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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 0 d9 t7 V- y7 \5 S8 [! T  ?; p
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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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9 H% e+ i# r$ }9 G% [% S- }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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% e8 x8 G5 G2 j6 r& O" C. n3 Y个头、模样大致如此，二十六公斤。
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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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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。' I' L9 N) z, X! i& C
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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。. p$ }" k; E* r7 q/ i
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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。
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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。) L0 Q1 U( J! n

8 k- z! T: c" u  [/ ~说些个大家可能百度不到的。7 Q9 Q/ m6 x+ p! O$ [

' |* X/ T- \  ?+ {# \- z5 V$ {===前方高能===; s) F, F: D% O* z, T0 ]2 L

7 `* e; b1 X8 x# h9 Z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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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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6 n1 r4 W& M, W/ O9 Q# }' `; E惠普当年的铯钟，吊打全世界。7 }( C/ H9 t4 d" W: W# o# m  z) @

8 H& o5 A8 V' O: ^0 A, D3 W1964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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& w4 M9 s- ~& M4 `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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- ~% E9 c0 k8 e" q, Q0 P1981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。
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1986年，十的负十四次方。
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7 H1 _' C9 Z! _' M$ i& o2003年，十的负十五次方。# O, R' \3 L: J  W) [) Q: F
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2017年，十的负十六次方。
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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。- R1 U' |/ g2 v* y
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。。。. p' {& O2 ^: l( w# K$ T. i

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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。& s3 ]8 B( b* v, Y' k6 |6 {$ a
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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。
$ ~  {2 m& O! j6 t' I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
0 k- u0 q" H- d7 Z2 C+ F
- z. e8 \6 w9 h$ ]/ |/ \, A, x群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；
1 z/ ?7 E6 M) f7 }看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。0 }" |7 Z( L& v* {
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
7 O; S) W! _& Y2 n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

4 Q# ?1 c( E/ P% o  b. }0 |, t- r4 ?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 c" y! r: k( Y) z8 f, ~! P) X
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 22:567 M7 v' c3 n0 ~2 c
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。' ~3 M+ d9 E7 ]7 `( w
他 ...
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短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
+ S0 j. E6 W& I5071A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. `* i+ W, C: K0 _$ ]1 x9 k  E% Y
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好" t2 c1 ~/ t/ I( }
5071A好像这两年不好买了
& [6 k" n( k2 O- x# C; }/ o  S
这个短稳长稳有出处嘛？# z5 G7 m0 G8 B! j. 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~~( W; h& E+ N% J
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% |/ x7 Q! s. s3 ^- [
这个短稳长稳有出处嘛？( h# M/ p/ Y( `' `& o* p
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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9 w! v2 M: `: y# o# g2 r
: H- H, B1 g' [0 H, S# I没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
, m: V9 n& q$ v+ Z  \" P9 e3 P" e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; t! N1 M, _. Z3 X) G: j% T7 g
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。$ {# v# w' K0 O! K
他 ...

+ i* H$ s# Y% c  d* h; M/ d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
' j' z1 ^7 _. T0 u  V/ s% r没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图* e, A8 n# |8 y% S
这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...
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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。, Z0 o) y$ Q- g- {/ g2 h& `
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。" }+ V% T2 {- F% s5 b; }
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
" C+ c7 F6 D* i" L1 @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。* [1 X4 A$ G9 k/ x, ?! A
冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
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可能高端的铯钟做的更好一些吧* c. x0 n% C$ K% T: r
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) o4 M3 h0 L" j* O9 K
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 03:017 E2 p- J) p' ~! C3 E
安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部
7 \$ j0 g' `( u
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 11:334 R% g! w5 S6 V  g1 [7 Z( Q0 F+ o# J
可能高端的铯钟做的更好一些吧
% z) j4 c  S1 U0 g* v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
( q! M8 @( \' g  c9 ^% Q$ F# i! R. f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
, r. Z0 I' W* N8 W" h) Q7 G; o请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？

" U0 Z: e' Q' z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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7 W+ g2 U. |) t* R) ?2 @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
* d1 c5 ?! m1 s5 R9 E2 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 ...

% N/ u, |! z5 {* T0 F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
5 H' k: A. }: y9 G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。 ...
7 R" x% c9 C! @2 h5 T% [
比较可靠的一种方法：8 r* e- P* j: y* |: P
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。& g3 r: g, u( M3 P/ W4 b5 Q0 o
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。
1 g+ ^# f" h$ Y% `. S) F8 o& S5 W大概是这么个意思。& `3 `- d, n" f' [' P* F
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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
+ k: ^  A1 z- R比较可靠的一种方法：5 a8 ]' p9 i+ c1 u7 ^
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 ...
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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 01:404 V6 M# S- X6 b, 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， ...

: T8 F6 D. I) F; T4 u, s, }0 ^角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
/ ~$ l+ g- V: s+ {+ w' b3 j1 N2 p1 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
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
) _3 i2 B- q, e5 i4 z角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说' H0 S: ^% E9 d2 t9 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 ...
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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* g/ D, T2 b" e8 k
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说$ {5 s, Z. G( Q$ w
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 ...

9 O- p- a* m# R9 v) V5 c8 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。
作者: radioradio    时间: 2020-8-13 10:01
随便看看 发表于 2020-8-12 13:45; e- b) T) ^3 n1 X$ f/ ^3 T6 _
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。
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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。
* M/ u& s% r2 L. N% j: M8 B0 Y$ K: X$ P! u) H
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( f* C7 [9 \9 `; \3 y. @6 s" ]- B
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 ...
7 s4 j, p$ B1 M  e
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 H- `' ^/ l0 D# z( d2 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$ o" G5 L, a( m" C可以参看这篇：
3 g, |6 l7 z# u  ~* G( p
& w/ F5 F+ ~# u  ?$ {0 uhttp://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html
/ b) o  I5 |9 G# a6 ^% @  E, ^
, E! q1 t/ K) B: a! A8 g“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. ”
/ P5 N0 N+ y8 H* J: r& c) R7 O# f- E* @. S0 R
更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：1 Q# G/ v! C5 B& B& \
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html2 o8 J3 q  A# X/ k* N" u0 p
7 y' J& {5 N" M8 V
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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