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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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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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. R) {2 k! n$ |; _* [个头、模样大致如此，二十六公斤。. k4 i5 k8 G4 V1 @
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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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1 y" Y# c) y! o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？/ m" z+ N* n, q/ @, K

' h3 T+ l% Z  {" K' v$ D/ ~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！" J% v6 p6 m4 U3 X1 }

6 s4 j" n# j5 e  n9 ?. M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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: v' f8 M2 w  _3 U) u9 r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。1 Z8 e; l4 t, S/ O$ T) C

& S9 v" {% p, s- [$ Z2 \0 W' C说些个大家可能百度不到的。4 y( E2 e3 L9 n, v4 j5 p( G
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===前方高能===
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  D0 k; S8 b: V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。) J- ]7 t3 N8 C! M4 ]. 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。6 i1 Z1 c0 \5 n% B

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; |1 t9 q2 ~# b$ M4 y  @! L5 g惠普当年的铯钟，吊打全世界。
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9 |- d+ A: p* Z/ V. \" k9 y$ T1964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！- Y; F/ ~2 E) S0 q8 b
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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。" ?' z0 }' M: B0 V5 H* K# s) ~
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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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. |' s1 v- [& d7 v+ |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。
( @+ ^: W6 j6 c2 ~, q
- D9 n) C) @9 O/ q1 g1986年，十的负十四次方。
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& ^. f# g! ^; }- ?/ O* w" K2003年，十的负十五次方。5 l! r0 }1 {+ y/ |+ O9 h5 q- Y
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2017年，十的负十六次方。
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. t8 }/ X5 F$ k" q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。
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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。9 l  p2 s& [2 R; T. q& j6 Q
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 * k0 ^+ b1 @, t" ~

6 w% ^+ e: m6 t: o( k' S) V群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；
% H% `- @6 c3 i看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。
1 l. c3 D; c8 p! I* T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 18:457 l- E* M/ w& h5 ?2 s% e- y
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

: E( R! Q) D7 ?/ E2 ]' J& \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。* S' m% x- d, h6 W9 I
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
" Q2 t5 ~# s9 X% G! 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 w, W, `0 s& M( c3 k) y他 ...

! Y1 u. i. A6 W短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好1 `4 Y/ W+ t! W* A
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 13:351 i; a7 m2 y) P5 c" ?$ `( B
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
& T/ D* |% K; r: p  T: l0 I- q  K5071A好像这两年不好买了

! [* e- ]7 r  ~3 w; y! ]# A这个短稳长稳有出处嘛？
4 ^3 `, ^: A6 A* i% f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~~
! |9 K$ T* j( a/ x. u# C$ G' O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- `1 S0 t( E* ^$ F1 S0 W0 E
这个短稳长稳有出处嘛？& _9 R  I- H! K4 n3 [3 \
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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* c$ \! b8 r' {) t3 Z2 R
; i. w* ^) _7 w9 z没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
: z8 W" y2 F6 O! l9 E' p4 b7 g+ 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 22:562 K/ g. W9 S- N! s# U
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。
$ @# b* D' a, ^他 ...

+ `; _' X; d+ `' }# c" y5 g9 u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 12:488 h, x& U; J$ p8 a# r, Q6 X
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
$ T7 O0 N. H& u' ?这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...
0 s, ?; L$ u8 S  H$ o1 n
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。
: e* S* T- _: K7 N# k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 U) }. u. Y* h8 h5 K; A
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:354 q2 Q' a+ x5 V' b
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 i7 H* Z( s5 Z& k9 W9 s2 P冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

% s* q3 ~  k7 E: V+ ~可能高端的铯钟做的更好一些吧2 a/ ]( ~4 x5 t' |1 l3 |& ?
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 H, j' ~9 I+ U, {/ E: e& G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 03:018 W" ^! ~& }9 I& Y
安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

3 a$ B- z% i+ g% s/ n  Z  z+ Q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
0 K5 @5 e. |5 V# |可能高端的铯钟做的更好一些吧
1 T& |$ [) h5 }* I+ Q% |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 M) N0 f( H- N; k6 x7 d0 ]% G时间基准据说 ...

: `( @+ [  N6 k7 {, Z" @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 00:568 T* d0 i* `; S# i& J4 w9 E
请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？

( F6 _' g5 g( P" ^# L% ?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9 {) L5 |. a) m3 J7 e: X

8 J/ y0 N* B* ^( e, ]' N* \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
3 o8 k1 V: q) z/ h$ l9 I; O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 ...

, \" i- g) }+ n: 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 11:412 B1 j, w  T$ U% L8 r) V& s  R
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。 ...
9 k) _, |- E1 v
比较可靠的一种方法：
3 [* w9 s- o* Z" U6 t2 x0 Z9 q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。
; Y/ G: s" U3 j9 }  Y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。& G+ K6 I$ s7 y9 s6 z9 b9 X
大概是这么个意思。( u! A( M1 Z3 M6 i! q6 e

+ Q/ X/ q( p8 C6 k% \7 E$ 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
+ w& |2 n: J! E: b6 ]比较可靠的一种方法：
' g0 H# J" k+ C1 U9 [: x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 ...

, @, w8 ]! i* F6 O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
  l2 k, e& i; n2 ^, |: ~4 I' @) ]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， ...
% Y" W$ ~6 s: Q/ g- `0 a7 j" O
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
+ ]! n* d$ U- C' y1 n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. @; K' S+ p0 J; `; g" y( }
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说  l5 A, L3 k3 X! 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& q4 |( S: z) A+ r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
& \+ f5 e$ M$ j; ?; [角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
, u, ]  Q$ j% b4 N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 ...
* G5 l4 b/ |. N% u
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 13:454 t+ s+ g8 B5 t' \# l7 Q8 p
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。

. O9 v% i1 m0 d0 B$ x5 M- o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。
$ B  Z. H) u. O8 U# I$ U& Z
( C1 e+ ]2 O# |+ v! _, t5 J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 10:019 V$ L+ r5 j9 i
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 ...

- s: u1 X2 ]5 @; b. U5 Y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/ f% [/ c/ I0 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 ...

2 l& M" ~+ S6 U) k% ~可以参看这篇：
2 n" ]8 y) E& q& U# Q9 r* U8 o
6 ^& ^6 v% d1 H9 shttp://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html
' T" g9 V; c  h; e! ~( p% @* v0 s7 l+ 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. ”
" |' }2 _9 {& a. o* j
5 z8 P- |( }8 ~0 U) l更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：
5 x4 z* X& N+ J0 I4 Q3 \https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html
) z& i9 Q' A$ W3 _, H; P- z
; z+ m" ^; S9 c" i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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