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标题: 正经说个硬的：原子钟 [打印本页]
作者: 七月群山    时间: 2020-7-22 21:00
标题: 正经说个硬的：原子钟
本帖最后由 七月群山 于 2020-7-22 21:06 编辑
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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。
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. h3 v( x% t5 d: g1 V# P9 c% Q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。1 _/ I; w( G6 W  _9 ~

7 N2 h4 n. J. O个头、模样大致如此，二十六公斤。
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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。
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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。
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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？
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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。
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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！  R0 T$ n6 w0 c& e+ P. c0 u
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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。
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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。7 D. C" m! B- e  b# Y& s) H

8 R; V0 q. y1 V, ~6 k/ h说些个大家可能百度不到的。
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- b2 h) ^" L( C' o% h: {===前方高能===7 u, C$ A2 E. @6 A' r/ t
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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。
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. \1 v2 Z4 V- B5 k' R+ Z. g* B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。1 t3 Y* Z, ]7 S. N; `4 x- h

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( f- d; w5 C% w/ L) V9 d7 W$ R" z惠普当年的铯钟，吊打全世界。7 |# w) Q7 _7 u8 ~% c! x4 f
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1964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！; j. _# b$ P( e$ O: v  m. p
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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。
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) K2 E* r# S1 u8 t( }- p, J8 x/ s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。
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1981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。; g. v  w  R9 d

+ Y6 P; Z) l# {1986年，十的负十四次方。
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* p( V2 P( L7 Y8 `1 `0 A2003年，十的负十五次方。
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2017年，十的负十六次方。6 M+ [. p  @. P5 Y2 Q: W
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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。4 ~' y0 G5 s# `& @1 c
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* E2 e7 R/ ^& S# 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。+ i4 f- b9 Z7 b! b! o

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作者: 红茶冰    时间: 2020-7-22 21:54
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。
$ N# k' }3 O6 D! a1 K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。
作者: testjhy    时间: 2020-7-22 21:55
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。
作者: lorry    时间: 2020-7-23 07:53
电视台的3.58MHz色度副载波和授时台同步，可以代替铯钟。
作者: 响马    时间: 2020-7-23 08:17
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
作者: 忧郁金桥    时间: 2020-7-23 08:47
本帖最后由 忧郁金桥 于 2020-7-23 08:49 编辑
1 G( n, n6 q* \6 I( M
$ ]6 h6 A- K. |# v3 D群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；8 G; A. I1 O5 a1 t; s
看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。" s  g& M3 F6 H- k8 A
谢谢，“车旅系列”还能有第2季吗？
作者: mezhan    时间: 2020-7-23 10:41
每月37元的工资 ------ 中专起步工资
作者: radioradio    时间: 2020-7-23 18:45
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
作者: 红茶冰    时间: 2020-7-23 22:56
radioradio 发表于 2020-7-23 18:45
: V  v7 }: D' R5 V3 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
& A5 b0 R2 L( a  k) k
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。
2 [4 I' j7 z. R. \8 L他家的铯钟在基站上很常见。
作者: radioradio    时间: 2020-7-25 13:35
红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56
. I& K5 \  ^2 u6 w" h; V( M4 F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。
: l& \% V8 h+ Q他 ...
1 Q6 R: q3 b0 R/ [- [& q
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好1 S3 v, t3 V2 R: T& ~$ J. V8 z3 W
5071A好像这两年不好买了
作者: 红茶冰    时间: 2020-7-25 22:56
radioradio 发表于 2020-7-25 13:35
  T5 J8 R5 g2 V- B! G短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好4 P; b+ f7 c3 V5 R
5071A好像这两年不好买了

/ N4 ], b' ^: x4 s这个短稳长稳有出处嘛？' e% C8 h& ]; T; _
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~~
$ ?  ?7 B( e5 c& n9 l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
作者: radioradio    时间: 2020-7-26 12:48
红茶冰 发表于 2020-7-25 22:56  A7 B! R* W1 `0 l4 p* R+ r  V* m
这个短稳长稳有出处嘛？' T" f+ q; C  o
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 ...

