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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
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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。% k/ d3 U1 ]5 Q/ c
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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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个头、模样大致如此，二十六公斤。8 s7 G8 Y9 |4 Z- U$ j( k2 l

& \8 u+ f  D, v6 u/ B. b. ], a! 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。
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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。
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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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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！- n6 W5 z7 }- O: I* z) w! o

  n7 W2 T' v% Y; a# n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。4 {, r; M" ]/ C. ?4 _6 v
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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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. i* z) }6 g: j说些个大家可能百度不到的。3 X9 b* H, M* @# q* `8 d
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===前方高能===8 q( J% B$ `# H( k; H
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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。: c( D$ f$ s; T8 E' E
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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。( F) G1 ]  }- u( T; u, S

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# k$ \# b5 P- m5 a惠普当年的铯钟，吊打全世界。' q* m) I1 K; v9 a  a
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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！, q8 U, |9 I" U( @  E
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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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4 u9 m( w8 C5 Z# f, ?  K+ I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。" l: i! Z8 E* k% k8 u* s
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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。5 ?1 q; b1 F( [' a1 x( a
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1986年，十的负十四次方。5 R5 n' @1 q& o1 z! ^2 @0 D3 }
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2003年，十的负十五次方。
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- [# E( C+ ^5 E6 |9 @- e2017年，十的负十六次方。3 b* y! b! B8 j4 S  p+ S5 c
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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。6 e) s' u0 s/ \! [( ^: I, T
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。。。
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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。, F2 @! [5 y2 l% e( z8 U
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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% q8 A8 U- P$ 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
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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）；% k9 C, Y9 |1 l5 M8 f; F! n
看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。
# @  P0 n" w" O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
! t3 Z" Q4 N& G# e1 p8 X- 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
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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。; c1 V2 O) s9 \1 _6 ]2 T" \) f8 o$ A
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 22:560 A7 r# J  |. s
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。
; U0 @, e4 R; ~, b7 y. D他 ...

% s9 |# G. k1 j" g( B( H- o短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
4 E; x) s; Z7 o: ^3 b5071A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$ F3 h4 }* ^/ n9 s$ Z
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
0 {, N  X7 a* }9 {4 L5071A好像这两年不好买了

4 s! X8 F# \9 s这个短稳长稳有出处嘛？8 x" C: J9 i; f6 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一半~~. _7 H3 `% ^( O3 P0 ?
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 22:569 ^7 ]3 r8 I% G0 y9 i" B9 \- j
这个短稳长稳有出处嘛？) e! `6 M" z4 ?  k* Y
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 ...

; D& x% K% s0 J; C$ i" d8 R* U, y7 ~& n4 W3 y& r

- o9 m4 u, w5 |$ ~+ ]没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
8 b% `) L+ v6 `/ u# x% {+ `. f% p, a; X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) l5 ?8 F: 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。; X& a9 R3 b  s3 ?, j$ s
他 ...

0 P% z2 v' W2 j1 a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
4 u0 \/ C0 ~1 k6 h) |0 S没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
3 T1 E% u/ Q: {0 v" }这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

$ |( ^4 S9 c/ l' r0 X/ s) h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。& P6 j: O( x, \& O- y6 {2 }
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
4 h8 S" W: I0 X7 v: a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。
  u& m) _% c( g% U8 q冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

! c8 ~4 @% E' N& K; _6 Y! a% [  H可能高端的铯钟做的更好一些吧7 l2 V' _) S5 ^2 l$ Q, J  p" T' N
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
( |8 u) Z0 S6 A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
! N4 ~- x- h, _/ L! ^! R. u+ B安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部
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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 b- b* y  u: F$ F* L可能高端的铯钟做的更好一些吧2 f( r9 v5 c% 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
# h# ^2 _) P' e/ S: k$ A$ H# w9 y时间基准据说 ...

( v' m4 G, c5 T6 k8 q/ B: q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 n2 T* [* e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
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5 c* Y& j' Q8 Q) [8 P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 10:297 w* g0 J! u! x9 L  O" S
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 ...

3 ~) x, F" x! t- 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。
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, [7 U- z8 n' n9 {7 s0 P9 h
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。 ...
. X, T/ v5 @, u. N7 A* o1 e6 l
比较可靠的一种方法：6 t4 K# Z2 O: E" l/ Q. v
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。+ t& |# d/ K' u1 T
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。% i+ Z( T" i* w
大概是这么个意思。  p8 F7 e3 ~$ h7 u( @5 f
9 j! ^+ T7 r3 F! f( L' t
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! i" l. \" h5 q' ?% H7 `7 A
比较可靠的一种方法：! f9 f1 P. X( E9 x1 t7 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 ...
& W, H. Y8 N, f, H0 L8 ?' P
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) J  h% b8 s4 R6 y2 v
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， ...
; V, _1 j$ D( v& y+ K
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
7 w2 w6 \2 v" o0 A' {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 22:314 N6 D" z# `- d3 w, h/ @. U* A; }
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
! l2 c7 w$ R7 v% ~4 {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 ...

& u. x$ _# V/ R0 d  _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 p) U' Y! }  e1 v
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
5 B+ a% E! Q1 ]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 ...
- k* @( g3 c  H) z( g/ T% z4 ~
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 13:458 ]' D" `# `- I* d1 K7 x7 X
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。
& ]& ?" a3 j7 l1 w" k2 m
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。
0 V3 d, S5 B* o
8 f1 k. Q& l2 F7 y5 ]0 m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
- @* ?8 @% w5 y. R1 V2 U4 [/ 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 ...

& B' ~- |$ C, R# V$ ^  C- G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# i. x- [: s9 S1 i9 H0 |: 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 ...

6 O/ R, t: h" e: M4 v( V3 x可以参看这篇：
! A8 e) E0 j2 x5 u  S% L$ q( Y) a3 n9 O8 N
http://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html) z1 d5 O) l  P; x
5 @! ]0 V( l# O1 Q; E$ H4 k. i
“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. ”- W5 b% k" y# K" O
: y' X* z  t0 M7 d- T
更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：
3 A3 B8 ~: H1 }! v. Ahttps://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html
3 f8 @- e' R1 s) k' M) u( [* n; l4 N2 y: z$ N
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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