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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 : f$ S7 A1 v' \) L2 Z# |% S9 N

5 v  ?3 K% x! Y. a+ N3 a" ?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。* V; X, Y7 X$ l) c' Z! u! f

1 _# u0 K4 u5 Y8 `- y个头、模样大致如此，二十六公斤。( O: X: h4 [6 e0 U
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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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" v! A" [; x; G! @; N% c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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# r7 }4 C0 `  q" B( ^; q/ i. \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？2 z# ^8 I; i. y" p

/ W1 o3 }5 {+ _5 w( C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！
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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。) Y6 x4 o  J! t: S8 e0 U; K

2 y9 W8 w9 T2 B( `9 O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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/ S8 D: \- u6 M) D! G2 y===前方高能===/ c: V8 e( J/ x& K* S9 W' R9 G

* P" T  ]' m' Z2 R5 c, m- 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。
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) ?& U5 ?3 U- C' e/ ^* i: \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。
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* c2 `" i) E2 }- L5 }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！) d9 c7 _/ \+ o# ^
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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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& l/ c1 J9 G; W: _0 m% 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。# f& v$ W5 ]1 k8 Z$ m
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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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6 T& q* R; Y- J. u( i) w0 L, O1986年，十的负十四次方。# v) o6 l' s: \( B$ E. e) D# @
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2003年，十的负十五次方。
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2017年，十的负十六次方。# r6 }7 R$ l. c" L9 }4 [9 M

7 x2 @' K7 w; Z. ~+ H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。, o$ d! `4 y+ E( H( C2 S1 W% Q" E

$ M" e! X( c% H( q, X。。。
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1 q" r1 Y9 ~' z! {, L0 `+ X0 [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。
4 c7 \) Q* p: r+ l! d' v: {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 * z# |8 B0 S0 F8 T
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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）；6 J( R+ F: {( C% I" E
看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。* y* R9 f  z; O$ }, y9 n
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
9 J) o3 u* O% Z+ s7 H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

, C1 m5 J8 s# T4 b& s, t1 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。
4 t' q0 J* R1 \0 P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
5 F" Z# Q0 d/ _: a: S4 y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 \- O, w: Q' _, a& c
他 ...
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短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好4 }/ r# D1 F7 Q$ p% o
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 13:359 e4 S& R& x" g
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好4 O) |/ H% L7 W7 V& s$ ^
5071A好像这两年不好买了
7 g: H" {& z( \. I1 i
这个短稳长稳有出处嘛？
3 t; b0 N6 q8 o2 s/ l$ O, X' m& f( M- s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 u' ]0 s! O' S& S
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
+ U5 u- D, j0 A6 M- Y$ M' t3 N这个短稳长稳有出处嘛？' G/ U7 e0 W2 R
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 ...
2 Q+ L* M; `: X8 I( k; A

2 W/ _/ i7 j# h: |9 G$ \  i- `8 M' a1 r
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
1 B$ x7 p9 F& [9 ^# |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 22:562 z) f  j7 b0 j/ J3 G
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。
3 I/ t/ m& H( ~- N: ?+ F他 ...
3 V. B9 F7 r9 c' m- z/ Y! m
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
! H6 L3 P$ {! H没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
  s# T+ p3 r5 ~* j这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...
' p9 K" M4 y% O. n
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。
) h7 b& e& q# g$ h4 z, q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。% M0 o& j' q* M# Z3 W- R/ J
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
1 J, ~) M/ V4 V4 e5 M+ 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。  s( V9 Z6 I) m5 _2 O/ o  P6 Q
冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
8 s; y, Q9 _# T: s7 Q! i) w, d
可能高端的铯钟做的更好一些吧
' I  `9 g# U& `" }+ Z5 r' e* e" V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
1 N- _2 d) k0 m; w3 A6 F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
) T0 `# M& |% L; N, ~3 V安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

5 N4 n3 M: d" ]8 y( [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 Z( N: ^9 z. Q+ X$ x5 ~可能高端的铯钟做的更好一些吧
/ M7 g) n8 J6 N( P- p) `6 J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
$ |, Q: W$ R8 I% y9 Y时间基准据说 ...

7 O6 N* D/ [+ q4 }9 a; N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' N$ q2 P9 l. B4 U% R
请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？

- ~: ?; W( A. M# ]" H; G# R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
- e& I1 q& D+ ?+ Y5 j( Q$ C  X: K1 s" O- j/ h+ |
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
3 l5 k8 k6 Y2 E0 P& d6 t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 ...
7 ?) ~- A: A- i; h3 p0 W9 R$ X) i
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 11:412 |9 _3 z" g0 v4 o* R
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。 ...

& t' B; D2 Y1 K, Q; R/ L+ x比较可靠的一种方法：
1 P& }* x+ @: l+ n4 r4 w- L$ s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。% h8 m% r1 B& {; _) w+ t9 W3 N
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。
; s1 i9 j: W, o" ~6 f大概是这么个意思。( n: Y" Z- |+ L( O( r  T/ O: @& I
; `4 L; {% ^( v" [
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
( s/ j; A1 C4 D* F5 N* y" R比较可靠的一种方法：
5 _+ I9 A7 x2 _* Q2 ~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 ...

9 y- N4 t% I5 o! 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，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' S2 `* U; D. ], 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， ...
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角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说: `' ^3 V0 }" u0 ?
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; @- b& G, h. W- j8 w& r; z
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
$ C) J3 o, |4 ?0 Q" i9 J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 ...

8 U5 J9 L! X  F* 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
1 [  F9 Y" z# M) O1 v+ Z角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说) d' [4 j! k; `, A0 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 ...

7 ^* Q! Z! u! Y5 D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
& C8 d  B; l! u/ 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。
2 C* T- b* v5 A+ c4 G( J9 ]
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 ^' ~0 n- t+ h1 M# V; x+ B. ^/ R9 a, e
2 s% D1 m* w7 _$ B7 h% S& ?
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; `( |" i) m% [& [# N( O, K
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 ...
" v$ ^% K  ?$ o; y$ q  K' x
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 11:200 ]: w. U, z: @- u) @" e# 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 ...

: e7 N0 |% U+ O% b9 _4 l可以参看这篇：
# i$ d1 o. i+ m7 g2 E) i, k6 S  i
http://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html7 E  M0 p& x' r, _- x3 P; e" k2 R( H
" U' a% x/ x/ k) O$ q  b+ U
“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. ”
* j2 ~( B) \. y1 b: W$ T. k2 Y
& d* o# r2 R5 p2 }* N7 p9 ^更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：& V8 L$ h+ d- _( P9 i
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html, I5 h8 k* R$ a, f" e

4 a5 K- B7 O9 C/ V0 q9 X  ^- A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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