实验后可达到的知识水平：
① 深入理解国际单位基准的历史变迁、计量技术的最新国际前沿、7个SI基本单位（秒s、米m、千克kg、安培A、开尔文K、摩尔mol、坎德拉cd）的最新量子定义和复现方法。
② 掌握“秒s”的原子钟物理原理，自行设计搭建守时和远程时间比对实验系统，正确完成测量操作，获取守时和远程时间比对数据；实现复杂数据处理算法，得到自由原子时测量结果。
实验后可达到的能力水平：
③ 自主学习能力、知识类比能力以及良好的实验动手能力。
④ 综合利用“误差理论”等已学知识，提升复杂测量数据处理和分析能力。
⑤ 追踪国际前沿技术，增强热爱本专业、追求精益求精的情怀和精神。
SI基本单位的量子计量虚拟仿真实验——基于原子频标的守时与远程比对实验国家级一流课程
韩韬上海交通大学上线时间：2021年
- 所属专业类：仪器类
- 对应专业：测控技术与仪器
- 课程类型：专业核心课
- 实验类型：研究探索型
所属课程：检测技术
本实验通过时间量子化定义、原子钟原理、守时与比对等环节，虚拟重现“秒”的量子复现和比对、校准全过程。 实验要求借助基于原子频标的守时与远程时间比对原理图，通过设备认知、自主连线等系列互动，完成实验系统搭建、数据测量及误差分析。所见仪器及数据均对标上海市测试计量研究院实际系统。该实验定会让你对国际单位制、量值传递与溯源、不确定度评价等核心概念有全新的理解和认识，有效提升分析与处理复杂工程问题的能力。
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4.9
每日0点更新，完成实验后请前往“个人中心-我的项目-实验评价”中进行实验评价。
- 80人评价
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实验内容
5.0操作系统
4.9支持服务
4.8
共享应用每日0点更新
- 浏览量 4637
- 实验人次 553
实验人次，是指用户参与并完成实验的总人次，同一个用户可以做多次实验，在实验完成后，实验人次会依次累加。"
- 实验人数 393
“实验人数”是指参与实验的用户总人数。注意：
1.同一个用户多次实验，实验人数只统计为1人，不累加；
2.“实验人数”只统计已回传成绩的用户人数总和；
3.“已回传成绩”指学生完成实验后，实验接口成功返回学生实验数据；
4.验证“已回传成绩”的方式：参与实验人员可以在个人中心-我的项目-我的成绩中查看是否可以进行“实验评价”，实验负责老师可以在申报管理-成绩查看中查看是否有学生成绩；
5.共享应用中的所有统计数据均在每日0点～1点更新。
- 实验平均用时 13'
- 实验完成率 100%
“实验完成率”是指完成实验的次数占参与实验总次数的百分比。
- 实验通过率 按人次 83.0%按人数 87.8%
实验通过率”是指实验完成，实验成绩60分及以上的人次和人数占实验总人次和总人数的百分比。
按人次按人数
- 优秀 17.72%
成绩≥85
- 达标 65.28%
60≤成绩<85
- 不达标 17%
成绩<60
实验系统浏览器要求
教学支持热线
团队成员
实验教学目标实验原理实验教学过程与实验方法实验步骤实验结果与结论
（1）实验原理：
本实验以“秒”量子基准——基准实现——比对与校准的教学主线展开，实验内容包括原子频标实验、基于原子频标的守时与远程比对实验。
原子频标实验原理如图3-4-1所示。铯原子钟以|F=3, mF=0>→|F=4, mF=0>的跃迁能级频率作为参考，以磁场与铯原子的Ramsey 作用方式获得原子钟鉴频信号, 从而伺服控制晶体振荡器输出信号的频率, 获得标准频率信号。
