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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 g2 z1 ?! h; h3 J* h& v. X1 a9 O
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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。! D- s) x, w1 m6 B) u& y! O6 ~
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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。' ^1 j7 }) i" y6 i( M5 c& [

; Y! t2 Y% D; E$ y. F! r个头、模样大致如此，二十六公斤。7 m; y" k6 H0 f7 u# [
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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。0 B* O$ L! Q* z2 `7 e

1 _8 i9 l2 `8 d( p* ]- d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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. K" {, B) j. L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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' K) i) n* j& b/ X: v1 A' ]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。% b: N! s7 G  s7 @3 t

) d" Y3 j5 V  ^0 a* g3 B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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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。
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  B+ B1 |& a  f( @说些个大家可能百度不到的。
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===前方高能===4 R4 ]+ m  I% Q2 ?
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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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/ d+ ]  U( a3 V5 s5 z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。' K# S8 h4 \% d
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% ]- m5 x& |5 l7 K  ^3 t9 ~惠普当年的铯钟，吊打全世界。: o2 H# [5 M; Z9 q( x; d
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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！1 v, S5 E5 W# @
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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。
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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。; R) A& w  ?" Z9 B8 l! V% l8 _( P' a+ p3 T

1 R2 R/ B# l# w# i1981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。" E" g6 H6 k; q5 H. ?' _/ ]: C! e, q

/ X/ j8 Z1 Z; ^) a1986年，十的负十四次方。
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% V  o0 `1 `& {. v2003年，十的负十五次方。
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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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6 L2 M# {4 ]* _# e2 B# F9 N3 J; q$ e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。; e* H$ t0 F: a6 n  M( P

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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。
+ @* W4 T# J: v1 y, X7 x6 c. F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
# \1 ]+ V9 H" d, O  ]4 k1 v3 [$ W3 j8 m1 M$ S5 q' I& o
群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；: t6 b( D$ C! P2 j, i% B& m
看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。7 i2 y- x, m4 N& g/ e& l8 Z
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 q1 A! o3 ^; y; f( G9 W9 b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

7 ]+ Z3 C3 B9 s2 J  P1 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。
- _, h" F# p+ D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( d. J7 x8 W& m. n. l0 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。$ _& Y4 q( W0 d+ F  z: P. V
他 ...
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短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
# Z7 s4 k1 f% \7 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
5 h/ j  C- m3 m  O短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好+ O& C: p& f, ~
5071A好像这两年不好买了

1 {" T3 ^$ y8 }. F这个短稳长稳有出处嘛？
5 r$ q4 ?7 i& O9 `7 c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~~
- {" c1 Q3 W2 S2 G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: S$ p  m* o+ |6 e" ?* p
这个短稳长稳有出处嘛？
6 \4 Y# N! N* B, U1 v0 v9 w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 P( V! L3 a( e. P! X& X" z2 [. R4 C! }, J
! N* ]. n1 |$ i) V$ T7 p4 i
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
: `* L! B+ F$ X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- p9 Q7 w8 L& u1 G5 G  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。
; z3 Y" ?5 U+ ?2 e% `他 ...
8 b! T% ^" ^8 B( v' L3 G4 i
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$ e' \' L0 S& K9 M: A
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图* E) H! A2 ?" M- v7 z
这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

" I1 D/ j  J8 W3 D& h1 g' g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。
3 p9 c4 T% y, t, M1 i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。
/ G& n; t, \0 b- s; c
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
% N0 N5 L: D* N% ]% O; N8 c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。
3 A+ q3 s* r, o% s& \# f冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

! e: g4 Z5 E. ^3 l2 S可能高端的铯钟做的更好一些吧  N( A7 s# a* r3 H+ I* @' [
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, n' b9 @* b4 v" V0 w; q
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  Y: I9 n& r9 M* Q, U0 W/ O
安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部
2 V3 r; G! u6 t& |, j
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
) }9 E5 b$ H  n) E) G可能高端的铯钟做的更好一些吧
% x& Q% w: v/ r# T  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1 o! g) l! Q7 A; ?+ ]/ H
时间基准据说 ...
0 O7 r) B0 R2 {# R; I. \3 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 00:56! r$ N& A% u& k9 I# i% M
请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？
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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/ o* ~- q" r: D+ A& Q
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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
9 b1 g1 U- P5 b! 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 ...
! U6 R. @$ j! i3 Y! K+ D, ^# 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 11:416 I; X& z* t. F/ x1 n( {
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。 ...

' r8 K; g# A0 ~. L: i1 r2 J比较可靠的一种方法：
" W0 ~( }+ X! 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。. q  s4 q) V4 ~% o5 \, R5 c
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。1 E2 Q2 c% _) k
大概是这么个意思。
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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. T5 P# d2 ?9 s5 z6 U: {
比较可靠的一种方法：7 U7 r& m& K) P- T' q; G
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 ...

; M2 I4 A  X) \% V( L1 q( Q/ }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; |5 J9 s& l: h' D/ u& t5 `
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2 V8 E* w* ?9 {
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 J; i( H: n" b* R7 z角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说" u3 E. v9 p! S$ B+ M
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 ...
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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 22:314 S1 l8 ]- Z. C6 k8 v" `
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说* _( n4 P9 ~0 O( _: o+ n& 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 ...
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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* {+ F7 _! E6 q
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。

6 _" {, t2 W0 l9 ~3 b4 W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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; n9 K6 v( P0 _( O8 ?! ?: @: }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 10:012 ~3 a5 G- ~# y& W; }& 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 ...

9 v' n( _% H% X/ _7 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" o( |( D) A3 D3 J5 l* D, k4 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 ...
8 o' u3 U8 S0 r! J4 s, V5 q$ s7 v1 A7 h
可以参看这篇：
, f( c  H* E) b# A; |/ W* X3 }# c1 I
http://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html: q3 k6 n, ]$ s2 W6 {4 E8 ]

/ u. `. V+ G2 L“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. ”( [9 Y7 D( I. U+ `1 u: b
2 {3 ]: H7 c6 S2 F  h5 A
更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：3 _* p% p4 \+ r4 n5 A
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html. V. ]' u: X2 K& z9 J7 I+ y
7 J- e' b1 F; r* X. J4 c2 ]* D
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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