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[科技前沿] 正经说个硬的:原子钟

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  • TA的每日心情
    慵懒
    2023-12-6 00:54
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    楼主
     楼主| 发表于 2020-7-22 21:00:00 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
    本帖最后由 七月群山 于 2020-7-22 21:06 编辑 3 h. }1 T1 B2 S9 ~
    0 ]' S- |3 j3 [0 @
    前不久收官的北斗-3(BDS-3)定位星座,用了一项顶牛逼的硬核科技:氢原子钟。) `2 \5 w  t+ }% h6 Z
    : O3 Q3 `# p% I7 R# f, e
    氢原子钟是通俗说法。正经说,北斗-3用的是一台叫“被动型惰性氢分子激射器”的时频仪器,简称PHM。
    / k" X. L7 M3 B
      |% `! K/ {$ L3 _4 G: G个头、模样大致如此,二十六公斤。( G1 Y( q2 n" L- V2 d! j: z
    . y% x  p2 J: D* k7 q4 U: Z1 I) ~
    氢原子钟,Hydrogen MASER(Microwave/Molecular Amplification by Stimulated Emission of Radiation),分两种:主动有源型(active)和被动无源型(passive)。主动型当然好了,是目前已知精度最高的,就是呢个头太大了些,要求的温度条件和材料也相当苛刻,在地面站没问题,上卫星就不现实了;被动型,就是现在北斗3系用的,精度大概好像可能是差一个0,但是比目前美国GPS的铷钟,还是精确了两个到三个0,也就是一百到一千倍,稳定性也更高,耗电量随之也增加了,大致好像是五十瓦的级别,用在卫星上还不是负担。
    - b6 y/ ?3 U+ X8 f4 Q) N
    $ P, N0 p- B' o! A当然,北斗3系是氢铷钟复合的双保险,这也是新卫星的主流——在卫星方面,目前,中国自己,还真就是主流,平均两星期发一颗,没别人了。
    . e( X/ B& ]0 |( h7 B* [+ k% A* S1 t: x$ c4 X6 n, e
    定位星座,美国“老大”,大不大另说,老肯定是够老的;俄罗斯、欧盟也都使用氢钟技术的,但和中国比嘛,理论上是没有代差啦,而且俄版自称抗干扰(此话怎讲?)方面有优势,但他总共就24+3颗的实力,可靠性也明显比我差;欧盟的伽利略,用的法国欧赫利亚(orolia)公司的产品,虽说重量上有优势(18公斤),耗电更低,但毕竟是民用级别的,精度被咱碾压不说,最要命好像是,还没射过?
    & S0 D* a0 |( y# A' u5 {7 G9 i7 F- A3 h4 z5 L8 j: N
    还有一个印度,印度挺牛的。有一个航天科技世界排名的网站,把印度排在美中欧俄日之后;印度科学家不乐意了,说,如果把人口和总投资之类的因素加进去,印度实际是世界第一的——反正印度人的算数最棒,总能把印度算成世界第一,连韩棒都比不过印棒。背着手撒尿不服不行。
    $ F9 w, ], T) Z+ Y- U
    ( m" l! W7 k" X( A/ F  D也许有人知道,在中国的北斗2系之后,大概是2013~2016,印度发射了7颗卫星的区域定位系统,叫navic。中国的几家手机为了抢印度市场,还想抬举抬举这个navic来着,不过印度至今也没搞出来相关的芯片,就更别提软件了。那这个navic干嘛用的?或者说有没有任何应用?这是印度之谜!
    3 E) y% K/ d: B+ J! k3 y: q" Y* j8 x9 }' c; @5 V" ?9 Q' n# x$ s
    不开玩笑,印度那威客的实际情况是,成网的第二年,一号星停摆了;然后补发一颗,失败了,到2018年再补发,按说是成功了,但其它几颗的可靠性明显的不行了。
    1 R7 X; I% y, {1 z* ~  ]- }% z+ K
    啥停摆了?原子钟啊!当年,2013年,印度虽说自己造不出原子钟,可它买的也是世界顶级的法国频谱计时spectratime公司的铷钟,虽说是民用级别的,毕竟是伽利略系统的供应商,(就是orola的前身,orola目前也是华为的供应商),,,不管怎样,反正,在原子钟方面,印度目前是,空白。当然就更不存在军用级别的定位系统了。没有卫星技术的支撑,其它的,比如导弹啦,无人机啦,,,等等,都必须仰人鼻息,“大国”悲哀莫过于此。$ D" |- {+ S1 D. B3 D/ C& ?

