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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
1 {. s, T) Y# o; `5 Q0 e8 @* I1 {* r' a/ ?( D2 ?
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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# ?! j* e2 e, H/ O% ?1 t个头、模样大致如此，二十六公斤。( Z2 y6 ?& K% R7 H
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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。) }) @. `) x) M

8 l  h9 n: `9 F5 L+ ]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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1 P. L: L2 D% S0 M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？7 W# K. g, M# L/ W+ Z! U6 J
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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。
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& u1 y" n! n) l% Q. l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！- k! z* ~$ `: ~- I- R4 b
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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。8 X% b8 ?" Z+ O% y0 u* b& l: Q! }; I
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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。
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$ U: E' H4 B* }; c; h$ _6 Z说些个大家可能百度不到的。
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===前方高能===
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3 R5 e: x9 N: a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。) F% C  y# F0 e0 v" f4 m2 J
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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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惠普当年的铯钟，吊打全世界。- U9 T/ z% a8 U. J7 p7 S9 C' q

3 |, x2 W+ Q/ \* M, L* s) C1964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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: Z# Q+ o6 _8 a- }# O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。/ [5 L+ C. w* s* J' ^1 q
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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。" q* w9 F/ m; m( }0 p  o$ P; X9 \# Y9 e
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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。! H) o2 ?) m/ }. `& N5 X, a# X

; z8 C6 S) c: @& n) B1986年，十的负十四次方。. I! ~2 k( d* l( [9 z2 J
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2003年，十的负十五次方。2 L+ y1 p/ K% v' m
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2017年，十的负十六次方。/ n. o1 b' x6 B( ]9 g
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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。$ l! S7 W3 T8 M0 Q) s% c

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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。' |' b9 i1 i* R  i6 V6 q3 v
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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。
- b$ ]9 O' c+ C. [. T. R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
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群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；8 G2 l  W, [7 E1 A# Y
看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。
3 V# |! U! U1 S' y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& k$ ^8 L7 R% v4 Y% R
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
: D$ l. b' Q4 H$ \& k, `
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。& e! @! A# r0 r7 o
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; V9 k6 L! ?% a4 L. n4 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。) P  \" k7 h# s4 ^
他 ...

/ v6 B$ f% j7 Z* ]% R/ b- ]! B短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
" a+ K4 a$ z0 `! s& A% v5071A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
) j7 `: G6 a+ S3 p- f" k短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
2 Y0 @& k/ H% _" ~5071A好像这两年不好买了

- o; @. u+ T/ C" ^  j; p$ V) B2 c这个短稳长稳有出处嘛？# ?; p6 h9 Q: z) [9 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一半~~
) Y$ N* V( [) t/ Y0 y& @  Q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
( n+ v1 i* S! q5 H# C% |8 ~这个短稳长稳有出处嘛？
1 C' D: j, h+ ^* ^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 ...
; D! t, F0 L# S( m4 |( ~! o

0 N# i5 `" |+ j; e1 n
; q7 v+ C9 r9 c) J- V# H1 V没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图4 x1 ~) u% R# v: 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
* ^3 l. B' g6 [8 u% I3 Z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 Z& O3 M1 y3 M, ]& x  E他 ...
; H9 L' O- g3 q0 p& G
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 12:486 R- F& d% J/ Q5 r  A# b7 x. G
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
" Z* A& u9 ^% T! H" D6 ^这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...
9 x) O/ {9 h% a! _2 ]% o
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。
) @$ F9 a8 e! `+ g3 O' |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。
; J; k" _2 V  p
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
1 T9 r" A6 [$ C0 P' Z# R8 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。" P0 @. b  }- t- a6 j" {
冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

% `2 q9 u- p6 l& ^& w6 r1 m可能高端的铯钟做的更好一些吧
% G; C3 S* X; W" b8 u* g8 a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0 v$ ^0 H  O) S& L& V0 f
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* I4 A  p+ r& m; p
安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

( b7 \! D" O9 Z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 11:330 X7 X: j; _: B1 D  v# j: b
可能高端的铯钟做的更好一些吧
$ {3 Y# e' v( ~  Y2 Y0 j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 K$ e% f, \7 m9 K  [6 g+ [
时间基准据说 ...
& O1 l$ X, C& H: b
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+ L4 f. Q1 D3 O! A4 g
请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？

* \8 {9 w+ F$ ?2 p/ 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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" o7 k" A6 Z$ l7 ]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/ X7 \( ~( c; L, g& s
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 ...

# C2 `: S/ H4 a! M& |8 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 11:41
- Y  x7 U5 K+ Z3 b5 K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。 ...

# ~: X* `! y/ o比较可靠的一种方法：0 `& k, j$ [7 _' z$ @0 B
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。/ p$ `5 u* L9 P7 B7 F: h6 J
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。
- A+ z0 G5 {/ P大概是这么个意思。. Y% q6 a' i+ l2 B% H
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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% E1 }3 Q# `# Q- x
比较可靠的一种方法：4 s2 U" v8 k2 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 ...

6 G4 b2 S( C; e* j7 {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$ h3 q4 `: ^6 f. z: ^
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， ...
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角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
3 i- L+ H! U& R2 A- X* w+ p6 Q) q8 ^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. U7 ^) ]* Q" E' ^
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
+ X" _0 P5 g, x: q1 I: _9 S! A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 ...

' ?5 Y, \! s; Z) O, ]% p, m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 22:317 D. |, H& k$ {8 I4 b7 h
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说: l1 _2 g% P. a" c) w- 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 ...

% z: L: W& x# D5 b4 e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 13:457 K& u) F/ Q" ^; @% k$ }3 F8 A
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。
8 Q' ^9 L3 H; i! r4 N* |
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。
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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. E; e, }# j% x, d: m  q4 R
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 11:20/ E2 i" v3 g2 @) M  a* a$ Z" l; W
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 ...

, z( G/ ?0 |- B. A7 s( ~8 x可以参看这篇：0 n: o  m2 {: E+ b

/ V5 g+ W& U9 F6 G4 T4 U0 Y( P$ g- ohttp://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html
1 H3 i3 E7 X7 r9 O; p! c5 b# {2 Y5 J9 M! C& ]7 N3 n& C
“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. ”
6 _9 r6 E( D7 p- d) \# G
) J6 {8 I. X( @: J! V. |* y8 _; j6 Z更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：
" t0 r" k3 i% Z2 s8 o5 o! y+ W/ vhttps://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html4 W1 a! I4 M  r- N- L, d4 L
3 I' x; U* ^% R4 e' |$ R: s
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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