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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。/ _4 R$ U/ j. L

4 }; W& G! n# e: k; n% l8 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。, ~+ J6 R6 u) B( A8 l5 y) T9 e4 E# H

( A% \, t' ^4 i& F% Z2 z% [1 X个头、模样大致如此，二十六公斤。0 v" j3 U5 w1 k$ a: f: ]

% {# Z0 q! {! R% E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。; s! ]6 z$ C) v; T( u6 W- f( r
) @* V: A/ }. b; c  I
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。/ v% F0 H4 [9 C
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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; T1 t7 E7 a1 G5 z5 @
+ r5 M0 A1 x$ x/ }: H* ?
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。$ e0 J; y" N7 A" I/ k) l
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说些个大家可能百度不到的。$ c4 X5 E9 X2 k5 C

3 X. l! W+ F3 {; t  E===前方高能===" \3 m5 ~# T7 m, @1 S
: T5 T3 P7 I( D3 T5 I: y# O3 m& `
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。" y! O: k8 a9 ]3 S$ ~7 o1 l) Z$ `: M

4 x3 Z1 G. x/ P$ z4 `- }/ j* @# E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。% U: A3 s/ X1 a  j) d; i4 i9 S

3 s# ~: ]; U2 T  H/ E7 k4 q3 i. w3 x
9 A- _' u. ]: g+ O/ b惠普当年的铯钟，吊打全世界。
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1964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！6 F2 ~( B9 ~4 y# ?: b
5 v0 k# \9 M( A; ?  ~3 ^/ V
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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; ?4 ?# Z5 L& e; V* 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。
( t+ W) q" A$ J2 I4 \& y6 u7 n  A9 p, n: P5 y- p, D
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。
3 e& W" r# |1 Q* [* c' `
4 E0 w2 \" H' O- s+ i  m1986年，十的负十四次方。
+ p% D/ d; D$ y" I- p
' y+ ?$ r1 i; u: I) B1 O& `2003年，十的负十五次方。& L: E6 h6 |) ^3 ]1 B
% L3 [& p- B! G& y
2017年，十的负十六次方。
9 J, Z" r2 Z. ?4 ~$ [& X8 `0 l- w$ |4 z9 {
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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1 Q8 m/ U+ k$ q7 w( c# A8 ^。。。. J8 y% ?+ b) e+ F

  z0 {: X9 k; k* b7 |. W3 z, S( D/ O1 w
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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1 S! k$ \- d) Q( k" F
& k: r' o1 T3 z1 d0 a2 T8 E, r  k/ q0 d
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。/ a( j# H+ B1 M; X3 E
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 ! j. ~5 x5 O2 Z$ y1 R+ h* q
  F! k2 O' B: o' t+ }3 a+ u
群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；) @3 H1 R" z# ^7 J
看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。  f0 `' B" ?  b8 r/ p* m8 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
4 A( Q# d3 P% E3 u: 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
" w2 T6 Q3 L; r9 S8 @7 s
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。
+ z( E0 G" a* Q+ r1 @3 ^: 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
+ v# \+ V7 q# F3 n) 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。  K- z. u  ]) @4 a6 [! a
他 ...
9 q3 |5 \" |' e2 r9 Y  I3 t
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
# R3 U7 {& ]8 ?$ A, D: O5071A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 13:353 S4 D& h" X$ T% i3 ^0 h' V
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好3 t6 r) c7 [+ n$ I3 `" h/ B
5071A好像这两年不好买了
: T) L4 U2 v3 p1 Q& V3 ~) F6 v
这个短稳长稳有出处嘛？+ c6 U3 ~* w6 ^7 q2 {
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~~# G1 J7 F% T2 H2 _
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 Q6 {, g; f+ f3 x. w2 y这个短稳长稳有出处嘛？
4 @( |2 r3 g) ^" U6 |  ]" M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 ...
: Y* h5 T  ~& ], D1 p. z2 [
+ @# `+ y" O. ?8 t6 w4 H& r% i2 T

# [4 E3 a2 U  r- Y- J3 a没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图7 k) K% I) A/ O8 t
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
2 L7 H) D5 {+ {7 c) ~- L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。
2 y( V# k. h  d# a他 ...
: s4 `9 l  C. p+ N, c, 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
$ ?5 J3 M) @1 f7 T没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图; ]' ?) D8 J, T' A
这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...
7 m! S' Q9 C7 k
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' P9 ^) O% T) X! C& Z) n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。
5 ]% Y/ M8 |' J7 o! C
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35* Y0 {2 {; J" |' W) K
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。0 l. F" R% Q. _! S
冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

. d& z, s. C9 E5 x可能高端的铯钟做的更好一些吧
- W* z( D. [' R9 j9 Y! 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
/ Q2 ~' i8 n+ }. m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 A9 W2 J& S+ k; S安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

& T+ F/ q2 H4 m. x" 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
  W2 h3 O+ x4 U2 ?( `0 O' S: {可能高端的铯钟做的更好一些吧
! v7 K1 U8 ]! f; 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
' \6 e- v+ F6 E7 l: j时间基准据说 ...

( L: }3 [3 [: m' h. w$ |$ E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( V/ K( Y3 U4 y
请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？

  w, b6 E' d# l1 |6 R3 I8 m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 D4 V& F2 h! m! T2 y& D7 B% H2 C6 Q
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
- H4 k9 q% ?" J. r/ @, h! a+ G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 ...

2 G% _9 t4 c, _9 g% C/ G% P7 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。
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
  ?" E8 [: g# o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。 ...
$ H3 p; m* }% z1 N) u1 o; J
比较可靠的一种方法：
% r7 ~" b% ]) J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。$ @; [* z; X/ j& A. f$ Y) D. y5 B
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。/ u1 V8 q7 Q( \: J, e
大概是这么个意思。# `( x+ s# K! X) M8 s" i) ?" C
# N" O% W/ y* v! c9 G
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
. J# A: t- }2 q! A6 U7 ?比较可靠的一种方法：9 W  I6 D4 L) r+ i, F2 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 ...
% R( M) h7 u: U; `6 w
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& R: U) Y" o) u! n. y) ~1 |- P
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， ...
( d2 A" W- u2 f1 A' d1 l, N6 @
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说% T+ z* |0 ?2 q! ~$ `5 L7 F
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
2 H1 g7 X4 w- w2 U2 T角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说% }! q2 u9 ]" c3 c2 f
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 ...

3 w3 w3 X# i2 A" P7 ]" P& n6 @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
4 y0 b. v& b; [$ g角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
1 x2 i4 w3 E% P# 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 ...

2 y8 H, k4 b; s: R3 M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
' t( S7 R) j4 {* s: x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。

  L4 x" b4 L2 H+ l8 V5 q3 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。- @* q8 i( \- X/ m0 X& v  |
9 O- Z8 O8 t/ z3 A
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 10:018 T2 v$ u! j7 t  N  t# f0 ]
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 ...

3 ]! U6 F  h  a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
: ^! \9 t/ \! {  p" T$ }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 ...

: h& y& E3 R( Z& Z& Q$ y可以参看这篇：
% y) \; c/ s6 @6 J; u6 p8 x  Q# i$ l% G, `1 f  _8 [. D( E+ q6 q
http://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html
3 ?$ p6 K7 z0 T! S7 a1 a8 J8 F4 Z, u# [$ j; 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. ”
; D' \: P5 M3 E4 p4 T
+ M1 b( F8 h- J0 W9 [+ G$ `/ `/ X更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：# H# g9 M$ C( E) N8 i
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html
5 F$ u2 a/ H7 P( {( z; @
5 @1 H: s6 W; G* M! K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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