处 理 器 ｒ
合 ， 时 间 间隔的积 累对 时间的导 数— — 频率偏差 ， 计算 计 算频 率修 正量 对 应 的 铷 钟控 制 电压 ， 过 Ｄ 通 Ａ转 换 器转 换成 为铷 钟 的控 制 电压 ， 以保持铷 钟输 出频 率 的准 确度 ， 使铷 钟 的频率 锁定在 Ｇ Ｓ 。 Ｐ上 锁定后 的铷 钟信 号 和被 核 查 的铯 钟 信号 ， 同时进 入
Ｉ ： ｆ
案 ， 种采用 级别 相 同 、 术指 标 相 近频 率 标 准 ， 一 技 见框 图 １对 铯原 子频 率标 准 ， 采 用 另外 一 套 铯原 子 频 率标 准 ， 需
构成核 查装 置完 成对其 核查 。 由于核查 标准 的技术 指标 与被 核查对象 一致 ， 因此 ， 种 方案 具 有 原理 简 洁 、 查 这 核
计算单元、 高分辨率 Ｄ Ａ转换器单元 、 放大隔离单元和铷
钟构 成 数 字 锁 相 环 ， 字 锁 相 环 使 铷 钟 的 脉 冲 信 号 与 数
Ｇ Ｓ脉 冲信 号 同 步。控 制 器 采 用 嵌 入 式 微 处 理 器 Ｐ
Ｃ０ １１０对测 量 的带 有 Ｇ Ｓ抖 动 的时 间间隔 信号进 行 ８５Ｆ２ ， Ｐ
可靠性 好 的特点 ， 是 系统构 成复 杂 ， 本高 。 但 成
嵌
精密 ｌ块 控有 莫 忤
ｒ— 铷原 子 频率 标准
[惯性技术之窗] 芯片级原子钟(CSAC)——目前最小军民两用原子钟(二)
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[惯性技术之窗] 芯片级原子钟（CSAC）——目前最小军民两用原子钟（二）（继续）世界上首款芯片级原子钟CSAC SA.45 CSAC SA.45s采用CPT现象解调原子频率，并通过新颖的电子结构，实现了小型化和低功耗的芯片级原子钟。
SA.45s 电路系统包含低功耗数字信号处理器、高分辨率微波合成器和模拟信号处理。
微波输出源自可调谐的晶体振荡器，并施加到物理表头内的激光上，以便产生CPT 解调所需的两个边带。
在通过铯蒸汽原子气室后，光电探测器检测发射过来的激光。
基于所测量的原子响应，微处理器调整了晶体振荡器的频率。
物理系统（图10）中包含了“中心叠层”和“热绝缘系统”。
中心叠层包含VCSEL、原子气室和光电二极管。
从VCSEL发出的激光在通过原子气室前，会因为通过单元间隔柱而发散，并在光电探测器上被检测。
图10 CSAC SA.45s物理表头及在电路系统中的位置热绝缘系统的功能主要是支撑中心叠层，同时为周围环境提供高度的隔热，最大限度地减小所需要的加热器功率。
热绝缘系统包含上下悬架和真空封装。
真空封装消除了由于气体导热和对流而产生的热损失。
通过悬架设计，使导热造成的热损失减少到最小。
上下悬架由一层薄的聚酰亚胺薄膜制成，带有金属图案导线，可与中心叠层来回发送信号。
中心叠层需要悬挂在两个聚酰亚胺“圆柱头”之间。
这种结构非常牢固，能够承受超过1000g （1ms 半正弦波的机械冲击，并提供极高的热阻（>5000℃/W）。
此外，将电气连接图案印在聚酰亚胺上，无需机械支持，因此它们的尺寸由电气要求而不是机械要求来确定，从而减少了由于热通过连接传导而产生的热负荷。
芯片级原子钟的应用鉴于芯片级原子钟的性能基准，目前“最适合”芯片级原子钟的应用将是：海底地震感测。
在海底地震感测技术中，多种水下传感系统都依赖于精确定时的有效性。
由于在水下难以从GPS 获得精确的时间，因此这类传感器通常会依赖于恒温晶振，用以从传感器内获得稳定和准确的时间戳。
gps卫星铷原子钟在中电25所的成功案例
gps卫星铷原子钟在中电25所的成功案例2017年年末，西安同步电子自主研发生产的gps卫星铷原子钟在中国电子集团第25所的成功使用。
