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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
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; k. `, z8 D4 H5 Q/ e6 d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。; s* Y5 {9 I- F7 G1 q. d7 g0 P/ w

* {! {4 N4 K8 q- `. M, V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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9 g3 l1 {. O' T3 S( J; w) k" \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。  P0 N6 m4 [# h& U3 o& q

+ N; Z( s7 v6 h' J0 _+ X  g, R9 e8 ~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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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。7 C0 Z( g+ B6 a* N6 Z& n' t

: m0 p; J" o, g& |" {& A说些个大家可能百度不到的。
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0 Z  H6 \. }/ \/ n+ o% J! t. r===前方高能===
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0 E9 s2 w0 l  }  T" c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。6 L5 G8 m' V) `' }# ^; e
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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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  {; @" C5 y! V/ V  v惠普当年的铯钟，吊打全世界。
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! y5 f8 t; I! G  I2 F7 J. u0 l7 X1964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！% i6 v: s# i5 b1 J: ^7 F
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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。
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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。1 m* {/ d) [3 W/ z/ c  k

; T# B" n6 I0 j5 B$ s4 W8 s1986年，十的负十四次方。
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5 Z8 P: v" z/ G1 |- b0 E2003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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。。。
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3 i3 A7 @, s1 i7 C% {+ C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。' @/ u5 s9 W& j/ T4 p0 e
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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。$ e+ }+ K' _9 R4 B' K0 l
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 i5 O# M3 l6 k- w
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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）；
1 R1 m  H4 S' P" `看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。) ^/ i) ?3 ?! D: D, E0 g1 Q
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
9 Z; j$ l" ~3 I  w7 U! a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

# c; k  f$ Q% x1 ]4 h9 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。
) d8 V8 b* |# b7 {+ T1 _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: T$ \* h. `: b8 `% ~1 ~8 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。
! r$ `1 T6 I5 n6 J) j" S, `! d他 ...

& a! ^/ z; F; H: x  b8 a短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
! N3 Q7 `8 H' p- S1 d; ~; @, H! 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 13:35% I' B: D" ?) ~
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好% I& k7 e8 u9 e- v
5071A好像这两年不好买了
/ I$ L+ k; F! ?8 a
这个短稳长稳有出处嘛？5 g" I) \; _& N' W8 X
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~~
5 T% a- f: }+ f8 l+ s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 22:568 n; ~4 ?- e' s, M1 |7 |( @
这个短稳长稳有出处嘛？5 p7 v- ]8 ^" j9 h+ g
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 ...
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9 F! B, }0 l2 }: m& H
# f: \8 K0 I, e$ b$ m没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图* p# j  _6 N0 V# ^
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
  f. H" w1 |2 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。
$ ^: N$ ^$ g7 C( o$ I6 L2 m4 T( j他 ...
, B5 s' Z1 q1 {$ }. F
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# G$ ?# R' T* L
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
; n) U" G  o. n. W4 x( }2 Z这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...
& J5 L$ W/ Q; `. D
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。0 Z! G6 `0 Y) g6 q4 W5 Y* Q
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
' ^- L. P' z3 B! J( f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。
) D! i' y: p9 j冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

4 H) W8 ?8 x& @2 f6 X- ~可能高端的铯钟做的更好一些吧  r: a" ]' l6 K0 W0 y/ R# Y: \
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
# o/ i8 V, V% k4 }. s. W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
' p8 D0 _  d+ @安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部
* H% Y1 M& U6 J8 a+ q! e
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) u% a$ ]. R# C* ^2 S0 l
可能高端的铯钟做的更好一些吧- X. ^$ E/ A# o. m! D# x. g7 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: F5 H2 @6 \( Z1 v
时间基准据说 ...
: M  Z4 u/ I- L" I( _& l! l
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
1 y+ c7 X* l2 V" Z2 R: M请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？

% ]4 E  i* r7 v6 M8 V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
6 @" D  k" W6 z5 R- r9 a8 j6 ~- W: u, z' f: S( w) S
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
4 m# u& B! @* a- |( q' m8 _: c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 ...

0 U3 K" R3 r9 ~& K4 d4 A3 S- A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) |% u, S9 T  X; a- Y  @8 z* I
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。 ...
1 S4 Q3 N& m2 B1 A) ?1 V" o
比较可靠的一种方法：
. k) y6 l/ ?5 e$ W; C$ a8 I! w5 I' R" _% \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。
/ O& ?8 q6 ~9 X$ {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。' Z6 {; p+ ~8 c6 t, w
大概是这么个意思。- r/ Z. a' D' I  E/ B  B& }, Y

3 E6 b% U6 ~$ t/ O2 s- Y- E& U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
6 K: B  f$ K3 ]1 M比较可靠的一种方法：
2 H; o0 H) r6 N: R, v2 Y- B: R! ?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 {4 F) v/ \' `2 a& K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
$ r7 p  ~8 L' R( O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 f2 O) H. u, ]2 Z
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
( Z6 ?! T) I2 G0 y1 J( S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 22:313 i" v; m# a3 b# O6 r, a
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说# V9 O# p, D  w4 l" 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 ...

6 t" d  O& n# Z# y8 q/ ]% U( w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
3 I2 F( y% K6 n. l! d% B7 b角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说3 ?5 O4 H: p* W  |
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 ...

+ H4 @9 x3 Y' [) F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
! E0 y( X& ^2 j1 \: z7 Z, J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。
4 o1 x& G+ g) y  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。$ l' u' T/ u  C; B
5 W8 l" n0 l0 i. A! L7 T
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! I) k% u# P7 O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 ...
2 z7 D' k$ j3 I- ^# 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/ g1 x, m$ u$ W) W) F$ j
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 ...
6 [+ U# y! j+ q( ~8 N% @7 ~
可以参看这篇：0 m& z  y9 D; h( y

( a# _2 E3 |" B) V+ nhttp://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html" C1 P& I" {% S

& U! |9 }6 ~9 P/ V! W3 v“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. ”4 m+ c% V+ ~+ u' q' E; e, q

! A8 Z8 Z: u0 v更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：2 Y2 f7 j0 G' m1 x) o
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html
. {% {- N4 }- W4 }' B$ U  x& ~5 N  E9 K- r* X2 ^+ @# K+ |
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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