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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 0 M/ `' R% q- v

! t6 f' u2 T" `' `, g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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$ @# a6 G7 W. C" _3 h; O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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& C1 B. l0 X; \: L4 _% c个头、模样大致如此，二十六公斤。9 N& C+ u% d9 E" _: ^  c
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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。! Z+ R' }* c! w2 {* w+ w' V+ [$ z( w

) R* q* k& G5 c, f  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。
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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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1 d' N' ~! [  G% z: w* O6 f2 ?* \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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8 }# ~: n! m& A% v' a; D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。7 s# f8 O7 [0 P3 C' h% R( h
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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。) k& z6 W7 C* W( o- C
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说些个大家可能百度不到的。  a! Y6 \- b1 k* \$ E  P
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===前方高能===
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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。/ p9 s; Y9 {* ]% E4 q* ?

( s0 p! X! N3 U9 |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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' R8 R2 p5 u) I0 E& D- E惠普当年的铯钟，吊打全世界。# c7 W) C. P5 {' J

: {1 m- o# f6 v/ R5 p& s' |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！
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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。3 b6 Q& B, J5 H& d0 J6 r0 `

; P* [& i7 r  H- Q( ?' F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。( T. m7 }; _+ {

7 r; S* O6 z6 R8 ]1986年，十的负十四次方。
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$ z: W* O) }: t3 N2 {0 `2003年，十的负十五次方。
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2017年，十的负十六次方。
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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。2 v3 o: Z" R/ ]7 w7 ~  T9 {

# h8 h$ R% _0 z+ J& s$ ^2 }。。。
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/ j0 @8 I4 ~9 w5 o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。) S* ^- M, t! H
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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。
% t, [7 S% j, v1 [. Z- q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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群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；) a% v2 i/ G% w% z6 o+ M9 z
看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。- B9 \' v( H! ~( O/ B8 e" w4 z
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* |# e0 L. ]4 a0 b( P0 x2 p, y$ T
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

3 n* r3 M2 U( c" n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。
" H8 E7 y! h, g& \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
* P8 p' K& e4 r0 s  P) S# |  J3 k0 C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。8 N8 B! c: N/ ~+ ?4 e4 i3 I
他 ...
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短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好, z2 B4 g" }# q$ z6 M3 Y% @
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
+ N! I/ v- b- x2 T短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好% p- i* R. Z1 [! u/ v' O
5071A好像这两年不好买了
! g3 z3 W% ?0 g+ C' f& {7 N
这个短稳长稳有出处嘛？
' A3 c  A5 k% z+ n/ D2 I7 T! z. k" ~& L  D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~~" P4 [: W' X3 t) V+ }
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
7 h7 r% S6 F- j# r  m这个短稳长稳有出处嘛？/ M4 ]+ }1 `  s* g( T& 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 ...

) T; L6 x) X# T- c9 |& ]
; _9 N/ Q1 ]+ {  \' I, s7 _2 z. n9 ?. ~5 e: C" Z* d( a
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图; X* G2 f/ m0 `$ }8 s* [( m
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
+ P6 i( w, F7 \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。
; P8 H" m: _0 f, ]: i他 ...

- }9 Z6 C+ y' E$ k7 K  g" y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
* N2 ]6 d+ ~% S! A, X没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图/ Y3 D( }( a5 w, R' |0 b( R
这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

% B  |& X+ r: B9 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。5 ?* ]- X% ^8 @! L
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。
" c. o% Y# e3 R$ `- Q
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
- U+ I1 f! K& _: _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。# l# w& g/ P* k1 L' b4 i- G; V' e
冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

' [! ~8 f" ~3 Q1 \1 N$ t( v( z可能高端的铯钟做的更好一些吧
) J! A9 Z" }8 o; B/ Z5 |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
  I6 e/ A6 _' A. f( e4 S. 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 03:01+ ]0 P8 x" o/ C; y4 H
安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

6 v$ w" E. n- ~% T) R# `* ^, c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/ s7 f6 o2 Y9 N8 |
可能高端的铯钟做的更好一些吧7 J" Z: Z2 [' O" g: H
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/ I# |5 B  n! u; P  A& \$ M
时间基准据说 ...

$ K4 |' k$ `' h; j9 B4 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 00:564 Q5 `2 B9 u+ s' M1 q
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) s7 z- }, S, `* G

1 o0 u* l9 w  x. j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$ m+ R- J* x, L9 m
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 ...

0 h6 k* r$ |& w1 [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
* W; w' L% s1 U# S% K, h: N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。 ...

& l+ ]" C! D* q( u: ~比较可靠的一种方法：
, P' U' h% r. I/ 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，这一去一回的时间就知道了，那么就可以测出距离来。
6 F6 @0 ?8 {  j' _' f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。. m& I/ {) d# I3 }+ I% B
大概是这么个意思。( c7 r. K' I7 X
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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
8 v1 Y- A0 R' a8 M7 V# n# ?比较可靠的一种方法：
" [8 m8 `4 [4 c) Q4 P% s! M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 ...
+ \  J: d" c" _7 m$ T1 {. t
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 D# o8 u' m# |, r& Z" W$ \. r5 f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- w1 U* ^8 a$ {角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
* r  {7 o2 f2 a# |- z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& F2 l' p7 `/ D3 m
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说6 ~4 C% d% O7 U% \- t
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 ...

: `" x3 }' ~2 a% E- 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
7 R1 ~1 D) K9 \1 h5 z' @. Q角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
. H  @5 F/ C" V" m) 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 ...

- v+ S3 n- {; a' e' w, }- O) 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 13:451 _5 c1 U$ a# `4 u  b
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。
5 ?: t- x5 a! K8 \9 w6 |
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。' g6 ^# h( s- i; H, I3 B

# `3 ^. B( y7 t+ d5 F  a9 e( L! D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 10:010 ?) R% h, H/ l) h8 a( i; A% [9 s, o
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 ...

$ E* M- f* Q0 w! P  G4 K% n" j% I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
# _) C1 k* R) d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 ...
; L# \0 z+ _4 e2 i" C
可以参看这篇：
) n' p' D; ^- S
1 [+ i- [% N5 z3 D. ?http://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html8 o4 b& ~- N$ _4 a7 D4 r, |
" Z4 g$ V  T- s5 c4 a6 O+ y9 U$ T4 f
“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. ”2 x5 F0 Y& O* D  C! x! H
% y% C0 R& G4 {" R8 h  [
更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：5 Q. c! ?; D& X" a) p0 I
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html9 J4 b5 s% `& H

- J$ G/ W& l  R4 K- e9 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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