为25所提供标准的频率源，为后续的科研工作提供了必不可少的基准源。
前言时间频率标准分为一级频率标准、二级频率标准。
现代多以实验室铯束频率标准、铯原子喷泉频标为一级频率标准，一级频率标准根据秒的定义、通过实验测量和理论计算，估计出各种已知因素引起的频率偏差的数值，并给出估算的不确定度，定出频标的准确度。
虽然一级频率标准有很好的长期稳定度和准确度，但是其使用条件苟刻，维护成本高，而且售价昂贵，因而只能使用在一些有条件的实验室中。
二级频率标准中的铷原子频标价格较为低廉，是使用最广泛的频率标准设备，同时输出频率具有较好的的频率稳定度和频率准确度指标。
目前，许多工程应用领域对时间频率提出了高精度的要求，例如智能电网、数字移动通信网和无源定位系统等。
但是，铷原子频标的频率不够准确，频率被校准后还会随着时间缓慢漂移，因而并不能满足高精度的时间同步的要求。
最近二十年，随着美国的全球卫星导航系统的不断现代化、俄罗斯的、欧洲的系统，以及中国正在全面部署的北斗卫星导航系统的迅猛发展，通过导航卫星将守时实验室的时间频率的准确度传递到远端的用户已经非常易实现，或者说这种技术大范围应用的条件己经非常成熟，已经能够提供廉价并且性能优越的时间频率产品。
而小型铷原子频标，因为其功耗低、体积小、价格低廉、抗恶劣环境能力出众，并且具有较好小型伽原子频标的时间应用研究旳中短期稳定度，可以显著消除时间在传递路径中引入的中短期稳定度的恶化，能很好的完成用户端的时间频率的传递和保持功能。
因而，通过授时设备将守时实验室的标准的时间频率的准确度传递给小型铷原子频标，最终提高用户端的时间同步精度将成为一种很好的选择。
gps卫星铷原子工作原理gps卫星接收机能够提供非常好的频率长期稳定度和准确度，恰好能够补偿铷原子频标的频率漂移和频率准确度差的缺点。
原子钟的几种常见类型
原子钟的几种常见类型时间2021.03.10 创作：欧阳治摘要本文按出现的时间顺序介绍几种常用原子钟(光谱灯抽运铷原子钟、光谱灯抽运铯原子钟、磁选态铯原子束钟、激光抽运铯原子束钟、激光冷却冷原子喷泉钟、积分球冷却原子钟)的基本原理。
原子钟是利用原子或分子的能级跃迁的辐射频率来锁定外接振荡器频率的频率测量标准装置的俗称，通称为量子频率标准或原子频标。
其工作原理可用图1来描述：图1一个受控的标准频率发生器产生的信号经过倍频和频率合成转换成为频率接近于原子跃迁频率的信号，激励原子产生吸收或受激发射的频率响应信号，呈共振曲线形状，称为原子谱线，其中心频率即原子跃迁频率为，线宽为Δν。
若经过转换的受控振荡器频率与原子跃迁频率不符，原子做出的响应信号通过伺服反馈系统来矫正振荡频率，直到使其与原子频率符合为止。
这样就使受控振荡器频率始终稳定在原子跃迁频率上，从而实现使其振荡频率锁定于原子跃迁频率的目的。
光谱灯抽运铷原子钟光抽运汽室频标用碱金属原子基态两个超精细结构能级之间跃迁的辐射频率作为标准频率，它处在微波波段。
在磁场中，这两个能级都有塞曼分裂，作为标准频率的跃迁是其中两个磁子能级=0之间的跃迁，它受磁场影响最小。
若用合适频率单色光照射原子系统，使基态一个超精细能级上的原子被共振激发，而自发辐射回到基态时可能落到所有能级，原子就会集中到一个基态能级，极大地偏离玻尔兹曼分布，这就是光抽运效应。
这里选择抽运光起着关键作用。
在20世纪60年代初，激光器刚发明尚无法利用，唯一可用的共振光源是光谱灯。
一般光谱灯是由同类原子发光，它的光谱成分能使基态两个超精细能级上的原子都被激发，因而不能有效地实现选择吸收，起到光抽运作用。
幸好对铷原子，可以有一个巧妙的办法。
铷原子有两种稳定同位素：和，其丰度分别为72. 2%和27. 8%。
它们各有能级间距为3036MHz和6835MHz的两个超精细能级，其共振光的频率分布如图2所示。
gps时间原理
gps时间原理
