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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 k9 d: U. p, n: `' @! E( T* s  m4 x: Y
1 c, o$ n, G, T5 S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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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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0 `1 ]5 Y: L& L' f) p个头、模样大致如此，二十六公斤。
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: O3 T3 B: {4 Q  c8 ~/ 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。  s  E, T; [9 H/ t

9 m0 Z+ d+ \, c9 h/ D2 p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。9 R2 `% y5 q8 Z3 J4 z

' w+ M" C5 e% F5 s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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3 d* _" }2 V5 L8 R( e% [7 f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。5 }( h* u9 {0 x9 O6 _
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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！3 @- T5 v# `: C: R
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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。
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说些个大家可能百度不到的。
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===前方高能===
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$ }$ |8 n; r4 V5 B  U, d  }' p2 p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。9 J( k4 n# N% Y/ S. T3 o; T, _

& e# y" v9 Q. W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。% }5 a* j$ T+ b1 b
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5 k3 U/ i: l' \" q6 A惠普当年的铯钟，吊打全世界。
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$ _0 D4 M  `$ _5 `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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6 T5 a5 `# s7 Q: j( g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。) h# n5 C+ @! w( d! q: v
9 W& W/ U( y3 d" A
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。
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8 A# ?2 p2 W2 m- L1 b. x1986年，十的负十四次方。
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2003年，十的负十五次方。& `2 t9 |1 y" r0 D4 _$ _2 E( o8 B

5 T5 I% \+ n& k) I2017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。9 E2 v& Q( U0 C% d

7 B5 Z, i" M  z: a。。。
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; i* H: i3 k( A% K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。5 s! m' [  _) Q) ?3 b3 ~
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 $ T* c  S# Q' t! G* ]+ r+ i9 B3 @" @

( j6 C6 \+ K( q群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；
- ^5 E3 ?: ]4 b2 v2 p看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。
4 F) X0 N+ G' m' G5 v" x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
" o; S4 @" ]0 p7 i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
& u: e; V# U3 o7 G6 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。
: Z, k# t; w9 B% r! V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 22:564 U# G- ]1 T( C' L& {. 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。
4 y4 H) Y# O# k# I* G. E他 ...

4 I. o' u6 g" E) n# \, T短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好7 {7 `' n+ s  L, b2 @
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
4 k$ O. U$ @, c& Z6 q& }3 X9 Y) l短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好: N0 y! j  `# X% D7 n
5071A好像这两年不好买了

7 B9 P7 w0 t4 p7 f# O  Y这个短稳长稳有出处嘛？
) ~& E6 y0 N3 u  X8 Z# C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~~
: P) Z5 n7 K5 B) \- p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
3 A. {% F# B6 f" _. h2 T# V0 O: v' ?9 Q2 w这个短稳长稳有出处嘛？* l" s2 {+ ~: k) e0 `* |
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 ...

3 @+ ~# v( a, P2 G0 g' |; U: o1 ~( n% a# y( }& U! J

4 ~* |4 }# R8 Q% @, _: B7 h$ P3 h没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
4 r& T# ^. E9 l6 F6 p; L8 \2 ^8 o+ 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* q4 t! l# I/ f! X
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。4 Y  \; @, `5 L; x) ^! t; |% f+ v
他 ...
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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 12:482 e% @: \# o: N) V( a1 v# f
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图% a3 Z9 ]3 |5 ~* s9 ]/ J
这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

4 \  p; {! c$ H0 N0 y- F) i6 j. 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。
7 ~1 t0 d9 y% O, z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 n6 S3 q3 r" u
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35' O' _0 Y% e' W3 j# ~/ a' C9 L& C3 B
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。% f& Q6 ?6 p$ G2 ~
冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
- _# p! }7 ?! m) Z' w: Q
可能高端的铯钟做的更好一些吧
% Q0 `9 {7 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4 L  b4 D1 C$ h$ s
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' @  v1 K) s; O7 g# ]. U
安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部
( m9 R+ W2 r- m7 K. J6 P, r
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
, _7 a$ R3 u& T, U% W1 a) \可能高端的铯钟做的更好一些吧$ T8 ]; Z, t: D, A; v/ ^3 e5 I
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
' E+ ]& S- `) j( O( h时间基准据说 ...
) C# ~1 G! W) ?9 A! ?  p
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* u3 ~* \) V% d1 P5 J6 S+ p
请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？

4 [7 w0 B/ ]: o4 S% 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( ]2 D/ k  w  k
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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# I) r" `" p1 h+ h. I1 M% u! x. [
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 ...
. o' f6 o" P2 ]
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
' \/ l6 I. J1 v# [% w' z+ 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。 ...

/ N$ u7 d4 p8 V  N1 D. o7 L7 f比较可靠的一种方法：# o* C# Y4 q& `! l$ }7 f5 i6 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。
" j# A) D. s9 G; @7 s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。
4 \, D4 s- S/ Y* B5 m- K大概是这么个意思。" {  J# J/ R2 H

7 u, H; N# n+ I; c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+ y3 p: n5 ?  x/ w- B
比较可靠的一种方法：
) v! A- \- a# x, ~8 s5 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 ...

  i9 L) Y* w$ ]/ i7 o8 I; S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$ N) l, V1 ]" H- y3 H. [
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， ...

# Z1 C! {' r: Q0 H9 E角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说  U# ]$ m0 C: ~1 |2 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
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
$ c* f2 L" F1 A+ R5 t$ h角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
9 y: u& q8 s; M( y1 `+ 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 ...
4 j( e$ b1 F/ [% R; c' _
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 22:319 N% O+ m  `* R3 |7 d$ ^, L
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说2 g. I' E5 W) P
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 ...

) ^( H6 w6 m  F' V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; J; y4 i/ u! Y5 z/ s/ X) y. h: A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。
3 P6 H  I/ M; C: a* s! x# a
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。
; Q' y( |+ ^2 X1 b: F* Q9 M; [' l/ A& y  K3 H: T' ?: Z
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 10:014 f3 [+ M8 F4 }) o2 q  L
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 ...

3 ]( G! D8 k4 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
1 n3 D: [, j- g! K; C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 ...
+ s2 K' m) O- p; b
可以参看这篇：2 z+ G+ I% E2 O: s5 r

0 U& r! a, q! o5 P5 c0 R: p" Qhttp://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html# K4 s7 Y; N+ m5 w7 U" f; p; O+ n

; s8 ^  X0 k6 i# e, y! Q“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. ”
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% a3 H! R7 o4 Z+ p: D更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：
7 x( Z0 j5 W; L. R8 Ehttps://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html
% \# j" [$ Y% v1 u+ c  X. A
) h# x/ o- b0 e' j: e) O! w: S. 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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