In Atomuhren macht man sich die Eigenschaft von Atomen zu Nutze, beim Übergang zwischen zwei Energiezuständen elektromagnetische Wellen einer bestimmten Frequenz abzustrahlen oder zu absorbieren.
Weiterhin wird insbesondere bei einigen starken Langwellenrundfunksendern die Trägerfrequenz von einer Atomuhr hergeleitet und kann somit als Eichfrequenz dienen.
Zur Steuerung und Überwachung des Systems sowie zur Festlegung der Beobachtungsepochen sind noch weitere Sub-Systeme erforderlich (Rechner, Atomuhren).
Diese Präzisionspendeluhren dienten bis etwa 1960 als Basis der Zeitdienste (und wurden dann durch hochpräzise Quarzuhren und später Atomuhren ersetzt).
Zur Stromversorgung dienen Solarzellen, als Zeitnormal Atomuhren (früher Quarz-Oszillatoren), zur Bahnbestimmung ein Netz von Beobachtungsstationen mit zugehörigem Datenzentrum.
