[GNSS筆記]原子鐘：讓衛星定位準確的神器

在研究GNSS系統時，經常看到「原子鐘」這個詞。想起國中課本似乎有提過，但當時只是匆匆帶過。出於好奇心，就查了一些資料，發現這個看似高深的技術其實有著非常有趣的原理。今天就來分享一下！

一、GPS為什麼需要這麼精確的時間？

在了解原子鐘之前，我們先來看看為什麼GPS衛星需要如此精確的時間。

GPS定位的核心原理

GPS定位使用的是三角測量法：透過測量電磁波信號從衛星到接收器的傳播時間，計算出距離，再用多顆衛星的距離資訊來定位您的位置。

時間誤差帶來的距離誤差

這裡有個關鍵問題：

• 電磁波速度：300,000,000 公尺/秒（光速）
• 如果時間誤差 1 微秒（百萬分之一秒）
• 距離誤差就是：300 公尺！

想像一下，如果GPS告訴您在某棟大樓裡，但實際上您在300公尺外的另一條街上⋯⋯這就是為什麼GPS衛星需要納秒級（十億分之一秒）的時間精度。

小知識：GPS系統需要至少4顆衛星才能精確定位，其中3顆用於空間定位，第4顆用於校正時間誤差。

二、原子鐘到底是什麼？

基本原理：大自然最穩定的節拍器

原子鐘的核心概念其實很簡單：利用原子內部電子的規律性「跳躍」來計時。

想像原子就像一個微小的樂器，電子在不同的「音階」（能級）之間跳動。當電子從高能級跳到低能級時，會發出固定頻率的「音符」（電磁波）。

銫-133原子：國際標準秒的基準

最常用的是銫-133原子：

• 特定的電子躍遷頻率：9,192,631,770 Hz（約9.2 GHz）
• 這個數字被定義為國際標準秒的基準
• 也就是說，這個頻率振盪 9,192,631,770 次 = 1 秒

原子鐘的工作流程（簡化版）

1. 製造銫原子束：就像製造一條原子的「河流」
2. 用微波「調音」：找到讓原子產生共振的精確頻率
3. 鎖定頻率：把振盪器調整到這個頻率
4. 開始計時：數振盪次數來測量時間