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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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) Y  G* R$ X, W8 _& k: a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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" Q, ?7 U0 d; O: J; Q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。* r7 Z9 n4 E% v, I# Z
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个头、模样大致如此，二十六公斤。' C% }9 t" ]8 G" s& x' u2 A" C

8 d9 D& a8 ]) R/ O& p  A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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: \+ o. q; O# Q1 {! g& D) Z3 C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。7 w. I% |9 n6 {3 Q& U

; U* v$ d& F% m' i7 c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。. B4 s) A1 t: Z6 z# q% ]
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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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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。, _+ N4 L# N; g: P
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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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说些个大家可能百度不到的。
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8 @6 ^$ ~" I8 }+ Y% o" Q, v===前方高能===
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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。& |: n; k9 o, Y/ H

+ u. j' G3 v6 F5 p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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4 p; i4 s7 |: m4 r惠普当年的铯钟，吊打全世界。3 C( m( I9 P" N6 C/ U! Z

7 Z! B9 l) o  }* O# i1964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！. T$ S3 s% q% V0 T% J
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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。6 U1 i, J. }, L, {5 {; a" N

# D+ ^. h3 q3 M0 `4 N: _% m/ h5 D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。( {' O1 b$ q8 f/ i& d9 i* Y* F0 u, I; j
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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。7 Q$ j% f$ Z! l3 `4 F

: T; |8 r0 ^. q- v" D. i1986年，十的负十四次方。1 q0 C, u6 l8 f5 l7 K
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2003年，十的负十五次方。" }# _+ V  d: z- s+ R& N$ E
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2017年，十的负十六次方。
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6 H# U$ ?. w; S0 F/ h4 g2 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。1 Y3 N' S. k9 F6 y- y9 T
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。。。
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. F9 P* `' c' U9 M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。
# }( m1 B2 B/ y$ z1 r' 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 ( M" v3 s& m' G- d9 m/ Q
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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）；" |) V# a+ Z' p: c! _3 d
看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。3 |' E7 k3 K2 S: u, ^# A& ]
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 18:459 C+ R- W3 }, e7 G+ ]2 i0 D/ V: f
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

9 o5 ]! n  l0 |# {/ a, c" ?2 l' F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。, P/ h0 ^# Z6 f5 P4 D* J' M4 @9 N, ?
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
# l4 n3 C, C# c. F! 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。
  A9 O" V" s, h6 M' y3 p他 ...

3 d4 E/ P# n& ~! \3 T3 J7 g+ {短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好; S4 D6 I  Z. r( T% G9 Y
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
' f2 o) _0 s# p短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好) ^5 x' T" Q+ ?7 P8 {
5071A好像这两年不好买了
0 Q% g8 _1 ~' e9 N+ ^! B; y
这个短稳长稳有出处嘛？6 p; }0 S% d# Y0 P: b/ l3 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一半~~
; r+ S, w$ f' }% {( 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
7 Y2 l# O% O# y( n+ ?9 j这个短稳长稳有出处嘛？
+ S  q( x) i/ x5 [( Q9 M% V: l& [% K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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" d3 ^2 h( R2 k; M' y
7 h% f* t: N+ n- H  P: i* N" Q
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
# g5 c' v8 |" I; b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  [+ ^: [% a0 m' 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。1 i4 S$ s' b* \; }% w
他 ...

0 I" e* H1 h' z9 v, I% h$ F& Q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
( O- z# J' j# o: s/ S+ s没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图2 l9 `: w# v6 ^" T( k
这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...
! v1 y$ l: j! R! Y/ i- I7 W
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。5 g3 `7 t  H2 a. V3 L! x
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。
; m: w. N' z( d0 d- q5 i
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
, G( {( V) W1 r' 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。4 o# o! J3 E% ~* f* @
冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

8 ~  }! h6 ?' _# a; H可能高端的铯钟做的更好一些吧6 K- l8 C/ H3 m3 Z+ \
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
- G* E* [, o8 X) R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
6 ?7 t/ J. K, o. t" l0 t$ U5 Z安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

' [; M, q# O- W, v! H( ]" |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
8 ^+ j0 f$ n' g( K  L8 _$ _; l可能高端的铯钟做的更好一些吧; A# u) d/ i* i" J5 Z9 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 `/ P2 [) I9 V6 v/ i! o) E时间基准据说 ...
" C: f' X: F2 g" q5 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
& u4 R6 T* C  l5 Z: R% {. p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! a4 q: k6 D) T  _+ F6 b- \
1 P# o% i  J5 [9 |& \7 K
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
  h. K7 w6 d# x$ ]2 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 ...
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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 11:412 j% e' B$ b& B: V; 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。 ...
5 a) d$ R! {) r3 x; v
比较可靠的一种方法：
1 |' X  K3 T+ ^  A$ @( 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。
0 \" V- R' j' L8 u% v. G! u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。- \% I4 k4 ?+ i. D8 j6 H% W
大概是这么个意思。
$ B" N* M2 o6 L$ P% E
+ h5 M+ e$ z6 z3 V( y* p, r& L. L+ ^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! @+ r8 S1 m' q5 n; Q7 l
比较可靠的一种方法：: I/ S8 @5 P1 t) Z  [3 @, 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 ...

' ~: ]0 l4 ^& t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
" F$ p: s  g6 I& `" U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， ...

1 G* F( {' X3 c3 C, [8 F! g' V角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说2 ?6 o2 t  a. X
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. K/ M9 }  y, M
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说' S% s$ C7 ]9 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 ...

$ r, T: N1 q, z7 B* x. f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
7 X, c1 J0 Q" l) Q  f5 n' n角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
, i. @/ f+ H/ D1 a2 _3 g9 D; 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 ...

) a' E& a* Q+ 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。
作者: radioradio    时间: 2020-8-13 10:01
随便看看 发表于 2020-8-12 13:45: p8 r, k$ L- Y$ f2 l% ^' V3 I
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。

3 J& _( w+ ^4 ~( 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。
' j! r# h# C; r7 }- a* l' d3 S
# j- C4 c8 I4 X  ^' {& g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
7 p0 |7 Y+ f6 }6 f% Q/ [4 N# q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 ...

% T- y" X- t+ S% J% N$ ?  Z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
3 H9 g* B9 b8 b* y4 R3 C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 ...
2 o8 Q& s; [* ^, ^& b; P
可以参看这篇：/ h) L- V/ a0 j. q

: i0 M( w. G* d# s2 X7 h. E* F, Ahttp://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html- g6 `. B" W$ i" d' N! M
2 W$ l9 {. H% D# R, H
“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. ”
; H- n3 n  |/ ?0 X- \; ]' o( p5 J9 C4 n5 X3 ~( q) k- a
更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：
  q* V- o7 ^' y' H' ohttps://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html
8 k9 a: T% Q( d2 u4 i" n8 b, L/ F, Z8 N" V! p; |
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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