原子钟输出频率在理论上只与原子能级有关，不随时间变化。但在实际系统中，各种器件都存在一定的噪声，外界环境也随时间变化，原子之间相互作用等各种因素均将影响原子钟的工作频率。铯束原子钟为了维持频率的稳定性，通常将谐振腔的微波频率锁定在Ramsey谱线特定峰值上。通过虚拟实验交互，观测Ramsey曲线形式和数值仿真特定时间长度的白噪声、闪烁噪声、随机行走噪声，让学生分析影响铯束原子钟短期和长期频率稳定度的主要因素。
图3-4-1
鉴于单个原子钟频率输出存在一定的不确定度，为获取稳定的时间基准，需要由多个原子钟构成原子钟组进行综合测量并与其他原子钟组的测量结果进行比对、校准。这就是基于原子频标的守时与远程比对的基本思想。守时与远程比对实验系统的原理如图3-4-2。在守时测量部分，各原子钟产生高精度、高稳定度的原子跃迁频率信号，其中氢钟1作为主钟经过“时码产生单元”生成秒脉冲信号，为参考信号。氢钟2作为备份钟与主钟处理过程相同。5个铯钟生成的秒脉冲信号均须与参考信号进行钟差运算得到钟差信号，这些钟差信号最后由“综合原子时计算单元”合成得到综合原子时。在远程时间比对部分，除进行守时测量外，还通过卫星共视法将本地原子钟的测量结果与远程高等级参考原子钟进行比对，以比对、校准本地原子钟的测量准确度。要求学生在掌握守时与远程对比原理的基础上，依据提供的设备，自行连线搭建守时与远程比对系统。
图3-4-2
① 守时测量实验进行5min的守时时间测量，由后台记录测量数据。数据处理算法采用国际计量局（BIPM）推荐的自由原子时算法ALGOS，具体描述见图3-4-3。
图3-4-3 ALGOS算法
② 远程时间比对实验首先选择实验室中待比对的一个铯钟，并选择国家级授时中心中的原子钟与之比对。采用卫星共视法测量待校原子钟、参考原子钟与卫星的时差测量结果，测量时间为2min。数据处理算法见图3-4-4。
图3-4-4 远程比对数据处理算法
知识点：
（2）核心要素仿真设计：共 6 个
- 1. SI基本单位定义中基本物理常数
- 2. SI基本单位定义的基本原理
- 3. 秒、米、摩尔、开尔文、千克、坎德拉、安培的量子标准
- 4. 铯束原子频标的工作原理
- 5. 守时系统的工作原理
- 6. 远程时间频率比对的工作原理
① 磁选态铯束原子频标 由铯源、真空泵系统、磁选态模块、谐振腔、信号检测器等构成。该模型展示铯原子磁选态过程：在一定的铯炉温度和铯束腔内真空度下，铯原子经过谐振腔筛选出F=4能级的原子到信号检测器，输出信号经过放大后伺服控制晶体振荡器的频率输出，该输出经过微波综合器后输出相应的频率信号，其频率等于谐振腔微波场的频率。整个系统是一个闭环测量系统，当谐振腔微波场频率等于铯原子跃迁频率时，系统进入稳态。此时，晶体振荡器可稳定地输出频率信号。 ② 铯钟谐振观察实验 按照客观结构建构，信号检测器输出的信号电流大小主要受铯原子浓度、铯炉温度、铯束腔内真空度的影响。模型展示输出信号电流随不同铯炉温度和铯束腔内真空度变化的关系。所用数据采用实际试验数据。利用Matlab仿真软件可以模拟得到一定时间长度内白噪声、闪烁噪声、随机行走噪声。利用Stable32软件模拟噪声类型与稳定度的对比图。 ③ 原子钟房 按照客观结构建构。实际钟房内原子钟对实验环境要求高，钟房采用密闭形式。本实验采用透明形式，便于实验观察。 ④ 守时、时间比对测量设备 按照客观结构建构。各设备之间通过连接线互联。
（1）学生交互性操作步骤：
（2）交互性步骤详细说明：
共14 步
| 序号 | 步骤名称 （100字以内） | 步骤目标要求 （100字以内） | 步骤合理用时 （分钟） | 目标达成度赋分模型 （200字以内） | 步骤满分 | 成绩类型 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 实验知识探究 | 实验前知识预习与探究，为实验操作做知识储备。 | 15 | 探究实验知识，每正确回答1个问题，得1分。 | 12 | |
