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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 6 s7 [' q+ ^2 d1 i% Q
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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。
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. A) D* E' |, T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。
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( z/ ~2 @' U& X3 }; h% G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。. }/ Y$ Q$ j, a7 R$ e
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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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1 m- o( T4 u/ b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？/ U: k; q) S& M. b; M* G
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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。1 G. f$ L3 q' d. k7 k) X; L
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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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3 X* e+ V# T1 v/ {" s- A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。" ?( B8 V: q1 g  G

$ y/ j4 W" p5 k2 E$ E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。6 h3 f5 {8 G  J1 _% t$ E
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说些个大家可能百度不到的。; g1 m- a7 M, v

5 q: L$ R) K( g: Y$ o" m===前方高能===2 ?; i6 p: B8 i, L+ K
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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。7 T+ ^: j2 {: L- E

5 P- K( b) e/ [, Z% k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。  o+ R% u  q  G3 W) W* T

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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！* ?+ A, `# ]! F$ P3 a
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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。& h/ F2 u+ h  V* Y* u5 b7 E
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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。
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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。& X& J/ O( Z3 i: X7 ^

; ^2 H4 I% ?/ l$ j1986年，十的负十四次方。2 m) ?% n5 b7 }9 c1 x5 E
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2003年，十的负十五次方。+ `$ R# _+ C5 }( j

& @* ^0 S1 {8 F; _) T2017年，十的负十六次方。; H, ^6 K7 @8 {# _  B
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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。. C5 C& A% T. o
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。。。
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  v* ?- X. {' `9 z6 j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。  ~' J3 M% T2 C0 \# v
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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。
6 A# f- e4 X9 B# x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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* |1 C# z6 G3 U% Z8 G; |+ o. r, t. u; c) P群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；
5 P9 x5 f2 a& w0 ^2 \' K看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。
' a5 \; |" C3 s" K8 F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! n* {" U  c  q; f' e1 S' g
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。! I* Q. C5 N* H$ j& J1 f' l3 q
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' `7 N' x. a$ @# i: B. 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。: `% Y/ j4 N) |6 B4 e$ o8 s2 N
他 ...
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短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
- @5 Y+ P  P1 O# t7 [7 f5071A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
- V( j  j  y3 j) O短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好$ d1 {' z& W! |: x8 d
5071A好像这两年不好买了

1 x4 M& ?4 B; P/ {% W3 M! ~0 q2 ]- f这个短稳长稳有出处嘛？+ b3 Q  }& p: i1 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~~3 f+ d7 m: H8 o, N$ J1 Z
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 {6 R8 s, w, g( ^5 M3 R
这个短稳长稳有出处嘛？
0 \( O: T4 B1 W( K+ e: s7 s% i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 ...

  M& L, B4 _7 Z2 R: l" J: V5 ]; P3 w  [6 O- C( b" T* z8 `

1 f9 S) {8 k( B/ L没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
1 u4 q1 U/ c* p5 G+ 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
1 a: y4 P. B2 D  u6 \5 Q7 E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% y  ^# {& k他 ...

8 m% o0 Q, B+ F" }4 g7 t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  p0 |8 K4 S6 Y5 u6 M9 w
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图" W5 v& ?' i' V7 T
这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

/ d! g$ t/ u, ?! c4 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。( O, p2 T, T0 [+ m+ y2 Z* X! Y
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
3 Z2 p6 U. Q5 |. Y, ~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。
* _0 A; ?; ]5 `6 W" K冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

" Q: G& o+ N+ H9 Z, e: H, y可能高端的铯钟做的更好一些吧
1 f& p) B/ ]* J) U: k! ^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+ z6 R" M# S: b$ v% [8 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$ _  t' g; Q0 a6 `6 u! R, B; C$ V
安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

$ d) b4 m4 a  V! m4 v5 L2 p5 i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& b8 E4 d6 u/ b" h
可能高端的铯钟做的更好一些吧
# N: X2 X* X0 P9 P- \0 c$ g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6 D) x0 C& k$ W7 M9 q( T$ P7 f! [
时间基准据说 ...

9 f) Y' Y0 b; Q1 H8 w% @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
( _  I/ Q8 @- E& j# b. G" k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3 Q" R/ U: N$ D& e3 _: p; C
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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
: A% d7 ]! p& ~! {; j2 ~: \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 ...
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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
/ o3 D6 Z% {* R; s! b0 Z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。 ...

' W! c- N* Y7 A9 a- G9 ?7 G比较可靠的一种方法：+ r0 C- f) p) I- A3 K3 P* Z
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。$ Z$ _5 F5 I: d7 \3 X! C% M3 V
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。2 w! V7 m2 w# S; q
大概是这么个意思。
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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% a: I0 G! l* l
比较可靠的一种方法：
: L& H" f  d8 p1 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 ...

$ [1 f7 g5 t: t6 z3 M, G9 n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
2 }( O/ w3 r) z1 m1 f( L1 F1 V) c! 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， ...
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角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说: x9 f) e% P# \# f- K) 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* B* Q# d9 x' U% T+ t" u
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
, N, y2 |$ j- u2 g4 O* R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 ...
  `( q6 T: s3 ?
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" Z  t; [3 ~* \" a
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
8 d3 ~8 M7 H" A" i2 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 ...
; e* I8 Q& ]* X1 F' `' m0 h
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 13:457 i6 ]' u; r/ W9 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。
2 Y9 G* @, U3 t8 J0 d1 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。4 N+ \6 e# O0 _# i
: e* `7 f3 X- T  q4 _: k
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
3 F( t7 F" m  a. K  n) F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 ...
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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
6 o7 @8 {' \1 J- k. U; j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 ...

* Y" G# D+ B! G& p& p" C; w可以参看这篇：) r' |, ]; X" ]  Y! K9 L

! s5 x. @& D* x/ mhttp://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html
% S) V; `' A. \$ z/ [2 Z: R' {5 m* J8 G$ V: j; a, n$ s: `  \
“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. ”
6 j/ v3 p$ j6 F, y5 I$ {: A- \. Z3 G: v' l$ a  H+ @. I) |  u
更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：
% @' N/ p0 i( t6 v. ?/ z3 M, Khttps://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html
1 s4 H2 |7 X- a. J( `6 _" x
% q$ d; R& X6 ^6 e$ [" U9 t* }# ^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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