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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 T% k5 z6 I" O! Y9 a7 y) C8 f
, k$ L- X. m  P9 |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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+ C  ^& r! x' _$ z; T/ U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。, n4 O" d! e# g0 G. f
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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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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。* ~4 o% `9 _$ H4 }/ u6 O
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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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# N  b  G* m) s# P9 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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) p# I" N7 B/ p  g: q: s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！4 X/ e- p: B$ E% b. e2 Q

) e" l+ \' P) {/ ^6 w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。( \) F( z! t; t; ^/ q

* _  v9 O* i1 d9 y! `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。. \& a& b6 h. n3 v6 h
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说些个大家可能百度不到的。
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4 D# X4 Q+ _5 n. e7 s6 k===前方高能===( N6 ~+ [2 T8 P$ P" j

# c- N! F0 T$ ?% V1 X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。) l$ E+ V! t) b0 v2 x' T

4 e, H- }1 s1 F: P: U8 a& e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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- Y) K. E; D9 y( d8 @9 |/ Q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！9 E9 ?9 e- ^  o- _! h
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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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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。" m& Q  Y. ?1 _- h" J6 w
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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。
* }  f: ~$ t' {
) \+ \4 D# e7 }) e" Y' T$ s1986年，十的负十四次方。
+ q! }+ M% ?% z. U/ w
2 h# K/ e& @6 N& R2003年，十的负十五次方。/ N. V0 ~% l2 l& \/ D; Y2 b7 F& ~$ J. Q
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2017年，十的负十六次方。
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5 {% V* M! \, Q. B0 b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 c% e( d0 b! ~$ h0 V( m$ b( f( N0 w
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。。。8 }" R, Y3 b0 ~  ?
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+ G; o4 o, c; v0 k  t4 k% g: A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。& c# a+ s4 V% B1 E/ G9 }* A3 p
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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。% g4 m( o( j5 C7 p/ P
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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; N/ F0 i5 U8 R9 `+ O9 {群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；6 E2 D# S( ]0 G4 B" Y
看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。( v& A# D' l6 z" j
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 ^1 a# q5 f9 h. E  v; o- 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
0 G0 l8 e" i5 m# r( h" D
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 e" W! ]2 _- O7 d4 r# Z
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# ^3 M5 E5 p, w7 H- D) 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。! a& R, o. y! x* g; M8 X. r# `
他 ...

/ f: i! F. N  B短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好2 H$ Y5 [" c9 ]
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. ~5 i4 W/ n6 ^. ~, G1 ~# t1 T
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
: }, a' F& S+ z3 a7 C8 O" x  S5071A好像这两年不好买了

3 }& l. F- M8 @) e" \4 d这个短稳长稳有出处嘛？
9 b6 r: J# N0 h3 |6 c0 F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~~
- P0 b% \) U) W* I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 22:561 f7 y0 _7 l$ f: R) [
这个短稳长稳有出处嘛？1 f/ X) W; s: D5 z
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 y6 U1 V2 [! p8 I; p% s
+ ^! E/ p" f1 L* l1 U4 a2 F0 z% C: _& r' H" z- e9 z
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
& h- F0 G) |3 `0 {: |/ Y/ z( ?6 o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- e. Q- B% O' {3 `$ R
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。* L, @5 Y# s4 T" e4 \! m
他 ...
8 r; ~, I% {2 d& F% I0 X, f
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, ^. s! z& X6 M! x. L1 ]
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图% U, c+ }% E$ y" X$ a
这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

. m, Q$ f- N# L0 k: G7 @1 s& {4 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。8 x* ]" U( S  Z9 M; I; [& j
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。
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作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
: F; [3 ]8 K& p" |% 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。
4 {( ^* j" s( I0 ?. ]4 U7 V冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
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可能高端的铯钟做的更好一些吧
% q6 V: D7 u& H5 p* Y/ Y1 Y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' X3 I8 ^# v0 g
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
8 _% i; D. i1 B安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部
( D$ F; l( W0 M4 e' j7 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+ W. Z( M+ g( P  \" q# M
可能高端的铯钟做的更好一些吧
8 \. c0 M1 `1 G) G- `: p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
9 N: E# O' e- {" p5 M  u( O5 ]时间基准据说 ...
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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( H) f' U9 N/ t1 v9 _$ i
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+ }* _$ D% P0 Q- N( Q& i
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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
# |. c- i1 S7 A$ D4 f$ 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 ...
5 S# @5 O& l8 o. }
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
) q, j- O) v: H9 K# Q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。 ...

0 |/ |& ^* J- K8 D: Q4 }7 m* \比较可靠的一种方法：
& b6 U. N1 N% \# h9 F4 X0 K: a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。8 G5 o' M5 c8 X) ?5 }, U: {: y
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" E* Y0 @( K9 N! z大概是这么个意思。0 D3 j' r% V% _6 Z7 l. Y
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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! U( t- K- R! s9 R
比较可靠的一种方法：
& Q: f( y8 z: I  g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 ...

) g8 v2 r1 p3 [% M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
( q! p# X! o# H+ I  Q$ X5 O+ S4 Z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， ...

% f# p# L5 D, q7 @3 t- P) a3 O3 h+ ~角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
+ Z3 H; C1 T: J# I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% o% z2 W7 T. E, x6 q2 ~
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说* h& ]3 g6 d$ W6 @- g1 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 ...
3 ^1 Z5 S) R2 l0 k/ T; B
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
& Y% Z# F7 l1 c+ b( P& @% O5 H角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
$ y! I9 i# Z$ b" m5 f# C) D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 ...
% r  x. t7 Z; `  c7 N: 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+ b. y! ^2 \# G# `6 f2 J# F
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。, L7 E+ T" c0 Q: R7 ~  `  k! U

1 X# Y; ~5 w2 X. ^; l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/ ]+ b, z5 T2 k* j2 G0 p9 b8 |2 Z0 [
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 ...

& I0 p/ o3 N+ I1 J, O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
5 m  P- u' u. M3 h/ m& i+ Q* r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 ...

, q1 U1 B: I+ u, ]& f可以参看这篇：
0 p: J* Z" M' T! H2 ]* e0 [' s, ]# ?8 I3 }" B$ C- ~( h/ K
http://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html
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“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. ”. \, O; M  L' W
  S/ B/ C: Q! S: r$ v
更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：" p2 ]8 O% u+ Z& z/ ]) Y( Q
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html
+ l; p) i6 V' B7 ?- w! T
" O) M3 B( n: Y8 h0 p2 E7 y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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