爱吱声

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
' D1 Z1 |* }- t' d" L% H/ d6 k9 k  o" Q+ s# y
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。0 |5 D: ?! E5 R" Q# @. u$ f7 L

# e* I7 R2 }8 h% U4 d' |) P1 o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。
$ m8 E* a  A6 F+ i; n8 v  s& }' o- q! U4 w, ~0 P
个头、模样大致如此，二十六公斤。
1 @& M9 h5 _# ]* {$ Z  X
! H1 L; c- y( U( p8 h+ @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。" r2 Z8 [$ N0 J

/ R+ Q5 j+ t$ Y* \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。) B' {, F* k' d6 _

! `5 `" i+ z2 G- y$ l/ I& O* A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？
' v0 ^! z/ T/ g: v- X* E3 h7 d! G) k8 n; Z$ H
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( f5 m: p) c) J2 j5 h5 f  g% }( N/ X4 G
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！, M9 D3 s- Q5 t5 W: X
& {* l- d2 n% A7 Z0 I( T
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。
9 E. J1 W* c% G* t6 F1 I# q* t* I( M0 ^1 t0 r- w
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。. y  n5 f% O* m( K$ h
# Z# @3 }- K; D+ k; S. U" q) q# a
说些个大家可能百度不到的。2 x" X6 K% b# y1 i& {# ?! {$ w* \( h- D1 x& x

& G' V) f  J& M9 a5 O% i! Q5 v+ W===前方高能===5 t' d6 K# E7 D0 g' a* d
+ E; d! O, b3 J2 D' ^
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。
& r0 r- |$ I& I; k! I7 w4 u, C9 t! i) _
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。
' J9 L7 v& {3 p& E/ u
, Z  C5 a; v. B& u6 ^9 Q
: m1 w6 {' I0 ?9 N% ?9 Z' c# W6 z惠普当年的铯钟，吊打全世界。6 e. k4 J8 q  H- B1 `" ^5 w; f

2 V  I7 U3 @. f$ v1964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！% I* U/ N) X8 w: g" U" G* _# R
5 Q5 e, X8 e8 W, l; d) M$ w1 e. D
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。; g; Y, U+ k9 H" {3 _! h
, w5 u  E' M# ~8 C! p1 g
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。, A" S7 n6 }6 c. P4 |

8 @! Y7 X' s( K, g1981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。
2 C( T) u; f" T5 e# k
4 ]1 f& }; o2 q1986年，十的负十四次方。/ [- v) X4 z( S7 ?- I
" ]0 Y. h3 C, _8 \! |
2003年，十的负十五次方。
3 t6 C# d4 r* w0 n4 H, |6 V" M7 [/ I. \6 o/ @
2017年，十的负十六次方。2 I2 w: k9 k" w0 d# P; X

/ ~/ _2 z( }7 k. B! \; X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* f! i* p$ H3 N$ f' n2 r' h. W
。。。3 F: u8 j2 t5 }

) c0 D1 h& Y: A' I- o. P( B6 R3 P4 f- {
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。
! f0 r2 b8 [0 ~  j* f
( M/ B2 ~+ p0 H0 e: T1 `0 ~& Q9 s4 R, a6 P, m. V% |

& z& G8 n! Z7 Z( K2 h: ~. p
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。
5 J" x; r4 [+ C0 g6 b4 h# M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 * ?. _, E6 Q! \1 D$ o) x4 N
% |' L' P  C# f/ ^" v
群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；& z7 p6 {. A8 j% [. k
看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。: i* j1 D2 r* S2 R
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 D! m3 k+ l5 b' {: C' R2 `. Q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

% T& j) i( f2 ^; o' t# {6 ^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。) q' D. c8 r6 v! C$ l
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
. s2 o! U# x, ], c* G4 M; Z, I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 A9 x; |) E( N' _" o6 v
他 ...
7 M* w# A4 m" z" l
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好) s& {7 r& H2 s5 u8 A* W/ t
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 13:354 P: D* Z9 Q& P! X
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好# i( o, @$ [7 x
5071A好像这两年不好买了
8 i) U1 X) [1 R+ }$ @7 B
这个短稳长稳有出处嘛？
5 O, @2 X- f( ?2 [# b0 r  N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~~
; m# {9 m. C; n& _: \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
) X; ^3 r1 q3 v7 A0 f这个短稳长稳有出处嘛？
2 T$ y$ R9 |' K- C8 f/ U2 Q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 ...

