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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 7 v2 i  L6 o) B6 m4 t
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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。/ @8 J4 k6 A2 j2 R! t

% |, p9 q+ u4 C$ A6 S/ e- d2 A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。
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个头、模样大致如此，二十六公斤。
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" _  c3 N/ U. N7 _1 A  x$ D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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. n( f& N3 g8 l5 f4 B# v) Z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。( n0 x& G2 Y/ ]' W
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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？& |$ w) |) p- S. R$ _/ ?

: B4 u$ f' C  H! B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！# Z- F7 \5 \# c' i# }

) j% Y# \, R* {; M2 k) l9 z% r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。, S; V, @+ J: c/ ]+ E% J# o, A
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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。
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2 y$ l' [) v! f9 O/ X! r) H, D说些个大家可能百度不到的。" C' b) v3 O* k) j9 B

; V' Y0 o, y4 n4 O$ o4 p===前方高能===
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( V! m) L" s/ x. }7 T! {1 ~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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* _4 B+ D5 c6 S3 _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。
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0 y9 [2 ?( F3 U: g- e' i惠普当年的铯钟，吊打全世界。
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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！+ v' F: X5 i9 n, i) ?/ l" {# g' d+ s

1 @) ?4 i, y2 o+ m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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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。5 B0 x3 O7 r& H
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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。% s# ]8 g3 D% f8 e4 ~
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1986年，十的负十四次方。
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- |) \) i5 F3 T+ W+ }; O2003年，十的负十五次方。4 F$ |  _( j' b; r" e
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2017年，十的负十六次方。
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- J2 H+ [' x) F: r9 Q9 M6 Y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。
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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。
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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。& L8 b1 @6 ?: U! a, [
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
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6 r  `* _/ ^  {( n! N  E4 d群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；
, U8 \" w+ e9 ^; i0 `看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。. H7 x6 X  D' i8 U& Y* U
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$ S( f4 d. f7 P# e
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
) e! F; d: o0 l( ?: {  H+ D" m
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。
$ W$ q/ @& B1 V( ]  C  M8 R# W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* n( m. r) P6 g& ?9 |: h
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。
# |, [' X& v. G1 O5 y/ ?4 p( ~他 ...
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短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好9 d" o5 }3 b- e
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
" b# Q) Y2 {  l5 o( n+ _( r4 O1 o5 q短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好; ^3 q% J8 N- G+ j- R
5071A好像这两年不好买了
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这个短稳长稳有出处嘛？/ b8 ~1 O$ z7 b  B9 P
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 v7 g6 N5 D7 L9 A/ Y
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' U, j5 v$ I/ B8 I
这个短稳长稳有出处嘛？
* d8 q" H7 z0 o, R3 B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 ...
. k$ [4 ^: b8 [' ~  j
, _: @7 z4 h9 z7 q2 S% r+ \

$ C: P( e3 N8 Z. u+ r" Y没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
: u+ v5 e1 w. r5 x, @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
5 H8 u1 a* Z7 l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。% D4 r6 O; p4 [- A: m* M4 i
他 ...

8 V7 j8 a5 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
2 G* C$ w4 J2 y. [没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
: f; ^6 Y+ d) P% E4 g& |这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...
+ i6 Q( e1 J% l$ W8 m4 O
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% s- H# F1 I0 i8 V, E- z8 S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。5 V" [# C/ V0 t9 V
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:356 V& e# X1 h; _6 |- u
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。
+ Y! `% w" \/ |, w4 z/ k冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
! t. f+ e) o% R6 N! o
可能高端的铯钟做的更好一些吧
7 Z9 [4 T- K6 l' p8 g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
) J, S8 h  E( q) X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 03:011 Q1 @( V0 K) s  W% w
安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

% ^' F4 X6 a$ h8 Q- e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& u% z, k8 r' E# Z
可能高端的铯钟做的更好一些吧- h/ E* y) z4 b6 W3 v8 o/ m
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
' ^6 ]# P3 E* k9 ~" `! R1 T; l) m- m时间基准据说 ...

8 w  c/ u; c2 m% s( s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
; _* \6 h4 j* ~( e# H; W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) |) P$ n. b1 h& {/ B( `5 [

* q; a+ j, }3 O# P" Q0 S' }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. B! [/ \, D' ~- H* o6 P! 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 ...

" v: o! N; L3 B. x' W; o! L  G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
* g& O& s' Y6 a& d/ O9 f3 ^3 H; @; k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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比较可靠的一种方法：  X+ s# J* c6 q5 J
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。6 m$ r% a& O$ i
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。
7 v' Z) c3 p1 C# x. p8 B* {/ ]$ ~大概是这么个意思。
9 w  P. q; k, ]& |/ Q& S( E; Z) K8 V% K$ T  |% X
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! B5 n: M5 x6 j5 ~/ o
比较可靠的一种方法：. z. N) c% M! D: p0 f! i9 P' i
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 ...
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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$ L" \4 H* e9 e! X. p6 F; U2 l( w
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， ...

+ A, j* N' X  o: ^; Q' J( J角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说" |6 ?4 U5 w2 f- u
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  \# W" ^: d; p% H
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
7 O6 I. N3 s% m  H4 V% J' q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 ...

# w1 m2 A/ t+ n8 Q5 ~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 22:312 k5 y2 g+ T0 f/ X6 j1 _
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
! J& A( [; p: q; [5 [8 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 ...

( h/ g* K" m: P6 z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
1 z4 A* P1 L( v- T6 _+ D2 C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。
/ |2 ~  ~5 V" Y. U* R1 s3 [! X; V: v3 h6 s' c2 P7 e
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
: t. [8 X; Q! L# Q: N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 ...

# z7 K* E5 B  U! `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 11:206 M, p  `( }3 ]: ?# u+ t
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 ...

. O6 q! k3 R) ~1 H+ b3 U5 q可以参看这篇：
$ |2 B1 C; n/ b% |' z+ s, c; ^- ^* K3 r# U! l
http://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html8 e1 u6 B- B7 `4 D, Q

0 w$ e1 V4 g9 w: a0 e6 Q+ h; o“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. ”; D1 i6 ]5 i! ^
7 L6 K$ u9 t1 O! m/ n
更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：) W2 i3 g" y, g" v' C
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html
* E3 R* j; T5 N4 I0 K5 e, z/ \; ?3 @* J% \  V
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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