| 2 | 铯钟谐振观测 | 能够正确测量与观察铯钟谐振曲线。 | 10 | 至少选择5种不同的铯炉温度、铯束管真空度，测量铯原子收集器输出电流值随谐振扫频变化的曲线。正确测量一次得2分。 | 10 | |
| 3 | 铯钟谐振观测结论 | 观察、探究铯炉温度、铯束管真空度对铯钟谐振输出电流幅值的影响。能够正确得出合适的铯炉温度和铯束管真空度。 | 2 | 正确得出合适的铯炉温度，得1分；正确得出合适的铯束管真空度，得1分。 | 2 | |
| 4 | 设备认知与设备连线 | 能够完成守时测量实验的设备认知、认识各设备的性能与作用；能够正确完成设备的连线操作。 | 15 | 完成全部设备认知得3分，完成原子钟及对应设备连线得7×1=7分。 | 10 | |
| 5 | 守时测量 | 通过正确的实验操作，获取守时测量数据。 | 5 | 正确完成测量即可得满分。 | 2 | |
| 6 | 钟差计算 | 正确理解原子钟的测量结果、正确完成钟差计算。 | 5 | 正确计算得满分，否则不得分。 | 4 | |
| 7 | 参考钟、待校钟选择 | 正确理解参考钟、待校钟的含义；正确选择参考钟、待校钟。 | 1 | 正确完成选择得2分。 | 2 | |
| 8 | 远程比对实验设备连线 | 正确理解远程比对实验设备的性能和作用，完成远程时间比对实验设备连线。 | 2 | 正确完成连线得4分。 | 4 | |
| 9 | 远程时间比对测量 | 通过正确的实验操作，获取远程时间比对数据。 | 2 | 正确完成测量即可得满分。 | 2 | |
| 10 | 远程比对钟差数据处理 | 正确理解远程比对实验数据的含义，完成钟差数据处理。 | 4 | 正确计算得满分，否则不得分。 | 4 | |
| 11 | 相对频率计算 | 正确理解相对频率的定义、计算方法，完成相对频率的计算。 | 4 | 正确计算得满分，否则不得分。 | 2 | |
| 12 | 原子钟综合比对 | 正确理解测量结果比对的目的、含义及比对方法，完成原子钟综合比对操作。 | 2 | 正确完成综合比对得满分，否则不得分。 | 2 | |
| 13 | 线下数据处理 | 正确理解守时测量数据和远程比对数据的含义和处理方法，完成数据处理 | 90 | 由学生下载数据进行编程处理和计算。 | 10 | |
| 14 | 实验考核 | 完成对学生实验进行考核、评价 | 10 | 在综合考核每答对1题得1分，完成实验报告生成得2分。 | 10 |
点击实验链接地址（https://ilabs.sjtu.edu.cn/lesson6/User/login/index.html/），以学生身份登录，见图3-6-1(a)。点击开始实验，见图3-6-1(b)，即可进入虚拟仿真实验室（见图3-6-2）。画面的左边为实验菜单栏，通过点击鼠标左键即可进行相应的操作。画面右边为虚拟实验室，通过按住鼠标右键、移动鼠标可以进行三维导航；通过按键盘的上下键可以放大、缩小实验室画面；通过键盘上的字母W、S、A、W键可在虚拟实验室前后左右行走。
(a)
(b)
图3-6-1
图3-6-2
交互操作1：本交互操作探究实验知识，主要通过操作“知识探究”模块中的“SI基本单位”、“SI基本单位关系图”、“铯束原子频标原理”来完成（见图3-6-3）。
图3-6-3
点击菜单栏中“SI基本单位”， 进入各SI基本单位的的定义、发展历史、量子复现等的学习（见图3-6-4）。此模块共分9部分：概述、物理常数、SI年表、7各SI基本单位等，通过点击即可进入学习。
图3-6-4
以SI年表为例，点击即可展示SI历史发展年表（见图3-6-5），通过点击答题，进行问题回答（见图3-6-6）。
图3-6-5