    - L- N/ O9 b. E4 @( I4 K3 A' j. E& c说些个大家可能百度不到的。$ W, {$ i+ o2 g6 U# v  B* I
    ( e. F# \1 V; h: S
    ===前方高能===
    $ w1 \( m& H0 E* t/ |# ?
    + ~9 r; Z; d# s0 |% F3 ?# |原子钟的重要性,中国科学家早就明白,但是啊,新中国那叫一个一穷二白,看着hp——没错,就现在笔记本的hp,在咱炮打司令部之前,1964年,hp就造出了便携式原子钟,眼馋啊,哈喇子流一尺那种。
    # [! X; a1 E/ J) P- p; J, X- l
    * Z" }# K7 Z" ]$ ~: Y8 {4 K  k) x那年,从字面意义讲,“时间”是掌握在美国的国家标准局手里的,懂吗,它可以是上帝,或者阎罗王。: K$ i6 }! f3 U# O% e
    & ?1 S; n" v, e7 C, y( E

    5 W0 n6 V8 X* g惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    4 {! J3 j+ I- K9 S2 Z! k7 a7 d
    1 s. j1 N1 M& m' S8 T4 J1964年的我们,面上菜色未消,胸中“铯”心又起。裤腰带紧了两扣,就制定了第一个铯束原子钟的十年大计。不到五年,达成第一阶段小目标,我们算是做到了原子钟的入门级。然后点点悲剧,,,等到“文革”消停了几天,“余毒”还没肃清呢,英明领袖还是华主席呢,胡耀邦还没开始“敲边鼓”呢,,,已经有“臭老九”开始蠢蠢欲动,甚至扬言,要把失去的“时间”夺回来!
    1 o2 g( X9 ~8 B# ?8 `& D# T- l& O* L. Q+ r
    那是一帮时频的工程师。不对,他们那时还没有职称呢,都叫“技术员”,每月37元的工资,因为加夜班食堂会补一份肥肉很多的夜宵炸酱面而令他们欢欣鼓舞。但是我知道至少曾经有一个这样的美食之夜里,有三个蹲实验室的“技术员”并不开心,因为仪器故障他们当中必须有一个人去找无线电的小余来帮忙,而小余的娇妻是三线蹲放射性的,两三个月才回家度一下蜜月。谁大半夜的去敲人家小夫妻的门,那年月,挨大嘴巴。。。结果是小烨去的,也没挨大嘴巴。小余不到一个小时就修好了机器,完事也没客气,把大半罐子的肉炸酱都拿走了,因为他第二天倒休陪老婆,不打算出门。
    # z  B# l8 E/ a; B! a2 A0 f6 k. W% g
    时频,无线电,放射性,说的都啥?“时间”的原理或许你懂,可要把它固定在机器里,再以难以置信的精确度同时拿出来,是奇迹。) v- V. _! r  p8 N. e

    : `; ^3 `  P, Y2 B. B1981年,时频的技术员们第一次“真正”做到了,精度达到十的负十三次方,追上了世界水平。“时间”从此攥在了我们手里,而且我们再也没撒过手。) ]& n6 Y' ^/ J: ^
    2 S+ S# g* F0 s. B/ ?
    1986年,十的负十四次方。
    + a! N6 e( u% l( d' d9 \% K
    : N! H' N5 z$ i+ v2003年,十的负十五次方。0 \/ F, t5 A  x3 g+ K
    9 U) a# i& [& o, Z1 V. {* L
    2017年,十的负十六次方。
    ) S6 ]5 N. t" m- `+ I* l; ?  l' E; Z- ]+ f
    这些还都是我们100%可以做到的“标准”水平,敞开了让你看,你花钱就给你做机器,绝不藏着掖着。; e7 g# t1 A- m! n4 g6 b! L% c* t  ^
    # o% K2 W5 \/ v. W7 T
    。。。; ]5 x" U2 ~1 x) `* U) \
    / C6 U3 d% h$ R9 B* i

    4 v# \; i: k/ f+ p( q& z今天,再去问时频“小烨”,他可能只记得当年价值九十元的真空管爆炸时的撕心裂肺;而放射性的罗阿姨,总会抱怨几句山洞里的实验室,害她犯关节炎;无线电的小余呢,对食堂何师傅的肉渣酱一直念念不忘。3 Y7 S+ i' L5 V9 o
    ' r9 \0 U! K* u9 Q; C0 y! V; L2 m
    8 G( `$ X# Z) F1 Z) _- P2 F
    + [: V/ y1 L; x* Y1 z

