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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 7 B* U) R' Y: f+ _
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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。
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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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个头、模样大致如此，二十六公斤。
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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。# v2 e9 f0 C5 i6 s

# C/ c  d3 G" c7 v/ Q0 b% l. w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。: }" s8 k' j. }! f3 t- @

, f* Q3 c! \6 N5 y' |2 T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。7 _" F+ s0 {3 c+ g0 p

# h% A  w+ K, U+ K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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  Z( G" \6 I! k3 v7 w. r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。2 B& `3 z. R3 x9 S

. l% ?3 X5 M8 h. d5 k0 G0 ]/ g1 W1 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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说些个大家可能百度不到的。
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; }' o% z6 x# z8 l===前方高能===
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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。5 v6 Z+ E  |  u/ ]! T6 K
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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。3 g4 a8 v+ \! j& Y$ l0 d0 p' ^
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惠普当年的铯钟，吊打全世界。- Q  m. }9 m+ {  ]: D  B
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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！
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' Q0 I9 H# ]& a8 |( E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。' u# A3 y6 E  A

$ Q: b) g7 D$ Q6 d- {2 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。
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) V& K; }9 r" E& 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。
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" m" j' }1 e4 b' O1986年，十的负十四次方。, n6 c) K  U; U, B" B
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2003年，十的负十五次方。
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( Q! Z1 m, i# }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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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。7 m+ u9 c8 _8 p5 Y8 u! w
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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: J( e+ a2 E8 }( }: x群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；+ r/ E7 M5 k/ e! f/ [9 ^8 U
看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。+ G4 s+ w+ T% i+ @' }
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
. e$ F( t4 Z/ A. F# M: 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

  H( q" d- T9 v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。
" D0 C  g6 a  {" W1 i  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
( B" t1 p: e, u: n. 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。
* T) C9 ^1 ?5 N他 ...
1 q/ e: O, {) r1 C2 V, W* m1 @
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
# i; |2 M7 f- V0 m/ d; j5071A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
( x9 r( ?, J  H, S7 ?) v% v短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
, K  K2 e( \4 o+ Q9 M9 ~  p5071A好像这两年不好买了

$ w5 e  K5 p8 r& U. J4 H; Q0 A2 L这个短稳长稳有出处嘛？
% C: {  T" _: v& E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~~+ k' H9 x& S2 a- M; Y6 m
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
1 a: S, g1 ~, u# y! D" k4 i* }这个短稳长稳有出处嘛？
: j4 A$ W& G/ f+ r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 ...

( @9 J- T0 X- A5 y
7 c3 }+ ]/ S  q6 V8 S' L9 v! o1 S. D  o' s1 K) f) H" w
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图- q' {: F! f- p
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' G  }0 a& V' `! k6 C, [& t
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 ?, T1 J( d4 e4 X2 F9 f. P7 R" h他 ...

6 {4 J( p7 p; X/ W' \" e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 12:487 s- k5 k# R' l( Y: V4 ^1 I
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图/ d# C, J" a0 v# w6 C* A
这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...
) T7 \7 N' H: d* }( @8 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。1 l: F* @6 r6 X
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。
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作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:356 E* b' [9 w0 W5 e+ 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。5 b1 E" z0 Y7 T/ U5 S
冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
2 m% ]& a* n" F; n) D  d
可能高端的铯钟做的更好一些吧: s) ~: C+ A4 f
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 g7 G- m9 Z5 z2 K0 c4 b" K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* c. m8 m3 [% S* ?, ~  B
安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

* M8 d  n/ y, K  G4 k4 ?2 g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! f3 L* y+ q% d
可能高端的铯钟做的更好一些吧
0 O8 V: H1 k* K: `! D9 k% ~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
7 k- o8 C# S4 T' L时间基准据说 ...
" p. K& d5 _7 ~1 W
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
$ H, M9 p7 H# @: s请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？
2 l( i+ u+ w( \) W1 F. w" ~  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' @! B) B. @+ p3 G% ?
$ p: @9 ^* ], O# ~
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& H2 l5 J' Q0 r# u4 a: V% j
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 f" t( N% ?( H4 s$ E( 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  l$ I% v$ A' b3 O9 O* j" v/ `
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。 ...

6 e* t& ~' b1 c6 a& _: f; h2 ~比较可靠的一种方法：
0 P& E3 `, i1 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。
1 r8 h9 _5 m1 u5 q* X4 e1 I  S- u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。+ W. H, W& x$ Q1 s( G& Z' N$ \& V
大概是这么个意思。
1 v; U# M+ @: j1 `7 x( y( n  S5 K0 {
( Z) f5 X- Q  K$ ]1 M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
! o* f6 M3 P! z7 k: l比较可靠的一种方法：! i3 _- c' X0 d  ?
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 ...
2 z' l5 b% x* m% 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，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! ]: z- J- M0 d$ ~0 }# S
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， ...

3 w: r$ R4 h( {2 v3 p角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说; c' H9 B) D3 W5 y2 F/ F) 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
作者: 陈王奋起挥黄钺    时间: 2020-8-2 01:27
radioradio 发表于 2020-8-1 22:312 A2 z! {: @% J
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说- O& U: T2 K! a9 c
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 ...

) h* }2 F6 Z$ _. ]7 G+ R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 22:311 a: n! {1 E3 W, \3 x; n
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
# A+ J0 q! u& v3 O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 ...
$ l& ~" u; e. {6 R* z. L' 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
1 C! L2 j3 J* p, V$ H5 A, I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。

: Z& B: |. M8 E, A9 G9 j: [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。. B% j3 Q. I2 F7 L& ]/ Y& s+ |

: o; g# a" A/ Z7 l9 \" {( o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- m4 \; U6 \9 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 ...

! A# T; x. l$ c# x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  i- l2 x  x' [& [% c! d7 _
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 ...

$ T4 j* T* n9 T: z9 R) r3 v可以参看这篇：
4 ]% j9 Y/ @, c1 k: f2 y9 x/ V% ~& U# ?, y
http://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html
( V; A2 Y$ G) U) `1 }/ t8 ~
* S( g2 z8 N. Y" G3 H“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. ”2 j$ b4 `# E9 O1 |  b, }& B0 Q
% F; ^. U4 t# l( P5 @3 k/ s
更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：9 M1 J: d; {* Z9 t6 H8 B
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html" C9 D8 C  D; R

1 |9 X- o& j) g" P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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