图3-6-6
点击图3-6-4中的其他栏目可进行类似学习。交互操作共包括“概述”、 “SI年表”、7个基本单位等9个子交互操作。
点击菜单栏“SI基本单位关系图”， 显示7个SI基本单位的关系图，如图3-6-7所示。在实验室虚拟行走，点击图3-6-7s中的单位s，对应的球以及相应的物理常数ΔνCs显示为暗红色，同时显示秒的定义，如图3-6-8所示。交互操作共包含7个单位的交互学习子操作。
图3-6-7
图3-6-8
点击菜单栏“铯束原子频标原理”， 可观看磁选态铯热束原子频标工作原理的三维动画演示过程，可以直观地理解铯原子钟的工作过程（图3-6-9）。
图3-6-9
交互操作2：本交互操作观察铯钟谐振的最佳铯炉温度和铯束管真空度，共包含5步子交互操作。点击“知识探究”模块中的“铯钟谐振观测实验”，如图3-6-10，进入实验界面，如图3-6-11。按图3-6-11中所标出得操作次序进行操作，即可测得一条铯原子收集器输出电流值在某一铯炉温度、某一铯束管真空度下随谐振扫频变化的曲线，显示在显示器上。
图3-6-10
图3-6-11 子交互操作1
具体操作说明如下：
① 点击此按钮可开启或关闭显示器，显示器默认为关闭（断电）状态。
② 设置铯炉温度。允许温度值范围为（95~105）℃。为鼓励学生自主学习，在操作过程中并不给出允许温度值范围的相关提示，实验操作者应在实验前预习实验指导书获得允许温度值范围的信息。如果设置的温度值超出范围，将得不到实验结果曲线。
③ 设置铯束管真空度的有效数字部分。允许真空度值范围为（10-6~10-2）Pa。实验操作者应在实验前预习实验指导书获得允许真空度值范围的信息。如果设置的温度值超出范围，将得不到实验结果曲线。真空度值采用科学计数法表示，首先输入有效数字部分。
④ 设置铯束管真空度的10的指数幂部分。注意，第②、③、④步的操作次序可任意。
⑤ 点击“开始测量”，系统开始运行。
⑥ 系统运行结束后，实验结果以曲线的形式显示在显示器上，供实验者观察、判断。
为判断出最佳的铯炉温度和铯束管真空度，上述交互操作至少要进行5次，通过多条曲线的比较、判断得出实验结果。第2~5步的子交互操作见图3-6-12~图3-6-15。
图3-6-12 子交互操作2
图3-6-13 子交互操作3
图3-6-14 子交互操作4
图3-6-15 子交互操作5
交互操作3：根据交互操作1的结果，观察、判断得出最合适的铯炉温度、铯束管真空度的结果。通过观察不同铯炉温度、铯束管真空度的实验结果曲线，铯原子收集器输出电流值随谐振扫频变化的曲线幅值最大对应的铯炉温度、铯束管真空度即为最合适值，一般给出一定的范围。如图3-6-16，具体操作说明如下：
① 点击“回答问题”按钮，显示相应界面。
② 填写观察到的最佳铯炉温度值。
③ 填写最佳铯束管真空度值。
④ 点击“确定”按钮，提交答案，后台根据提交的结果进行评分。
图3-6-16
交互操作4：本交互操作进行实验设备认知和守时测量实验设备连线。点击菜单栏“实验设备认知”，见图3-6-17中①所指示的位置。虚拟行走到某设备，比如氢原子钟房，点击氢原子钟（闪烁的红色圆圈），将显示该设备的说明介绍，如图3-6-18所示。其他设备的认知操作方式类似。
图3-6-17
图3-6-18
完成实验设备认知操作后，点击菜单栏“守时测量实验”，界面显示见图3-6-19。对每一个原子钟的连线操作包括：将原子钟产生的10MHz频率信号接入相位微跃器的输入端，相位微跃器的输出端接入时码产生器的输入端。对氢原子钟1的接线操作见图3-6-20。操作过程说明如下：
① 点击菜单栏中“守时实验”中的“实验设备连线”按钮，开始连线操作。
② 选择7个原子钟中的一个，比如氢原子钟1。此时，界面将需连线的设备端口自动显示为一个红色圆圈，这里显示的是氢原子钟1的10MHz频率信号输出端。