, B( O3 t" Q% [: Q  q, s$ N% f4 B8 s: k7 ^
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没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图( Y/ }$ ]; ~* v) M1 w0 R
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。
作者: 北京阿新    时间: 2020-7-27 03:01
红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56
9 G* O( ~+ 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。
: _, T7 s6 V1 M( R他 ...
, v9 d" F: g7 G) i  e
安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部
作者: 红茶冰    时间: 2020-7-27 03:35
radioradio 发表于 2020-7-26 12:48
) M$ k  Y; B) z# z$ \7 B没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
+ {& R8 w9 l. K这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...
8 R# O& x1 _1 K4 ^+ E+ T6 F
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。
& _/ `$ D' k: K# L9 B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。
( o9 Q0 x& z' \' v4 t
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:357 k+ w: M3 b0 R9 W0 C
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。
  D% k% M! l5 U8 ^. h9 N  [, g冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
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可能高端的铯钟做的更好一些吧" P1 i, e. o% g( 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# I3 ^, T, g( E8 `
时间基准据说用的是铯钟，利用其长稳
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:34
北京阿新 发表于 2020-7-27 03:016 e* W# ^2 S# a8 J, D% b" A8 m
安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

3 W$ {" }. x. e4 J嗯，惠普 - 安捷伦 - 是德，不知道后面怎么变
作者: 陈王奋起挥黄钺    时间: 2020-7-28 00:56
radioradio 发表于 2020-7-27 11:33
" {1 M8 s. [' e9 A" f8 @) `. n  V# F" j! @可能高端的铯钟做的更好一些吧
  O/ ~6 F0 c' P6 H' W0 N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$ P$ G$ M0 ?  f# a; Z0 s
时间基准据说 ...
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请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？
作者: lorry    时间: 2020-7-28 09:50
时间基准就是用铯的9193兆谱线对的。铷是6834兆。
作者: radioradio    时间: 2020-7-28 10:29
陈王奋起挥黄钺 发表于 2020-7-28 00:56" X! o% f+ E) d9 d/ H. g
请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？
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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- R  q9 k, j' ?( f; o/ f/ L& Q9 G
6 ~. n/ X0 o, p* r- d5 E
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
作者: 陈王奋起挥黄钺    时间: 2020-7-28 11:41
radioradio 发表于 2020-7-28 10:29& Z! E1 Q8 W8 r5 N
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 ...
  y3 s6 p- k) F3 w9 x2 i. s. o
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。
作者: radioradio    时间: 2020-7-28 17:07
陈王奋起挥黄钺 发表于 2020-7-28 11:41
3 A3 T5 N0 O& J# F" u  K" m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。 ...

2 C" _3 P8 ^* C8 b& ^比较可靠的一种方法：  |3 `, B/ o. g- `' o) g; R' u
卫星上装个信号转发器，地上发一个信号上去，卫星不做任何处理，直接转发回来，这一去一回的时间就知道了，那么就可以测出距离来。3 S! h4 N3 N. l+ l1 j
知道了距离，那么信号在路上走的时间就知道了，时间同步也好弄了。$ X8 J8 x9 }0 `- A- U
大概是这么个意思。7 D9 j  E$ H4 p9 j

2 L# y# H3 D( L! n. }其他还有基于星间链路等等，那就花样多了，总之，方法是有的，而且同步精度还可以做的很高。
作者: 陈王奋起挥黄钺    时间: 2020-8-1 01:40
radioradio 发表于 2020-7-28 17:07
; i5 ]8 Q' {% v  R; G比较可靠的一种方法：) ?: R$ C6 ]2 Q1 d
卫星上装个信号转发器，地上发一个信号上去，卫星不做任何处理，直接转发回来，这 ...