GPS时间是指全球定位系统（GPS）卫星中的原子钟所显示的时间。
GPS卫星通过发送信号到地面接收器上的定位设备，
来确定地球上的位置和时间。
在GPS系统中，时间是一项非
常关键的因素，因为它需要提供高精度的位置信息。
GPS时间的原理可以概括为以下几点：
1.原子钟：GPS卫星上搭载着高精度的原子钟，一般为铷原子钟。
原子钟的稳定性非常高，可以提供非常准确的时间信号。
2.时间戳：每当GPS卫星发送一个信号到地面接收器时，信
号中都包含一个时间戳。
时间戳是一个记录了卫星发送信号时刻的时间信息。
地面接收器接收到信号后会解析该时间戳，并将其与接收到信号的本地时间进行比较。
3.纠正差距：由于GPS卫星上的原子钟与地面接收器上的时
钟可能存在微小的误差，地面接收器需要对这些误差进行纠正。
地面接收器会使用GPS卫星网络中的其他卫星信号来计算出
综合时间误差，并校正接收器的本地时钟。
4.GPS时间标准：GPS系统中有一个参考时间标准，称为GPS 系统时（GPS Time），它是由卫星上的原子钟所提供的精确
时间。
然而，由于GPS设备上的时钟可能存在漂移或不准确
的情况，因此还会有一个本地时钟，称为卫星导航定时（Satellite Navigation Timing，简称SNT）。
通过以上机制，GPS系统可以提供高精度的时间信息，以及
准确的位置信息。
这对于很多应用来说都非常重要，比如导航、时钟同步、地震监测等。
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GPS卫星原子钟和原子频标介绍
原子钟最早是用来探索宇宙本质的，并不是用来计时的，直到科学家在研究原子和原子核基本特性过程时，才发明了磁共振的技术，这项技术可以测量出原子的自然共振频率，而自然共振频率的准确性非常高，特别适合制作高精度时钟，这样原子钟成为了研制高精度时钟的基础。
在时间计时领域，钟表是人们日常使用的计时工具，精度每天每年都存在有误差，这对于人们日常使用已经足够了，但在时间精度要求更高的生产和科研领域就不能满足了。
为了解决对精度要求很高的领域人们制造了原子钟，之后根据原子钟原理相继发明了铯原子钟、氢原子钟和铷原子钟，其中铯原子钟精度最高常应用于GPS北斗等卫星系统中。
铯原子钟运用内部电子在两个能级间跳跃辐射出的电磁波为标准，从而控制校准电子振荡器和钟的计时。
铯原子钟稳定程度为2000万年相差1 秒。
氢原子钟运用原子能级跳跃时辐射出的电磁波来控
制校准石英钟，其稳定度每天变化为十亿分之一秒。
铷原子钟相对其他原子更为简便紧凑，铷原子钟能使铷振荡器输出频和卫星的铯原子钟信号同步，能提供稳定的频率信号。
原子钟可以应用于守时方面，也可以应用于频率标准方面。
在守时方面比如设备SYN2136型北斗NTP网络时间服务器，里面都内置了守时的铷原子钟、驯服铷钟，当设备没有实时的卫星时间信号时，设备内部用铷原子钟进行守时。
SYN3204型GPS北斗驯服铷原子频率标准是由西安同步研制的高精度频率标准设备，能溯源同步到GPS卫星铯原子钟上，输出频率信号准确度高并能长期稳定输出，该设备可以提供铯钟级的频率标准，并能代替价格较高的铯钟，是一款高性价比的时频设备。
SYN3204型GPS北斗驯服铷原子频率标准，以卫星信号为基准提供铯钟级的稳定频率标准。
该设备有10MHz正弦信号输出、1PPS 脉冲信号和RS232时间信号，其中10MHz正弦信号输出，也可选择为5MHz和1MHz，频率准确度≤1E-12。
SYN3204型GPS北斗驯服铷原子频率标准能快速锁定信号，并提供稳定可靠的信号，广泛应用于航空航天、卫星、航海、时频计量、同步广播、测控、通信、天文、气象等行业。
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