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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 2 q) A/ r6 z5 P# \" ^

2 e9 K+ c- `5 v$ W% m7 C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。: P: B2 X3 g. f

) A4 b2 q9 P  W. J" T" }. Y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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* G0 ^# I& H9 Y% C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。5 d# @9 u' _3 j: M

3 |2 {1 K# y" z( 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。
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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？" g& k- Y. D7 k! i5 H% c! h

9 V2 X; }. ^. B7 N7 U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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" w+ O; g8 A0 f8 v0 z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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: E' a/ n$ h  T% {' x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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# H$ {6 J! E- T# s. z4 Q3 i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。. S; ]5 x5 p+ B! n9 |
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说些个大家可能百度不到的。- A/ V; p- `/ z6 I) a! _1 Y, b
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===前方高能===* O3 [. D/ Y2 P/ y$ V, D9 Q  f, J& G
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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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4 j  B: o7 Y+ D6 N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 f' k* _$ @
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惠普当年的铯钟，吊打全世界。. w# l+ J; p: Z

: R1 ^8 z3 ^/ @7 K9 A1964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！* w' X! t2 e% v4 T

- r* H! T  T0 e( L1 a- t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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- {% H: f, K9 F- v, x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。  s) u- o6 V$ l( o) v. w, r
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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。
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8 E# S+ ]8 ]# l6 }% R1986年，十的负十四次方。& I7 E- H5 k. u

2 m- h) k6 d% k5 c2003年，十的负十五次方。
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2017年，十的负十六次方。
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/ Y7 V  F7 g  n$ o; M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。  s, T6 \( L% |+ f' M
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。。。
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/ g9 l6 n3 H! Y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。
& {/ l& h6 n3 o  j2 y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
* U9 A7 N+ d2 e# t1 r4 m0 @0 R' {9 l6 y3 J, t
群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；; P# M2 ~; T/ H% P! a4 \
看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。
5 |# |& ~, m: {+ m. 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
" n* k/ j, S! @, n7 R! m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
6 M& i* F- u$ p9 l; s/ a9 w, ?$ 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。1 a& H" l, I( V" c
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
1 ~* W7 i# ~8 o4 c, b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。
' T; o9 [" l0 Z' M' H4 \他 ...
1 r& G& }. L( n0 K7 m/ A' h
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
7 ^2 v5 p8 H0 j! v& J4 `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
3 d  D6 x" W8 Z: C( K+ S5 Z. y短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
5 z' w( j0 E4 T6 [3 S5071A好像这两年不好买了
* F1 W4 c* L* H+ d
这个短稳长稳有出处嘛？
, _7 `" m2 f/ \/ C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~~
  O) {! T5 ~6 E+ E* `  s9 H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
2 v3 V3 Y! K8 p/ Q这个短稳长稳有出处嘛？
6 K% Y# q+ N* T$ x2 h, O# `1 }" c  o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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8 W4 @( S) w. e+ g6 Q  f2 X+ k4 e) m
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
. t* O# r/ z; ], {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& a* D/ {0 c/ I  T2 \6 l$ q- H
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. P3 R" e+ y& a6 @" B' W. t
他 ...

6 a4 p, t2 L5 F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 12:485 B: {" P( J% C& J
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图/ v4 U6 j" E5 B0 S5 T# u
这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

; {9 {) K6 Y2 g+ Z+ Z3 k+ I/ Q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。
  L4 L& l- ?/ L7 ]# C7 c5 s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。
* Y9 }+ x- {4 {$ U7 R
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:358 P$ H; V6 p) 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。
! E+ M; b4 y9 _冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

: n0 B$ E! g$ |  p8 G% [可能高端的铯钟做的更好一些吧
' [# P0 x* u# y" O5 B6 y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 r. `# i# b/ p7 |) F' F2 I% 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 03:010 H" j3 l! U5 x- K; Q4 H
安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

) R9 Y+ u: @$ X* `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, N; g3 r$ H3 a/ Q
可能高端的铯钟做的更好一些吧
( ^5 ^2 q1 N' u0 B. T  F- t) A! j  w! t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. @4 H4 |$ m) r# j) f- |
时间基准据说 ...
0 t  f6 c  }! 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 00:56
$ v9 v' _, ^8 O( J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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# p9 |0 O& n  K) @* 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* o* n7 A, x$ E) v, m+ P0 r1 o& e
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 ...

. E) w9 E; b& y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 11:411 l4 x0 l" V5 V3 v+ q; ?2 @6 Z( l
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。 ...
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比较可靠的一种方法：
( U! M& s3 h5 H( ?4 H$ l/ ]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。( I( B; w9 r3 B# w
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。
, V( z7 m! l/ r大概是这么个意思。. _/ M2 ^0 M  u0 ?8 a
! B( K" W& N8 t) V1 c6 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
+ k+ w% t2 W. j+ p6 w' h比较可靠的一种方法：
( {( D' W9 j' v( Q: U0 r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 ...

; J. M! G4 {/ l" n& {  ^/ p6 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，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, m' s$ a. K3 q% g+ _
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， ...
: E& D/ j, F% F" l. h) l# `) D
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说2 K0 C+ A" h, s. a% u
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
- T( ], o  x) E  j3 D角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说- ^  s9 x/ L4 d0 B
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 ...

7 ^$ h$ R. l8 B: t3 I* Z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
; j  p+ Q2 K% C. c' U& s0 F+ Z" S& w9 K角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
+ x% Y# M1 O6 Z& ]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 ...

' M  R. \* d+ ^0 L1 w1 d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
' Z0 Q( {7 V* V1 W) p; O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。
% {% L/ R! R' K- O+ V3 L
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。  u' W8 ^& |* p& F2 {& c

, B2 K' ^) m. v* y. a8 f9 f1 _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 10:012 _" D  g3 E% O; h/ m2 b; 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 ...
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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 11:200 k; d  B0 l1 M" R6 g
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 ...

1 `& `. U: e9 Z2 V5 z) L; j可以参看这篇：
" l( L4 ?& p, a1 ]' [1 L
3 w- B7 ~. o" Q3 ?5 \8 ]; o: Bhttp://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html
3 q. z! J& w; ]6 c# c( a
/ ]. j/ @6 M1 E8 g, v“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. ”
: |+ L, }; I2 \! Y
8 N; W( N* F: m1 z- _$ W1 @更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：  N3 I% u3 A( d6 u! ~9 z5 H) b( ~
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html
" u( K# x4 B: w6 a3 U0 X2 D# K% B+ A& J
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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