* N, T; j$ n1 O: Q) d谢谢提醒。原理上思考，可以在地上装一个角反射器，卫星发射时钟调制信号到地面，反射回去，出现相位差，从而得到精确的瞬时距离，这个距离可以同时调制在发射的信号中。地面同时一个分支接收信号，解调得到卫星当前时间，加上已经知道的延时，就可以准确同步了。
作者: 包子    时间: 2020-8-1 09:16
你们对真空管做了什么？
作者: radioradio    时间: 2020-8-1 22:31
陈王奋起挥黄钺 发表于 2020-8-1 01:40
: b9 j) _6 \2 T# |4 ^- \" ], L# T; E5 x! @谢谢提醒。原理上思考，可以在地上装一个角反射器，卫星发射时钟调制信号到地面，反射回去，出现相位差， ...
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角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
- ~( t0 s' D; L% u* y/ {4 e地面发，卫星反射，地面的发射功率、接收天线都可以做的很大
作者: 陈王奋起挥黄钺    时间: 2020-8-2 01:27
radioradio 发表于 2020-8-1 22:31- ?( J. n& o; [6 Z( _
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
4 E/ a$ Q, j7 b$ O地面发，卫星反射，地面的发射功率、接收天线都可以做的很大 ...
. g. o/ E3 A5 I, }5 D! I! ^" q
好主意！
作者: 柏林墙    时间: 2020-8-7 21:04
卫星那个是用时隙的，原理可以百度之，很容易懂
作者: 随便看看    时间: 2020-8-12 13:45
radioradio 发表于 2020-8-1 22:314 ~/ S2 y+ r0 d
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说+ j8 y* ~% e$ n( q3 H
地面发，卫星反射，地面的发射功率、接收天线都可以做的很大 ...
5 h: B; x& z3 \3 w& O- S
大气扰动很难处理的，还有卫星速度和轨道的变动会带来附加误差。
作者: radioradio    时间: 2020-8-13 10:01
随便看看 发表于 2020-8-12 13:45
) B; ~8 x( I4 q大气扰动很难处理的，还有卫星速度和轨道的变动会带来附加误差。
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这种一来一回，时间短，路径相同，大气扰动等路径上的因素能不能就可以直接抵消掉了？当然，对于测距离的话大气扰动是抵消不掉的，但是时间比对的技术上，这种一来一回方式的路径上的因素，是可以当作抵消掉的。& F9 C/ Z+ ~: _

- D9 L8 z) K7 b- o) J+ k卫星速度轨道方面，我基本上不了解，期待专家解读。
作者: 随便看看    时间: 2020-8-13 11:20
radioradio 发表于 2020-8-13 10:01
2 M+ J' u1 H' |, A  e: U! s这种一来一回，时间短，路径相同，大气扰动等路径上的因素能不能就可以直接抵消掉了？当然，对于测距离的 ...
9 b2 [  p' t8 R$ ]9 R0 T( R# }
大气扰动带来的附加路径一来一回附加时延应该是x2而不是抵消的。在制作gps驯服钟的时候可以认为星载时钟基准没有累积误差，通过长时间平均来消除随机路径误差，至于星载时钟基准间如何互相校准，不熟悉，按说由于同批不同星载基准时钟不确定度相同是无法互相校准，只能互相认可数据。
作者: radioradio    时间: 2020-8-13 11:46
随便看看 发表于 2020-8-13 11:20; \/ m- W1 G& h; U0 T4 y
大气扰动带来的附加路径一来一回附加时延应该是x2而不是抵消的。在制作gps驯服钟的时候可以认为星载时钟 ...

' F+ T) h2 V- K& G3 V! @可以参看这篇：" ^5 F. n( @8 o* G" v
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http://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html# @- g' i0 S: `0 O- @
8 q6 A+ t/ M& W3 o! ?* R" }$ o& y* K
“该方法不仅利用了星地无线电双向法的优点, 消除了卫星轨道误差、卫星钟误差、地面站址误差、对流层延迟误差等公共误差, 削弱了具有频率相关特性的电离层延迟误差; 而且利用了共视法的优点, 经两站之间进一步求差, 二次削弱了具有空间强相关特性的电离层延迟误差, 同时基本消除了卫星上下行天线相位中心不一致误差. ”
9 V3 e2 U( ?7 [' F
, N% [0 |( q7 _; h( x( X4 h; N更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：4 z8 `8 s0 X! \
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html
4 z$ o* n+ ?* ~' `2 K5 @8 ^+ U7 x2 y2 [
我肚子里也就只有这点货了，再深了我就说不上来了。



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