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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。
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' e5 a0 n9 h8 j0 u- J: X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。% }/ P: B6 g2 ~! X9 G. x

* U, W. {/ e' t8 y  G' l# K. f个头、模样大致如此，二十六公斤。
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( o+ o' a: Z* 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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2 d8 `7 _& O1 h! Q  }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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, A3 W" K7 X( Y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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. T% L, J6 U. C1 z2 h( n; ^, f, g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。$ r+ [+ l4 a7 @+ ^
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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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! R0 }- a9 R1 {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。
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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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: O/ \, v' a' C1 M( K1 j; ~说些个大家可能百度不到的。- ]9 g$ C5 h8 O0 w. h0 h: q* a0 L

5 ~  |6 B$ J: R5 V2 @! I0 z===前方高能===5 s: k* k+ x# }" p0 e/ x3 T& z
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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。
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& t( {# a3 S( o; _7 T; b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。% }1 {! }& t1 C) A( R( i/ [8 A3 p9 w

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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！
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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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: M+ a0 r3 E+ Z2 c% h/ c+ H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。' a$ n: w7 }* Z$ Q4 W4 a
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1986年，十的负十四次方。
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& r" E8 w& P3 H: V* M2003年，十的负十五次方。1 b- T7 h. s% `- Q' ~" d

  D8 U5 t1 }2 o$ G4 M9 r. ^, a: C- {2017年，十的负十六次方。8 k1 F  E- e+ V

4 I+ A3 |0 B- I; s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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2 J. S5 X7 H4 V& J# _7 b。。。
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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。
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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。
* }, M0 d' H8 }1 R* a- b8 {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 6 I: h4 `& U7 z4 V
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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）；9 ?* M' o* \0 b8 E2 g! ]
看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。+ ~& \3 P8 C. H% b2 r$ R, c# P
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
+ _) R# ^# P0 [: @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。
" e- n. T/ Y# D$ p' w+ E/ z* ]6 j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! I* f9 v/ c: \: K* A- z
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。: z5 n4 Z: x7 o2 R
他 ...

4 s  O7 k, g4 {2 W2 Y, N+ A短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好* L: m0 j' N" r7 W; S
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 13:353 b4 g2 e" `+ J) h5 r
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好6 e: U) g1 J2 w, ^) ^
5071A好像这两年不好买了
8 G- l9 `0 G7 p% s! L" P( ^7 Z. F
这个短稳长稳有出处嘛？3 O) _( r; h' [' x
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~~& q- M$ X8 x# C. E2 J- Q2 G: A/ 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/ _  q! X) t5 b+ K/ G" C$ `5 |
这个短稳长稳有出处嘛？
  e9 s' |  q& 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 ...
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0 g/ Q+ D, e3 h9 b
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
# ^' P- c& V! U* [4 s4 R2 p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
/ q7 _; j. i9 w; e; C; T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。! O0 q2 v: [5 S/ b, t' P; G, {
他 ...
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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/ M& t; K) {$ l7 {7 Z! N
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图; U5 v# ^' G3 r1 x
这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

/ k6 X4 a! V7 v# U1 x3 J1 |, s% A' U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" E$ {* [- i9 ^" W6 L
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 03:353 a9 J: h5 `' J& _
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。! [7 M( d$ S7 v4 c' g* t, s
冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
4 E( ?1 o, @% t2 }
可能高端的铯钟做的更好一些吧' C0 B: Z4 {9 v7 h  r5 E
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 Q" H5 Q- S3 z# y( C: O8 s+ L- ?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. I* P6 y( e& e6 h0 n" ^! |
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
3 }/ w+ k3 R8 j; l) d; p9 D, E4 C可能高端的铯钟做的更好一些吧! P: B3 H1 O; q8 y1 [6 p4 x% c# ~
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
2 D( y* D$ y9 b4 Q* B: B# T$ J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/ i: z5 `! S! {- g
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 a/ l, \* C% F% T- I: H7 g9 c7 _' Q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
5 x- o3 t6 v" i8 x9 W7 p5 Z0 R. D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 ...
( [- y0 A* g7 ~8 k4 F6 o8 I' e
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
2 |1 A. u- x% X" w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: g" x+ |" `: K* q; ~( p# Y: X3 F比较可靠的一种方法：6 V& e6 j" j% X+ N  I2 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。
6 H/ \" ~0 j9 n( U9 D  h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。
7 ~! i( E% L5 P- P/ g1 B大概是这么个意思。
" f! ~, \: t: i; W) P  p
6 [  \0 P' w) n! c# X9 d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 17:073 x1 d! |% A( a! O: N) }1 N8 j
比较可靠的一种方法：) }! O! B+ N, R/ D* b+ ?6 s( z; c& I
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 ...

# }! J5 W8 G( }: P: g9 L. m+ [3 x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
$ G9 k  P7 o+ J2 ^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， ...

! |+ O# Q8 L6 N9 |& Z2 \+ h; P角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说% B0 L2 R: I+ J" `8 t) T- ^9 |
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
! S% U" L0 w. j: G* p; H9 ?4 p角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说% |! q+ j" B. [. h$ B1 S
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 ...

+ p& w' p2 G( k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 b8 @4 B# K0 g角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
9 B4 k8 h0 v; h4 v; Y' _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 [! n+ P8 l+ ]9 Z, f  h, a; ]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* F+ ~# l/ A! n- P; p( N! {+ I! t
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。
0 S* N2 m- P- k9 \
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。+ k. M% U& t& U0 q

7 q( h0 s! Q* E  E# W- N: 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
& W( B" r1 q6 t- X! }. R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 ...

" K& I) e. w& ?$ F1 w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 11:205 P( ~/ s3 c) F2 ]; 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 ...

8 a- e. e; l/ S8 S% u3 p% p6 z$ b可以参看这篇：# J! y" q3 ^- w* e8 J
2 r- ^  D0 _- K1 j' U: r) J
http://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html& O5 {+ H4 }, Z+ v9 h

) W( r; O, H3 Q7 Z“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. ”
  S9 n( D8 h+ E; R4 V' v
0 ~$ u# l! N2 C' e0 Z更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：2 @  S& H1 o: v
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html* T- n7 z+ h* r- R

& A& t7 }0 l/ Q8 x8 h- E: S1 E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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