③ 鼠标左键点击该红色圆圈，表示该端口完成连接。
按照上述操作，将每一个原子钟都接入系统，完成连线后的界面见图3-6-21。因此，本交互操作共包括7步子交互操作。
正确完成连线后，界面显示“连线成功”提示。没有完成正确连线将无法进行后续测量实验。
图3-6-19
图3-6-20 氢原子钟1的连线
图3-6-21
交互操作5：本交互操作进行守时测量并获取测量数据。操作界面见图3-6-22、图3-6-23。操作过程说明如下：
① 正确完成连线后，点击界面中“打开电源”，准备测量。
② 显示提示语，点击“确定”开始测量5min的测量过程。
③ 测量过程的计时界面。如果点击“重新运行”按钮，可重新开始测量。
图3-6-22
图3-6-23
交互操作6：完成测量后，即进入测量数据处理环节。点击菜单栏中的“数据处理算法”，显示守时测量数据的处理过程和原理。点击菜单栏中的“钟差测量数据”，显示5min测量得到的守时数据（见图3-6-24），同时要求操作者完成钟差计算的数据处理交互操作（见图3-6-25）。
图3-6-24
图3-6-25
说明：由于守时测量实验产生的数据量达3600个（当前5min测量数据1800个，上一个5min测量数据1800个），处理这些数据必须通过计算机编程完成（学生可下载实验数据后进行线下处理），无法在操作现场完成，因此，实验仅选取若干合适的计算交互操作。
交互操作7：本交互操作完成远程时间比对实验中参考钟、待校钟的选择。点击菜单栏“远程时间比对”可进行远程时间比对实验。点击图3-6-26中的“授时中心选择”按钮，可任意选择5个国家级授时中心中的一个，作为参考钟来源方，见图3-6-27中的①部分。根据界面提示，选择5个铯原子钟中的一个作为待校原子钟，见图3-6-27中的②部分。
图3-6-26
图3-6-27
交互操作8：本交互操作完成远程时间比对实验的连线。连线操作包括：将频率分配器1路10MHz频率信号和脉冲信号分配器的1路1PPS信号接入共视接收机，将共视接收机与楼顶的天线连接（50米线缆）。操作过程与交互操作3类似。完成接线后界面见图3-6-28，其中第①部分为守时实验已经完成的接线，第②部分为本交互操作应完成的连线。正确连线后显示“连线正确”提示。没有完成正确连线将无法进行后续操作。
图3-6-28
交互操作9：正确连接设备后，点击图3-6-28中的“打开电源”按钮（图中③所指示的位置），开始进行远程时间比对实验，完成2min的实验测量（见图3-6-29）后，得到测量数据。在测量过程中可以点击图3-6-29中的“重新运行”按钮，重新进行远程时间比对实验的测量。
实验测量结束后，需断开电源（图3-6-30），系统生成比对数据。
图3-6-29
图3-6-30
交互操作10：本交互操作进行第1s比对数据的钟差数据处理计算。点击菜单栏“卫星比对测量数据”，显示测量数据，根据界面显示进行各数据计算、输入操作，完成钟差计算任务（见图3-6-31）。完成计算任务后，点击图3-6-31中的“确定”按钮，会显示计算正确与否的提示（见图3-6-31）。
图3-6-31
图3-6-32
为计算第1s钟差数据的平均值，由操作者根据图3-6-33中左边的钟差数据，完成图3-6-33右边矩形中各数据栏的数据计算、输入操作，完成第1s钟差数据平均值的计算。
图3-6-33
点击菜单栏中的“钟差数据平均”，得到相应计算结果（见图3-6-34）。
图3-6-34
交互操作11：本交互操作完成第1s时刻的相对频率计算。点击菜单栏中的“相对频率偏差数据”，得到相应计算结果，操作者根据提示计算第1s时刻的相对频率（见图3-6-35）。
说明：远程时间比对实验所测量到的实验数据达近2000条，处理这些数据必须通过计算机编程完成（学生可下载实验数据后进行线下处理），无法在操作现场完成，因此，实验仅选取若干合适的计算交互操作。
