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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 |) Z) j9 \6 ?' y" d" T/ \$ c' P  Y! H( P# x) s2 Z
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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- p9 o/ K9 }9 q- ^4 n8 C8 ~0 k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。/ j/ `9 K9 g, R' ?% r4 i' z% V

' H; n( f# i) u3 X7 m( w8 g/ }个头、模样大致如此，二十六公斤。7 I3 U! `- Q1 G0 N, z) `

" B: G* n8 |! L: A  V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。7 F* P6 ?: |! ]8 M& C( I

  g. T- N4 ^3 B3 b  i# f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。; x% J5 V$ ]9 ^) Q, x1 x% f

2 q6 h- }, A; ^! H& x2 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？
5 c; U: z9 v. q) ~) e; i  C- l1 s5 O9 a3 @, |
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。7 n8 G( r' L: T. S5 s7 h2 G

  {' D- |7 t& S* j; y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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# A) z- y6 K/ ]) U1 v/ Y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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3 D1 `- F, w. r# k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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/ J6 H7 P  {8 v: Q  i! N2 R7 O1 `+ Q说些个大家可能百度不到的。2 Y0 a( n1 x& v% U

3 ^% E9 P. J' G1 h8 {===前方高能===& k1 q- G! P0 H( ~8 N8 P
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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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- u/ k5 T" F1 O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。" p1 G: x. P6 l1 l, V& y& J
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8 ^( @& |& S) q: d/ Z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！4 z3 Y# x  [" }) ~5 F/ h

! T+ x# F, ~( f2 K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。, `/ q9 {. C, J+ l. m7 }9 S

- W; w7 [* [2 x* W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。' v+ M/ u% x" I/ [6 G; T

! x# q6 @2 C+ {* H1981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。; f5 m4 `2 j# E/ Q- X+ x

7 h8 Y2 }& \  a/ q. Y1986年，十的负十四次方。
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2003年，十的负十五次方。
1 S8 D( W: E9 o& A8 [* Y! M4 b9 ?; \2 J
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。
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2 q5 q" \+ x/ t" p5 r( T+ }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。9 _) c! D6 `$ V- d2 {2 O
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
7 V' i/ r# @5 m+ s) T! C4 d2 P8 C1 A# ]5 o6 i; _( i# I
群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；
6 t8 e; a3 C' |" ?; h看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。: s* ^1 K) d8 a' ?1 v8 F6 x# ]) 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
, u* O( V. ^  s/ t* o8 Q1 o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
5 c/ i" r  m5 R' a, o
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。
$ ~% I: Y6 @( |3 `  G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 22:564 R) n0 Q9 P9 O. u( a
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。+ G& W' F& [: Z5 a5 f1 R
他 ...
! u3 a2 m- D0 w# x% r, ^
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
! ^! c9 g9 ~! V9 c' V7 ^- d5071A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 13:351 [' ]7 W. y( |3 U5 P
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
8 `0 [- I8 d- O- u# D. s8 v5071A好像这两年不好买了

+ b/ Y/ L3 o0 j- j' ^  a8 e这个短稳长稳有出处嘛？
" W" J0 f: o3 W# T+ U& y9 r+ c) c/ u9 ]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~~
$ P2 o- l6 J4 @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 22:566 [8 z  M+ v3 j4 J* E
这个短稳长稳有出处嘛？: H# v" F7 Y' j8 c& t$ M: V7 \
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 ...

2 a: I% \; ^1 ^! T% J: u5 ~. e- N6 j1 H8 [$ W
  I) {2 ]1 k0 u. o+ n
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图* Q; q, s" X) j; m* _+ p3 @7 G) G( 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. r% d8 i5 y% m' A# U8 w1 q' 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。5 W; p# N/ y5 k) g, x
他 ...

3 S- W& d, t3 E9 |; |; u# L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
6 k$ i, t+ B  ^- d/ g% P没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图# T& w1 ^/ f* r' E6 z0 h
这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

2 X7 R4 K: x; C# ?  J) ^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。- _7 Z: \. U7 }% {% d% 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。: n$ l* d8 G$ ]% O  P# ^/ m" ^
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:358 G7 U- G1 n3 w8 H
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。8 c4 f* d5 m1 ?* G( N
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
2 z+ G# w5 N  P& q" o( ?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
  e. @: i% Q$ [+ u; 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
; u+ p. t0 v6 ^( x/ h1 M安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

. v+ e, n! Y, B" y) b5 z5 k6 E. n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; a( h2 R' c+ b% ^
可能高端的铯钟做的更好一些吧
# W" _2 F( e; v; |$ l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
' R; j+ y" C& I5 C5 |时间基准据说 ...

6 z: n* R, d$ j  Q) |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 00:560 J7 j7 K5 Y% r; V, \
请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？
, E/ g: N, F, G/ A
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
% B8 X7 s& K4 U* j
% J) T; M1 [' D, P2 h# 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& I/ l* ^* }0 S# f1 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 ...

( K/ T6 w) P, W) [" \, J% p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
% X9 C' {# F0 a0 [* W3 @0 m  `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。 ...
+ n, k% V4 h, L1 ~+ f7 b
比较可靠的一种方法：# _" G# T, H8 {: f
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。
1 A2 k1 C* d8 o2 k. x8 E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。" N+ _; ?4 k  m( y
大概是这么个意思。
  ]3 c; N  d$ e. m
: }' L! f* J1 s" x- Z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 17:074 ~2 `% n0 s" @/ d
比较可靠的一种方法：
! _* ?  S* I' j  E3 N4 }0 Q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 ...
* T# o$ e( f! e" x/ b
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 01:406 Z5 t3 g5 d7 T" w7 v2 c9 D9 z- T* f* 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， ...

! M9 b6 {  x& M3 Z7 \角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说. v+ a7 }$ e& G1 W+ h, ]
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
0 [$ D" b5 b- Y- d1 U* [4 q" v. x角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说% m7 e, p5 B& Q' a7 u+ d6 E
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 ...
) h8 p4 q" C  D) U1 K! P! ^
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
/ R% p2 |& K0 S% i角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说9 P/ H% ?2 x6 I9 I$ @
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 |3 D/ _* L, S' {& E& Y! b" B
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
8 C: v9 N& Q) v& G- W+ 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。

+ N- K( w2 S. `# g/ `0 b- @) O2 {/ 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。
5 @+ C! n8 _/ Q+ b; V4 K$ U
+ u0 U; W. D+ ~3 {6 B" X, a! N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
4 w% \) v9 t; E- |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 ...
4 Y# z8 i3 j1 U: S  {0 ~6 _. q) d
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* E7 @9 e6 \- E5 a+ L' u" ^; H
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 ...
+ E  @# t  c; y4 z. d
可以参看这篇：1 o- H$ m! j0 y2 y+ S+ |+ S

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7 }. ~1 r5 k, ~% J5 j9 Z% }+ t& d6 ?$ U" i
“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. ”
- U5 C3 F) n, ^. _
  U0 M5 ~5 D3 ^1 C. \% X更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：- D2 u% t6 A$ h( G9 R- V! m3 c0 s
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html
" J' `$ a0 n9 u7 E5 v) F" f; z
6 R9 g3 i4 X/ G" t  M7 _" j- y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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