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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 % R" e; x! T- v: M! G+ X
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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。$ e& k9 \+ H# N
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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。1 o1 ]! p2 q+ H2 w6 p1 P+ q
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个头、模样大致如此，二十六公斤。/ F/ d6 v& o! }

) ?8 f8 j- Y% ^* R5 @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。! g+ R1 x. }+ R- k( Z  Z/ P

1 |7 Q- I: D% V7 ?# _: C  @; t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。( w8 ^' V& w' L2 o; E0 x7 U
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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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# D! ?& b' p. `8 Y( K) D, C( Z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！# L6 C+ U7 h7 c

- R& j8 D$ o# Z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。" W( f2 [# C$ G; x& g6 S

. D# E8 ^0 f1 B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。! |' G1 R  m  Q  E$ ~
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===前方高能===3 r9 s3 ]5 q4 O6 }9 y. a

2 B3 S' A7 c. `9 g, R- L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。# Z5 j, D% N9 k* P; r/ |- F

' \2 f& C- Q( N) [% H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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1 Y- X' I; G/ y8 e. G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！
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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。  O0 l1 a/ H! i( y

) P2 o2 z6 o3 D% y1981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。. q0 b! r# d7 h
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1986年，十的负十四次方。2 @' L8 ]+ r& v( C5 \
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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。3 i+ Z5 }* P8 ~7 U' L: Y& r

4 b: D- v& ^9 z4 i* f0 V- A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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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。! J* e5 B3 M) D# A# g6 K
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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 k& v, y9 j  l$ g: j4 F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 7 A2 }" Q; n( J2 h/ q9 L. w/ f

" ?% m  X, E$ n1 b7 h5 N群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；# F/ i  V# h" I; \; L
看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。
  t! l* J( Q+ I* z6 i1 B4 b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
+ ]3 [( b3 q' }5 P; `% ?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
1 i# b; [* k- V# w4 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。9 j1 }/ Y! {) [6 e
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* v" ~5 x' @8 Z7 @& t$ S" K4 n- 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。6 a% `: a' s4 w) z
他 ...

& E* k+ O& \; P! I8 N( }" e2 X9 S短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
- R1 `( ]( q5 C/ f8 y% R5071A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
7 b. }! C2 x* u3 F$ T' _; N短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
4 W1 Y* g9 N  h* X, @& e5071A好像这两年不好买了

2 M3 c& \* v& Z9 |这个短稳长稳有出处嘛？
' o, w1 B1 b3 `$ O& 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~~1 {$ [" i. v" [! c
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 22:564 D* }7 [7 b% p7 [
这个短稳长稳有出处嘛？
! W$ l: @0 |# u$ q* v  a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 ...

4 w9 r- e9 G( Y, F2 G+ ^9 D! U* B, N2 M2 Y& U

, D* ^1 {' p9 h( z9 m' ?没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
5 g8 _1 f" T! f* T0 ]8 n9 }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- m4 a* ]- |8 Q  f) u  W
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。$ R6 M9 M" ~+ ?, p
他 ...

( r7 d) P4 K+ g" l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) n+ S1 |# F7 j$ F( f8 j& `5 f
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图2 [, s- r& E. U9 b- i0 S  S2 C9 q
这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

3 g+ [  E3 L3 K; n% D- 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。
6 {# Z: {# ~* k$ v$ @: V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。
4 R. c, B. T, }
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
9 P' P) @9 a! x  h2 z$ ]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。& Y) O3 f2 {( U5 c' [5 e: S6 F
冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
1 n. i' X9 |& Y& |
可能高端的铯钟做的更好一些吧
6 Z6 e5 k9 t6 ]  Z! P7 o7 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7 t$ k; B# ?: F) J; g; J
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
/ d" r+ S' \; g* k6 {安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

5 ?' B: d% r* I2 k) ~7 Z+ @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
% I8 m3 J; e# ]  Y可能高端的铯钟做的更好一些吧
6 Y2 C: c# l9 G& i0 z) P' J9 W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
& u3 C" W! v6 Y% a; A4 [时间基准据说 ...

; W& A& Y2 b% ]' h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
0 k. w- l) b8 f- K请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？

4 s2 w* p4 a9 D8 {) T" F4 X3 H) W: 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; l3 j" v, n0 z

; Q" b. r9 Z: i- H) F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
7 W7 k* |* [, Y8 J" L0 `* a  ~& H1 ~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 ...
2 x( y* S$ \5 W! q7 h. L
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 11:419 j( }0 j, j* n5 A0 r- o  f
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。 ...

5 s( H7 E) l9 E* k3 _比较可靠的一种方法：
8 W, t0 C4 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，这一去一回的时间就知道了，那么就可以测出距离来。$ [4 l0 _: o; C. d2 z+ {
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。
' C+ W; J% K0 n3 K大概是这么个意思。( S7 ?, ?. v0 X  s

8 b8 q2 E) |- c6 V7 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
& Z9 }/ u1 z. {9 t# g比较可靠的一种方法：
& {. u1 r1 Q  U5 B, z; _1 K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 ...

2 d% `) m) S  W9 W& Z, j* V; L) L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( l5 d5 i! S2 o3 v* C* 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， ...

8 q" q4 W. q% ?  d7 }角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说7 _- M* R9 T" b5 X9 _$ v5 `+ c, ~
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- c6 U0 X0 E5 U/ L
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说5 N: U0 t- C" F" E
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 ...

/ d0 M# }( x0 L+ f1 a' J/ H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 22:310 Q. P& Z8 N) Q2 O' @
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
6 B% S# z! G7 P5 A2 ^* y- E7 S' A& C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 ...
; t+ G( H0 ]3 X8 s" h  t& 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。
作者: radioradio    时间: 2020-8-13 10:01
随便看看 发表于 2020-8-12 13:45* u! x3 q$ k# v! n# r) 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。

$ f  N9 A* w% z/ l8 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。% `' A- r) U& W: n

# w' G: z8 ~' E2 y3 Y* K7 q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- ^$ \- Q5 ]* Q/ z! M' T$ W( o5 p! J
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 ...

% ]8 K, N' S5 ~, V9 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 11:202 T7 ^2 b! |( `4 @, s
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 ...
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可以参看这篇：! @+ V- v! a- l
( _$ R  g* A$ m0 c/ P
http://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html4 [% q  d& V4 J. Z  R& K: p* z

* N# ]7 U! g- O* c“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. ”9 x+ X, s# s& {& |$ e7 x; V
0 t7 V+ d$ \! F  Z4 @5 M! ]
更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：5 r% g0 u; u! f4 R% P
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html: f& B$ {5 Y) F1 b" s

  y" c  _& Z* R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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