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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
    7 G! b' r( E" d7 E& y/ U8 M
    & v: G- E4 H5 \  L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。5 g  |7 Y9 q* ?& h% p  Q  a

    9 `  v8 C2 E* c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。
    ( V' n/ G, m) {2 `* i% }5 D1 A3 l! d/ ]
    个头、模样大致如此,二十六公斤。- ~, q1 M* X2 @. b+ k

    - e/ U. D2 d& x/ f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。
    & [/ d0 m5 `) R+ Z8 J! N5 v" e8 _& C$ M1 Z* u# e/ S
    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。2 l3 j  c/ \0 Z
    + J/ e1 T) A9 Q9 L7 b
    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?
    ( J" m3 Q; r4 ~5 J5 o, G& G- \" f( I' t
    9 }, u; d  K1 E$ K. j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。4 j/ s' y! U/ b1 h, ^

    0 J( v$ S* n# v1 I0 R* r$ 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!: W9 u6 S/ n5 n. k7 r

    - W' U$ @% G& \' M, J1 |8 b6 A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。
    , t. G; w6 k; j5 l2 K6 k' K& g5 A7 k* G
    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。' z/ ^0 T7 C: Q, ^5 t5 u- d( f

    ( A% G6 @, q( O8 P2 i说些个大家可能百度不到的。
    # ~& w/ k1 y3 Q2 `* e4 J( [
    / n; D- [( ^  C  B7 P$ [/ [===前方高能===' l! v& E1 U8 S. A
    $ N: o& b5 y; p3 H/ F
    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。
    ! P% @+ h. X: b/ }3 p, k- P; P* }
    + ^( C  x* D2 N4 o+ C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。% Y, Y6 A9 A# o; W4 [7 |
    + A8 q1 W+ V& M
    - {, f0 m" t& A
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    / c* X% @( `; b  j9 h+ W+ ?
    . Z7 N$ d! N1 M8 h0 N4 Z6 R1964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!( g$ f, J8 G  C! s1 M6 F
      }+ X$ e( P, }! W6 x* Q
    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。
    ' m5 r3 B& w: }" x/ u" u; ?- e; ?& z$ a" z
    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。( o! z5 |" R. F; l

    4 b1 K1 u( ?8 M1981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。
    / _( n& ~. k5 q' Y  S2 ]" {" m
    - [0 @- ]# y" h: J1986年,十的负十四次方。' t, C" k  k2 v7 k( e) o) l6 `

    : ^+ s1 A; R& ^8 h0 T2003年,十的负十五次方。
    2 [9 C9 p5 M" T! Q9 J
    5 D/ z: ]( `7 r6 F2 S2017年,十的负十六次方。2 ]3 m5 l8 ]2 m2 b0 P% F7 `
    ' ]" |: d, O  E8 c6 l7 _8 F/ r9 X, N/ 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。; w7 U7 j* Q! k- x- Q$ t9 I
    0 @7 ^2 k$ ?3 F- q2 l7 ?* `! Q, m
    。。。! a' Y: ]- D  T

    $ w8 Z/ U3 n+ D& n. {% k/ @2 w. `4 w  b8 K% g+ M- V' Y! }+ P
    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。9 y4 Q0 y; R' S! S: l) S/ F" s+ X6 Y5 z1 g

    - V( T; w! o+ H
    5 k2 ]) T1 C1 g$ E/ a( Y( J3 _. C; |1 ^9 S) V- B

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  • TA的每日心情
    开心
    6 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。/ r' j# n  N' |# j7 u; n
    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
    郁闷
    前天 23:38
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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
    给力: 5 涨姿势: 5
      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

    2021-2-24 23:26
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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 10:29
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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
    * G/ |  j0 |) C7 j0 G. l4 ?+ E, x0 W' T+ U# W' F3 e% Y
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);9 f8 n# x( q; _) U+ k0 Z8 v
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    * w& y5 k8 m( W' e7 z6 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
  • 签到天数: 3077 天

    [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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  • TA的每日心情
    开心
    6 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
    5 Y' B9 M2 }  Q( W1 Y, G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
    ) Y; t* R: j. z- ~% Z  A
    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。- `1 {3 F, P# x' X+ P. j. C$ e
    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 22:33
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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; N; f, `( t9 `7 |7 V' P" Y2 ]
    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。- f. r5 a0 C6 Z8 G& p  ^2 ^
    他 ...
    % E. D& l# S- a. d! p
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    % j2 H) j/ v8 A$ {! }( h5 v! K5071A好像这两年不好买了
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    6 小时前
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    [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; I1 l* q  }( D# @7 t0 [4 Z
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好0 }) e" p1 i' U. g# `
    5071A好像这两年不好买了
    * i( h' i3 w( I. g. y1 }
    这个短稳长稳有出处嘛?9 c  H' l5 k) d# s" w1 O8 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一半~~5 I7 E) I+ ?  T! h% b
    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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    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    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
    : x) S) ]! D. t- X6 `$ z这个短稳长稳有出处嘛?" f% e2 A- a  v9 |9 Q
    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 ...

    2 ^7 k/ Q( K, _- I# R. t% S3 v
    9 Y1 `! c- h" V; E1 u3 I& U4 k, R7 k7 S* \+ `' C* A
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    ' V+ v( k8 t# V( N0 b+ q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
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    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& L5 m, c* t& E$ q- r* J  Q
    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。5 a- `9 F3 ~% |9 `! d& X
    他 ...
    & q# \0 E6 D- {2 U* v2 _
    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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    开心
    6 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% b% [; ^+ G, Z7 M1 {- C; a! E
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图% k+ H. I6 j/ D! h& l% E
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    , v) N: N4 e: W
    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。
    ! |. h6 O- o1 l. [. j* N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。$ @3 J8 q$ X" e6 e8 ]; I- x

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      发表于 2020-7-27 04:47
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    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 03:35
    - T! z! A0 C# n7 x) g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。
    ' X( Q, U* L, ^" s4 j冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    * Q; g! }: c. H- c# ]4 r% K可能高端的铯钟做的更好一些吧/ Z& X6 q0 _* d& j- x. j
    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
    ; s6 P9 a& H9 F- M% ?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( ~/ c; }8 v' m+ n9 ]. z5 ~; P& {
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    & j8 D8 C4 B! g1 `
    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
  • 签到天数: 17 天

    [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% ]5 D* J+ U; ?7 S. [  ~: U  U
    可能高端的铯钟做的更好一些吧- B2 o. y* B; c; T3 w
    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
    : i/ S- D$ W: s/ d; `& [/ w时间基准据说 ...
    ' G) c- Y  T+ \# a% Y( _$ u
    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 00:568 S+ }3 V$ ]& e' v
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    / U0 e$ n! v0 x5 {! c: [, W) f- {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
    / O: e$ z6 s# j/ b" ~
    9 n( f9 c: O. ~4 r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 10:29
    8 K3 v! _- y! M( 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 ...
    6 p1 R8 u. a1 m( a5 g$ 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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