交互操作12：本交互操作进行原子钟综合比对。点击实验操作栏中得“原子钟综合比对”，可进行7个原子钟的测量准确度进行比对。实验开始后，显示提示信息（图3-6-36），点击“确定”，系统即开始对7个原子钟进行卫星共视法比对测量（图3-6-37），并对测试数据进行处理，得到7个原子钟的不确定度棒图（见图3-6-38）。
图3-6-36
图3-6-37
图3-6-38
交互操作13：点击菜单栏中的“实验数据处理”，学生下载完整的实验数据供线下编程分析与处理（见图3-6-39、3-6-40）。
图3-6-39
图3-6-40
交互操作14：本互动操作完成对学生的实验考核，包括综合考核和实验报告两部分。点击菜单栏中的“实验考核”下的“综合考核”，互动完成8道实验选择题的回答，并在图3-6-41中的右边矩形方框栏中显示相应题号。
图3-6-41
综合考核结束后，点击菜单栏中的“实验考核”下的“实验报告”，完成实验报告操作。首先输入实验心得体会，如图3-6-42所示。输入完成后，点击“确定”进行提交，系统后台将根据记录的学生实验操作过程，生成实验报告，见图3-6-43。滑动图3-6-43的进度条，可查看完整的实验报告，见图3-6-44。
图3-6-42
图3-6-43
图3-6-44
（1）实验教学过程
① 结合课程的理论教学，在实验教学时间节点提前通知学生做好实验预习。
② 实验学时为2学时。首先讲解实验原理和注意事项（20分钟），接着学生登陆进入网上虚拟实验室，按照实验指导书的要求完成实验操作和回答实验提问（客观选择题），实验时间约70分钟。实验过程中，指导教师现场解答学生在实验操作中提出的问题。
③ 实验教学结束后，学生可下载实验数据按照推荐方法进行处理并提交处理结果。此部分占用课外学时数为2学时。
（2）实验方法
本实验主要采用了对比法、变量控制法、观察法、最小二乘拟合法、差动测量法等实验方法。具体说明如下：
① 对比法主要应用在实验前的知识准备阶段。在介绍7个SI基本单位的设计中，按照每个基本单位的定义、发展历史、量子复现方法进行对比展示，以帮助学生更好地理解国际基本单位的量子计量技术。在远程时间比对实验中也采用了对比法这一实验方法。通过卫星共视法将本地原子钟的测量结果与远程高等级参考原子钟进行比对，以比对、校准本地原子钟的测量准确度。
② 变量控制法应用在铯钟谐振观测实验。通过控制不同的铯炉温度和铯原子谐振腔真空度，观察铯原子信号检测器的电流输出信号随谐振扫频频率变化的曲线。在不同实验条件（铯炉温度和铯原子谐振腔真空度）下，输出曲线的最大幅值随谐振频率的变化是不同的。通过比较各谐振曲线在谐振频率点处的电流输出信号幅值，探究环境条件及设备参数对Ramsey花样线宽窄以及长期稳定度的影响。
③ 观察法普遍应用在本实验中。在铯钟谐振观测实验中，通过观察、比较各谐振曲线在谐振频率点处的电流输出信号幅值，探究环境条件及设备参数对Ramsey花样线宽窄以及长期稳定度的影响。在守时测量实验、远程时间比对实验中，通过观察所提供的设备搭建守时测量和远程数据对比系统，记录测量数据，判断实验过程的正确性。
④ 最小二乘拟合法应用在守时测量实验中。按照国际计量局（BIPM）推荐的自由原子时算法ALGOS，自由原子时EAL的计算公式为
其中，hi0(t)为t时刻对原子钟Hi施加的时间补偿，其定义为
其中ai0(t0)是在t0时刻，也就是本试验5min的起始时刻，原子钟Hi相对于EAL的时差，且ai0(t0)=xi(t0)，xi(t0)为上一个测量周期[t0-T, t0]内计算得到的t0时刻xi值。ai1(t)是对原子钟Hi在时间区间[t0, t0+T]内，相对于EAL频率偏移的预测值，可认为是一个不变量，通过最小二乘法拟合而得。计算ai1(t)所用到的数据为上一个测量周期[t0-T, t0]内计算得到的xi(t), t= t0+nT /5, (n=0, 1,…, 5)。如图3-5-1所示，假设上一个测量周期计算得到了xi(tn), (n=0, 1,…, 5)，则拟合模型为