. b! N' L( ]( y' S* a! u+ t+ A5 m! a$ a. J6 [/ w+ g  A5 n: i2 ^6 m# |
# M* M5 f9 @2 J
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
$ ^# j% V9 G) Y6 ?& p! g0 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
9 R# e1 D1 O# }' T9 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。3 v4 S/ ?8 y% L4 W, U9 D2 Q' r
他 ...
( I, |: \% f/ C& \0 M
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
+ `* I8 o7 z, r' _) i4 U没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图& j# Q& f, G. L$ ]2 C+ @
这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

! F8 _. c* k: G! ?* 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。
$ G! P2 R  ~. Q9 L5 x1 z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。
& @  ]! N9 O* R/ ^" d$ S; M
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
0 j# C. z9 G6 M, ]/ Y# \2 m5 {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。
) w' h0 J# v1 f" d, [; I冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

' C% m  k+ x* Z6 [) l" j可能高端的铯钟做的更好一些吧! ^# {& L4 V* E* Z+ V" G- r/ X& \
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) H/ D0 ~0 \( X5 Z6 d% R& W
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
" ?  T7 N# h. p% s1 q安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

" N% u, f5 t+ T" d, l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
4 m9 G: ~$ R1 h3 i可能高端的铯钟做的更好一些吧+ @7 h) d7 y- I: f' 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9 c$ q) ]  j& v& K8 M  n4 t. R
时间基准据说 ...

6 Y% o3 ]% z0 j  a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
0 J. s8 z7 l  v! ?/ g% D  Z请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？
- Z8 s$ c5 ?1 P
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- n- w& D/ _# F$ S9 ]" \/ @' }7 @8 k

+ k% z7 C4 {* \8 R; J1 M0 A5 s; a$ h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
8 G& n; ~) H: ?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 ...
& H& }( t8 B* ?! L- R0 s
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
1 v8 h' u% E7 o5 p+ [  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。 ...
" c( G( K2 J: Z2 u6 A$ K0 ]6 ^
比较可靠的一种方法：3 I6 o; G0 R% B- W5 l5 v5 V  ~' S# 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。" B  {  m+ t% C7 K- Y6 Y' I
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。) ^3 E5 J  [+ h& X+ H9 F/ f6 B
大概是这么个意思。% V4 j  H5 C5 f8 P4 q) N

$ A* |* [5 u/ @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! x" V, H! q% O) Z
比较可靠的一种方法：
) T( F1 Y3 p$ v; e$ v, 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 ...

* g" \8 D% z6 [9 l& H$ x3 J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 01:403 F& O  Y$ H: K
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， ...
; g: n% u+ j3 d) K! [% ~
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说4 g  b. X7 v# z/ 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
作者: 陈王奋起挥黄钺    时间: 2020-8-2 01:27
radioradio 发表于 2020-8-1 22:310 S9 I/ B& p& _4 L
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说2 Q* s& @7 k0 ^! N$ j
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 ...

# Y4 L/ `* D) D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' I, x3 j7 ~9 v# a/ A6 G' [
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说" d2 }2 \( |4 M3 Q7 f, l3 m
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 Z; B( X/ y3 r0 `6 x+ t- j
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  D4 c" H7 X4 G
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, {* q9 H( [8 ?5 k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。
7 Q6 X% Q3 B6 ]% r% w. B+ E
* B! w9 Z  t; p9 U5 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
3 E9 U$ b: |+ {: Z& [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 ...

, v# ~- D! ?% i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! W- q2 `7 m5 J; M) S" J0 ]
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 ...
" B  |* C1 ?8 y& u& G
可以参看这篇：# R4 f4 C# O+ q( X7 U& |( W! }

" d! ~9 U! @; g0 _8 b% Rhttp://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html2 Q2 Q7 ^: f& m* ~9 s9 a+ y
* D: C8 p. U% 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. ”5 x, z: {- G; x" j+ G6 X+ K) k

2 N0 S" t6 Y- G5 t- @) t5 A- S更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：! r9 X# X' x" L  n  m/ |
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html$ D" N. c; i# I* ?

" f  \3 s( u  U4 x我肚子里也就只有这点货了，再深了我就说不上来了。



欢迎光临 爱吱声 (http://www.aswetalk.net/bbs/) Powered by Discuz! X3.2