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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 4 G) ]" H; [$ a; a

1 h: e6 D$ i& D- r8 T" {5 a3 y; |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。3 Q( y1 }, K# O' s( h2 p  f- w

9 e. c, _% O- o# }/ R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。; i6 N" q) j- H1 o& z* ^
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个头、模样大致如此，二十六公斤。
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; G* S$ Z2 s8 n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。. _9 M9 f3 Z% }- p2 ]9 D
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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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% D, }6 b" z( p: |+ J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？& N, }* ]: h- p
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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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2 G, L0 z4 \6 a  n3 P. M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！
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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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: e7 D+ a  B- C% v! z! @; t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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说些个大家可能百度不到的。
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===前方高能===- a, l; W/ n8 @

* G/ f2 l) A* k8 V5 U; {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。) F2 t8 D- l: u5 T  ?0 `! B1 I8 }
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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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惠普当年的铯钟，吊打全世界。% D! P, y  T) t, p  O2 l4 y: V

' q2 {! d% p! r$ W6 A1964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！( ^% k8 ^6 F/ X+ @. t1 N
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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。# {+ w1 ?  i) l

6 G3 W- h0 I" u: G' X4 @* R2 K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。4 _/ Z7 ^1 p, ]0 U8 L- B0 J

+ Z  @' @0 g! ~5 q, d9 j1981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, ]% }6 D! O; I" ?( X
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1986年，十的负十四次方。: G& E/ G+ r( Y  i, a; I9 B$ q

5 a4 F% L3 b3 z* m/ l* e2003年，十的负十五次方。* y1 Z5 T: N) z/ _7 p, ^
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2017年，十的负十六次方。
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) w/ [2 u0 c! t, v  m, `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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; u2 M1 f+ l' |& C+ p" T/ e; }。。。
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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。, e2 o* B  ~3 Q
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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。/ a* H- g, a$ }5 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 # `* a) V9 O/ y) ~" F( ?

9 A* [& g4 {" d, S  I# P3 `群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；; U# M, v3 j3 T: V3 P5 o
看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。7 Y6 i2 U& z. h# i4 ^0 w
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
! u- I5 e" W& D4 f2 e" }9 a4 i/ J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
" f% m% y" R1 I/ t, 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。, d) a/ s2 t( [8 ]% s& Q" j1 q
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
& Q+ C% r) e, n2 E& T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。
7 A( ~2 u+ X; i. V* {) d他 ...

! g  l! ^2 h, Q# e+ u2 @3 f" |短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好: z4 c$ H/ ~4 _/ Q. D, t2 o( S& P
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
. f  |4 r5 k1 Z& \' I8 C短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好2 U& f, ?* y3 c& x3 x
5071A好像这两年不好买了

5 X# D6 P& n" @* J1 k这个短稳长稳有出处嘛？$ w  g& K$ o4 g. M
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~~# R" W; `" E) C  }. {% f# X
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
# F9 {- y' o  P0 R- |这个短稳长稳有出处嘛？
* B. y+ I8 Y7 X; G& ]! y5 J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 ...
* m) }! f( y; T2 z: Q
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# y1 @0 o' c1 m没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
4 c% s! `9 C6 z! V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
1 t7 Y7 N3 e, O( n4 i; I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。
! u6 z; k0 S8 O" [他 ...

6 Z( \7 F! z" W9 |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
7 ]* q  {5 e% C+ B$ e/ N没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图4 l( b& X, D  K7 y
这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...
+ M" y; h$ l3 V' z% B  M! }
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。
) z- V- O# N! c7 G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。* G4 l4 W3 j/ ?" b; c1 a
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
! q: P5 P: b" x* J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。
; H: ?0 v& C. ?. E冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
  f; w7 `; R. r* r
可能高端的铯钟做的更好一些吧: ^6 J" ^1 o' i4 j' c
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' G2 W6 w0 r3 h# e! b/ n* c! K- n
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 03:01
6 O2 p0 ]$ \+ ~! _5 j: D  g安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

1 @# g! C% N* N, ]! H4 a! _+ a! }* A$ B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 11:333 C( p9 g% J* ]8 k
可能高端的铯钟做的更好一些吧
2 Q: Y) C7 b! T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
$ T: O+ l8 e! W0 W时间基准据说 ...
( M) i! A: |" G! p# v# e1 s3 d
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
% w( S9 l0 o' b* A/ W$ }请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？

9 L  U3 C  F- a% V  R# 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
. @# ]( ?* v5 R' o  h8 S- D, ^! a$ W& r/ v6 @7 f* |' D$ E( Q$ E, g
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. D$ w% g, h1 q
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 ...

* h: g) v$ E$ C; e0 q+ f7 c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: P3 \( Y* e  j2 B: |/ T7 n& c
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。 ...
4 o8 K( w- j6 b$ b# m
比较可靠的一种方法：9 h5 v: L. P! X% g5 N
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。
& D3 w4 H# b- d7 u( A$ r$ A. T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 U, s6 O1 b- U% ?4 G' t) v
大概是这么个意思。# k  r) C5 j7 s  l; ^

9 X3 D. K5 U9 \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
/ {* u& V5 Y+ `  K比较可靠的一种方法：
; Q' j8 N  z* Q, w/ ?. \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) h% @; {' w5 m/ y# D5 a
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
3 g/ _' ~  K: X% r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， ...
* |/ {' y; f0 D3 i- A
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
- E1 ]* h# E- x/ x& O& s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
- @3 z6 W7 d7 C4 V$ ~* H% ]角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
" G+ B3 i( ?/ T+ m# t2 J: G% x, L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 ...
$ [+ D/ ]: Y- W" t
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 22:31: f# Q+ D- g! R
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说& |7 Q  Y2 a1 j4 K" @. g
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 ...
; v; m( K+ B1 A4 K
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
  n' ]  R3 ~1 s8 M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。
0 E) L1 z  _7 X
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。
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; R0 f) ~( T/ ]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
3 |( h( H: U# {8 r# C4 ?! D# v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 ...
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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
- `$ N6 g5 m3 s6 h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 ...
& K$ J6 m: V* a# W7 b1 d
可以参看这篇：
* \1 ~: \2 A) x6 w& Q6 {6 h0 A* M: c8 ]+ `
http://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html
; g; h& Y- D6 ~7 u! E
+ h3 \6 I6 h5 G8 [7 v1 V“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. ”; T0 @; b+ Z# S) X
" T) X" h8 P! R  x4 W. f
更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：  C3 K9 `7 W/ ~- J
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html
* i$ i) l$ D  J5 U- D
! Q0 P1 h2 X, n( J5 X- Q; ?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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