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  • TA的每日心情
    开心
    3 小时前
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    [LV.Master]无

    沙发
    发表于 2020-7-22 21:54:56 | 只看该作者
    国内第一台铯钟在1965年就完成了,领头人是王义遒 十年后铷钟也成功了。& z4 q/ b' q" M+ F! m9 [' ]
    真正的难点在于原子钟的小型化,这个是真的努力了好多年了。早七八年前2G往3G转的时候很多老旧基站都要拆除,所以市面上流了很多基站上带下来的铯钟,曾经有发烧友用这玩意代替高端恒温晶振来做采样与解码标准时钟。

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      发表于 2020-7-27 02:47

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  • TA的每日心情
    开心
    昨天 08:23
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    [LV.Master]无

    板凳
    发表于 2020-7-22 21:55:25 | 只看该作者
    北斗系统据说让科学院上海小卫星当了一把鲶鱼,分了部分星座给科学院,导致五院大为紧张,双方竞争加剧而促进北斗代际加快。

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      发表于 2020-8-8 16:40
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      发表于 2020-7-24 00:11
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      发表于 2020-7-23 14:27
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      发表于 2020-7-23 08:39

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  • TA的每日心情
    开心
    2019-4-29 10:01
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    [LV.8]合体

    地板
    发表于 2020-7-23 07:53:34 | 只看该作者
    电视台的3.58MHz色度副载波和授时台同步,可以代替铯钟。
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  • TA的每日心情
    开心
    2025-3-13 15:17
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    [LV.9]渡劫

    5#
    发表于 2020-7-23 08:17:06 | 只看该作者
    看了这么一点不过瘾,有没有这方面的科普书可以推荐一下,谢谢
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  • TA的每日心情
    开心
    昨天 13:25
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    [LV.9]渡劫

    6#
    发表于 2020-7-23 08:47:43 | 只看该作者
    本帖最后由 忧郁金桥 于 2020-7-23 08:49 编辑
    ( l2 }( O6 F1 s8 `6 T
    5 C8 r" U! [/ L+ n" @2 Z群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    0 b; j( s3 o$ Z! B5 \! v看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    / Q/ K- f- s5 V  t) s8 c4 E$ n谢谢,“车旅系列”还能有第2季吗?
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  • TA的每日心情
    慵懒
    6 小时前
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    [LV.Master]无

    7#
    发表于 2020-7-23 10:41:50 | 只看该作者
    每月37元的工资 ------ 中专起步工资
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    8#
    发表于 2020-7-23 18:45:06 | 只看该作者
    安捷伦的铯钟,现在还是只能让人望尘莫及的水平,据说现在都禁运了
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    开心
    3 小时前
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    [LV.Master]无

    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:45
    3 X4 b& l( u& Z$ E1 u9 P安捷伦的铯钟,现在还是只能让人望尘莫及的水平,据说现在都禁运了
    ) M4 r, Z4 V: S: k7 J
    原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。
    + U- A) ^( C# o/ f) k  F他家的铯钟在基站上很常见。

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      发表于 2020-8-8 16:41
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      发表于 2020-7-24 07:14

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    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    10#
    发表于 2020-7-25 13:35:00 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56
    7 x' g5 M* I5 @( b1 N' W- S原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。
    4 r# \4 ~9 B* g+ E9 H* S他 ...

    % e2 D$ t% f7 `# }5 j1 K短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好5 ?2 Y5 n, m% a+ e
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
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    3 小时前
  • 签到天数: 3254 天

    [LV.Master]无

    11#
    发表于 2020-7-25 22:56:14 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-25 13:35
    2 a+ r- A; ]: S9 @5 r% W' E3 i短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    7 X8 |- k+ e$ Z* ?! {3 U6 g$ |5071A好像这两年不好买了

    : I2 y! z2 g" ^这个短稳长稳有出处嘛?% k( h8 Y. H0 L
    铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩一半~~
    * a. S( K+ n3 _所以 安捷伦到底是美国禁运呢还是自个玩不下去了还得俩说

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      发表于 2020-7-26 06:29
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    开心
    2019-12-31 23:10
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    12#
    发表于 2020-7-26 12:48:09 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-25 22:56
    * w8 k2 o! X, r; B7 Q这个短稳长稳有出处嘛?& X9 ?8 y& C+ F' x
    铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩 ...

