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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 ! I# i% i4 x$ \
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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。- O$ N7 e% V6 {! p$ i
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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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! p  t, ]( I5 X6 M6 L个头、模样大致如此，二十六公斤。2 [. `% C4 j7 `% P; Y

1 W6 x. Z( a# W8 w9 G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。
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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。
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5 K" v& D0 O) P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！& `" C8 ~$ B  H, c+ N1 t
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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。% m4 {9 D. @$ @) G% [: c

* i) ~4 k! d- {7 j! l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。3 C4 N! Z. H* v1 \) v

' @9 |7 T0 _' _/ R$ Y2 b说些个大家可能百度不到的。0 E: {4 E6 O) m4 c3 Y; P  d  I" I
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===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。
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5 k" ~5 i" g- M* B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。
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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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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。, ]7 M8 p- ^5 n$ n0 s; p5 h3 W+ y

) b# o1 A: ?% |6 c; {3 S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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# Z  a, O2 S. G  v0 _5 O) 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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9 y4 s* F. P# a6 s+ G7 J% D) t1986年，十的负十四次方。
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2003年，十的负十五次方。
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! @: |6 R# F: e; M5 q( b2017年，十的负十六次方。: ?3 F5 F" s7 C) k1 D$ l

0 [: i0 Z( |$ P" G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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6 |% L. G7 `2 d/ g9 N5 i6 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。* A4 l# K) s- X9 D: n. |

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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。
- o# s0 k- D& c# m% C; Z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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" c& ~& h/ h9 M" G群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；+ |/ [5 x- u8 k' W+ ~" @
看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。
( T, B8 [$ I: o/ k' G" L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! t6 A8 W4 ^6 @; @  B9 g4 J
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
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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。
' ^$ q7 N* I, K; @0 Q4 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 22:56
8 Z5 x! Z8 F5 m" }, M, Z! T$ g: 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。
8 }; K3 G- Z$ u" k2 Y. ?% j他 ...

) E5 D$ e- P# F2 L) z5 q8 v短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
1 |7 }; Z# `, @( H5071A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
$ w# R% a9 X" @& T9 M; N短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
. ]/ y+ {6 J2 H" E' s" h5071A好像这两年不好买了

5 \$ ]6 g2 r. m这个短稳长稳有出处嘛？- Y" \3 }  Q: e, g; i
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~~
4 H, \) d+ d' Z3 k! g9 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/ E8 c$ T9 M" t% P1 r( c1 b" ~
这个短稳长稳有出处嘛？
/ x+ W& q9 I" }* B; D/ 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 ...
5 B7 X' M/ @3 e- m% F
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  I8 c7 p  r, q7 i# g没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图6 j8 Z% `, ]6 c8 u. h$ k4 H
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
# s$ D% B2 S& r! 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。
' p0 N' V* T5 N- ]他 ...

( H# @4 Z& Q' l7 U6 p/ ~" j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$ x9 A3 M( k$ b& N9 B! y( k
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
  j8 E) B5 x6 f2 h8 T: b& |这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...
) N3 k) n* O+ |+ A
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 }& f  p/ `  Y. Y! 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。
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作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35+ _9 h$ k0 @3 Z) K( 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。; M. q" Q( L  [# g4 E( S% M
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 _6 t4 Z$ a1 s
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) q- |8 C1 y' b' s$ O5 i
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
8 M& m5 R* o! h  c& p7 d5 S) |安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部
% s; n" @- @0 Y: C: i0 o6 ]: I1 a
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$ Z( Y8 @+ F0 r% f3 v! B$ u
可能高端的铯钟做的更好一些吧& t2 L! y* k% G0 S: ^+ K% g
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 v! C8 L; d+ H. ~; q
时间基准据说 ...
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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
5 w* D& t& d- e4 J8 I7 x请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？

. \6 ?; d4 n' y- @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/ Q# @7 Q: E8 P# N
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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+ R8 P3 @1 V; k1 k& _$ v6 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 ...

* x' \7 a( k% b7 t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 11:413 q7 o9 ]2 |* y7 c8 i- q
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。 ...

7 e" a: c: b8 S) G, B2 k比较可靠的一种方法：
' ^+ @: i0 w9 Q( N7 \' k9 v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。
# S" y& u6 N% i$ z: J0 u7 J" o: `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。; G" s1 n' a- M& C& I1 m3 p
大概是这么个意思。) _/ m  w& x! n/ P0 T
# F) H) P$ v. ?3 `+ n; n1 H
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+ \9 W+ ?6 @9 w" ^% ~( P* |+ Q9 A
比较可靠的一种方法：; `1 C: P7 n  y3 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 ...

% G0 n& Y+ y; i8 a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( Q: Z- y7 ], d$ [6 O& 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， ...

% [7 X" t$ W/ H% x角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
8 r! H2 |) P0 J5 O2 V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 22:311 Y1 h: r, H8 t( i
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说+ S9 H- W7 J7 z- E2 n3 a3 {
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 ...

4 }- T, }. H# O0 c# h, U$ l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( S9 G( n' Y0 t# m, v% D6 {$ _. q
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说7 X' \: c8 M9 c$ U# Y& 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 ...

+ P5 [9 n5 N( ?+ \: 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 13:45  L. Z" v. a9 Q, R/ x6 g( ^8 ^
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。
% J; P, Y7 t7 Q( J/ F
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。
  C7 w9 u* j1 S# Y/ p
! c& s. e! `( M8 l, c# D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
2 u1 b2 l8 X% X1 |$ q! k7 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 ...

9 q1 G. u' v6 r4 t3 ?5 T6 g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& J( _( c+ A9 z
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 ...
) o) K/ x1 |- k# O
可以参看这篇：2 B6 W( S$ N2 v' e: [" {) c( y3 \2 e
* {* T& u. D  g) o
http://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html
: p! O! c* X+ ?1 a+ L( M- Q: k6 v
; h$ S1 v$ Z$ N8 D7 g; ?+ e& o“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. ”
+ V, R- J0 L4 z$ N+ @' w: c* a2 I& t
更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：7 J' W" W0 {! {8 E4 I6 ?
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html
) J4 ]' H6 w! p# |3 ^4 A4 C4 m+ x
) H7 T* @4 l: `: C/ t0 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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