由上式即可得
图3-5-1
⑤ 差动测量法应用于远程时间比对实验中。通过实验系统测量后得到的本地铯钟/国家授时中心原子钟与卫星比对的两个数据文件，从中筛选出相同时间、相同卫星的时间差值，可以得到多组实验室铯钟与GPS的钟差、国家级授时中心原子钟与GPS的钟差数据，从而求得实验室铯钟（A）与国家级授时中心原子钟（B）的钟差。
在两站地坐标准确测定的前提下，假设A 地和B 地观测站分别安装两个共视接收机，两站在同一时刻观测同一颗卫星i。假设tA、tB、ti 分别表示A、B 两地时钟示值和卫星系统时间，根据单向时间传递原理，可得到A、B 两地原子钟之间的钟差ΔtAB=tA- tB。这里采用了差动测量的原理，通过这种差动处理可基本消除接收卫星信号过程中大气层折射带来的时间误差，从而改进测量准确度。
① 铯钟谐振观测实验
本实验通过观测不同铯炉温度和铯原子谐振腔真空度下铯原子信号检测器的电流输出信号随谐振扫频频率变化的曲线，探究铯钟谐振的最佳铯炉温度和最佳铯原子谐振腔真空度。在不同实验条件（铯炉温度和铯原子谐振腔真空度）下，输出曲线的最大幅值随谐振频率的变化是不同的，可通过显示器直观地加以显示（见图3-7-1）。
本实验铯炉温度允许变化范围为95~105℃，铯原子谐振腔真空度允许变化范围为10-6~10-2Pa，操作中设置不同的实验参数，则输出曲线是不同的。
本实验的结论为：铯束管是铯原子钟的物理部分，它属于电真空器件，给原子态的制备、跃迁及跃迁信号的检测等物理过程提供一个良好的真空环境，以输出高质量的锁频信号。铯炉温度和铯原子谐振腔真空度对铯束管在铯原子跃迁频率9.1926GHz处的原子跃迁概率（对应输出曲线的最大幅值）有明显的影响。实验观察结果为最佳的铯炉温度为不低于100℃，最佳铯原子谐振腔真空度不低于10-4Pa。
图3-7-1
② 守时测量实验
原子钟的守时测量准确度主要受原子钟本身的性能、环境（温度、湿度、振动）的影响，本实验后台测量数据的生成来源于上海计量测试技术研究院的国家级授时中心的实测数据（每座原子钟含24×3600条数据），测量数据以实验者开始实验的时刻，与后台对应时刻点数据相对应。例如，实验者开始的时间为3:30pm，则从后台实测数据的3:30pm时刻点提取数据作为实验的测量数据。因此，每个实验者实验时所得数据基本上可以做到互不相同。
本实验的结论：如果实验操作正确，那么原子钟的守时测量结果的不确定度的量级为10-10s。通过比较实验操作者的计算结果和虚拟实验后台的计算结果得出实验操作结果是否正确的结论。
③ 远程时间比对实验
远程时间比对实验的测量结果与本地原子钟、比对参考钟相关。本实验中，比对参考钟从5个国家级授时中心的原子钟（高一级准确度）中选取，后台对应相应国家级授时中心原子钟实测数据；本地原子钟可从5个铯钟中选取。此外，测量结果还与实验者开始实验的时刻相关。因此，每个实验者实验时所得数据可以做到互不相同。
本实验的结论：如果实验操作正确，那么原子钟的远程时间比对结果的不确定度的量级为10-10s。通过比较实验操作者的计算结果和虚拟实验后台的计算结果得出实验操作结果是否正确的结论。
④ 原子钟综合比对实验
原子钟综合比对实验与远程时间比对实验类似，但比对的本地原子钟包含7个（2个氢钟+5个铯钟）。每个实验者实验时所得数据可以做到互不相同。
本实验的结论：与远程时间比对实验同。
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