    ; h- q; J. E: }7 w
    " M" h+ Q4 X) H% X! v2 _% z5 `  s9 P3 G
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图4 W+ J, D* S8 K, ?$ A! O  L. {
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的稳定性好,随着时间拉长,氢钟的稳定性(阿伦方差)就开始往上翘了,而高性能铯钟的阿伦方差则保持减小的趋势。

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    油墨: 5 油菜: 5 给力: 5 涨姿势: 5
      发表于 2020-8-8 16:41
    油墨: 5 油菜: 5
      发表于 2020-7-27 04:48
    给力: 5
      发表于 2020-7-27 03:03
    油菜: 5 涨姿势: 5
    学渣表示看不懂,但不妨碍表示佩服 :)  发表于 2020-7-26 21:12

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  • TA的每日心情
    慵懒
    6 小时前
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    [LV.Master]无

    13#
    发表于 2020-7-27 03:01:53 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56. _1 a4 L2 x8 |7 X
    原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。
    ! ^: D0 J$ q6 W9 i5 h9 x4 R他 ...

    : k7 Q. s8 I( J1 ]  Z1 ]7 P安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

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      发表于 2020-7-30 11:41
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  • TA的每日心情
    开心
    3 小时前
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    [LV.Master]无

    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:48
    , E/ O3 g' S$ P4 l2 H6 A! S6 |没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图. x2 G1 q  T2 l" Y6 w+ M7 w% i
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    1 y6 o; f5 b; J你说的这个是冷原子喷泉钟吧?传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。: @# j# N  T7 z
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大了,只能空间站或者大型卫星上使用。
    7 {+ O4 s; s' d; {/ R( U, w6 t

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      发表于 2020-7-27 04:47
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    15#
    发表于 2020-7-27 11:33:16 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-27 03:359 ?+ L5 e" D5 q
    你说的这个是冷原子喷泉钟吧?传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。
    ) a. n* H. }' @2 ]' u) j; S( X0 s冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    ) ~. r7 v0 [. [5 @1 l
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    " D0 o4 T  m8 b6 I5 _: R4 a% z- |从射电天文学的反馈来看,观测的时候都是用氢钟,利用其短稳
    : R' [" R; x+ H  S( Q4 B$ g时间基准据说用的是铯钟,利用其长稳
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]炼气

    16#
    发表于 2020-7-27 11:34:00 | 只看该作者
    北京阿新 发表于 2020-7-27 03:01
    ' a6 O5 s4 a6 O+ u7 a7 t, {9 t安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    1 Q8 O1 A6 k4 S* Q* r# L$ A5 R嗯,惠普 - 安捷伦 - 是德,不知道后面怎么变
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  • TA的每日心情
    开心
    2020-9-28 03:33
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    [LV.4]金丹

    17#
    发表于 2020-7-28 00:56:08 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-27 11:33+ o7 P" r8 m" q
    可能高端的铯钟做的更好一些吧, `" D" e& _) H+ y6 u7 w/ \9 \
    从射电天文学的反馈来看,观测的时候都是用氢钟,利用其短稳! H3 K7 z3 s1 p; f: l6 d+ j) f
    时间基准据说 ...

    3 b3 ~8 N( y8 K9 V, w' A3 P请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-4-29 10:01
  • 签到天数: 334 天

    [LV.8]合体

    18#
    发表于 2020-7-28 09:50:08 | 只看该作者
    时间基准就是用铯的9193兆谱线对的。铷是6834兆。
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]炼气

    19#
    发表于 2020-7-28 10:29:35 | 只看该作者
    陈王奋起挥黄钺 发表于 2020-7-28 00:56
    * g% M3 K  J( S" v9 y! T! J请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    / U% M$ S( k; P" u
    如果原子钟是放在一起的,可以本地直接比对,找出相互之间的差值,根据长期的数据,可以评估出各个单台原子钟的稳定性,用算法算出一个综合的时间,大家向这个综合的时间看齐调整
    % N- ?4 x/ ?, i
    , o4 v/ K6 Z: {" Y4 n0 D6 n2 M不在一起的原子钟,有基于卫星的、光纤的,等等方法进行比对
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  • TA的每日心情
    开心
    2020-9-28 03:33
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    [LV.4]金丹

    20#
    发表于 2020-7-28 11:41:34 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-28 10:294 d4 T5 R: B! S6 X6 A1 r
    如果原子钟是放在一起的,可以本地直接比对,找出相互之间的差值,根据长期的数据,可以评估出各个单台原 ...
    ) q. [" \# S* v: W" u; J0 y' Z
    像卫星上的原子钟,隔了几万公里,距离也不确定,真的好奇如何进行时间同步。
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