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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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$ H4 f/ K) |& x% J, o& A! [; S, ?5 N4 l' ?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。# ~9 n" l5 I1 a4 {

2 C" N' _6 Z9 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。4 f- O5 {$ ?# Z- Z% A

% ?) L  `( ^( x个头、模样大致如此，二十六公斤。* G& @) B& z9 S: {
( V$ i) ]& t2 e/ r% ?5 C3 n* w
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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3 q* F) N8 v* K5 ]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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4 d' a# q/ C3 Q9 M8 }7 V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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( N9 {( d6 R3 y: q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。" ~. b4 c3 X+ h/ N  b# }. l4 P

6 |( q9 W( d1 J+ B4 U3 D$ N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！! X# M2 Y! N/ S$ q0 ]1 g: _
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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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( X" G1 v: a9 }8 l1 R5 R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。9 b7 f; F# R4 j7 K8 R
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说些个大家可能百度不到的。
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* d0 ?0 A$ x* d2 c+ ^1 W===前方高能===8 h( I! @4 A7 k* U% }
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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。
0 W) N& n3 Q0 t' K% C2 ]( @
: M5 s8 ]& \, H& [1 e- z/ P: G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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* K$ G& N6 x! h- C3 D" ?. r' j; V, r: |* i  ?2 i( G' E& D" p" J
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！9 U! n8 B6 ?( S* K$ Z# |
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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。: X6 r3 N4 _1 \; R
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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。( h& }6 k, A0 t; z

( Y3 u5 ~" P8 `! 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。3 e$ F7 `3 V( V) E: X* o
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1986年，十的负十四次方。/ Y0 ]0 D% q: D6 M: E8 `
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2003年，十的负十五次方。- k" k9 w: ~/ O: S4 M

8 H) H: V! I1 k) \6 m6 T2017年，十的负十六次方。! t" @8 v4 N3 G" Y  R0 F5 o# Y

7 X. m) Q* h, ?+ w  B3 d0 p. L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。5 Q5 f1 N5 V+ m6 [

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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。/ f" C* k3 ?1 u) M# ?

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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。
# R6 [. r( E" f7 L* z. P1 X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 " b9 C/ T& G1 \
# q6 z% d3 y. }% Q" [
群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；
2 d9 {' E& U' k# l* t看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。
, ^6 u4 p" I# M8 b6 }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: Q  t5 @6 V$ k9 u
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
4 C* [4 A* I2 h, Q" @  z/ I2 S
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。
% A" k( T6 y4 D, u( m/ `! h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( I8 J% e2 w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。$ v3 g* s: v& `, l
他 ...
# x5 v! w# R) B
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
+ f# m+ [" e0 S  k1 m  @' K2 `: _5071A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 13:350 I8 b: M- s7 i& a, i- X
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好) g/ i4 I& |" X; E, j& p
5071A好像这两年不好买了
1 a- x7 g2 P9 e( e) [: E# F
这个短稳长稳有出处嘛？
- f0 o" y2 s  t3 ~- s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~~
& s3 M; j3 K8 U/ R# E* J# y5 `3 {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
5 _+ s2 }" W1 O, J这个短稳长稳有出处嘛？* g. G2 Y6 y. V! W7 w( a* A
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 ...
$ b8 O3 ~5 s- ~
3 K1 F" R; K, a

- E$ ~" a6 P0 Q没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图2 L/ `% \8 m9 u, L
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
9 s- ?8 o& o2 B) ~% ~4 A0 ^& 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。* w# E3 k  D4 u
他 ...

* L4 z) o( d. x6 _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
4 o$ i- N* I3 z' C. W没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图* [  A0 j- _2 L  M2 w% R
这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

. g$ ]" l' S4 `: T" ]) r$ 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。) a7 c! [8 A, A% a+ r/ d0 O8 i& D
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。
& H( s  U# n8 N9 d
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35( ?1 P. J- U( v5 b/ M# c6 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。
4 E0 }9 ~" T3 y# _: @5 \冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
4 R1 m# ?& `. j7 d/ V
可能高端的铯钟做的更好一些吧
% C" h3 s6 q4 g- m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( n8 e. ^- ~6 x) i' 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 03:011 I% x1 L* t' y4 }# a
安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

# ^; ?2 |$ X- }% k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
( F% `" ]: L' v9 B& l7 X可能高端的铯钟做的更好一些吧! ^& U6 e. H: U1 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8 [* a3 }/ \$ a, i; W3 J
时间基准据说 ...
8 I! F; N$ I: B0 A! K
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
7 }: J, E1 I3 {6 C; g请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？
( F& U/ g$ J0 T- 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
- m9 T  v3 I. `' a
2 `4 H. ]( h; x2 ~( \5 t( b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
' ~% V) g! @8 a+ z1 |9 T) ]* 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 ...

  @: h; O1 o/ 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
  s) V! j* F+ r  T1 P) N6 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。 ...
) V0 T: C, n$ p/ D+ D  Y" R
比较可靠的一种方法：
- a* M& B" I6 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。
  d9 l# h+ X4 `. R4 {  Q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。( N3 J; i+ b4 ], l0 M
大概是这么个意思。. _5 w* Z! y3 Q* U% K  ?. @' D9 p

& j" Z5 q, O* a' J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
7 U- w2 y. i* |比较可靠的一种方法：% r! _& b  r6 q5 n' C
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 ...
0 _0 ^/ P; N. x* d
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
" Y3 v. N, ?: |  B% a6 r( n3 C0 z8 I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， ...

# C6 d; K9 N0 x+ X1 N- @/ ?角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
% W  N5 J& T1 y- n; r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. ?* L8 Y4 ?. f* z. m6 q
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
- c3 J5 w1 u# K5 Y. }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 ...
: u) V% f; Y/ a; D; H) m7 F
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# Y( S) [" W# V* {3 [0 n
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说9 e" \7 S8 H4 z% ^3 r8 _
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 ...

/ R# c7 Z1 @( x  V3 s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 l+ Q- {1 T, h0 }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。

0 j" T; ~8 T# S5 h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。7 Z* v5 X6 |5 p0 \
' \3 b9 s: |- e( A
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
9 G7 N% C, H9 \5 Q" Q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 h7 u% O, C3 R& X( p3 C1 q- A* c, 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 11:202 p, P5 @1 b5 I& I1 f6 ]- m
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 ...

; P  l1 g2 g4 e+ C可以参看这篇：) Y: T1 M5 \+ V
/ d! }5 E7 x3 Z' E/ M+ n' p
http://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html
  _( g$ e2 b3 x" ?+ X# {2 E& q% w; I  D/ r+ T6 c4 y( ^
“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" S. X; k/ G# |4 y* \* W4 u, I
% `" X0 C4 m% k" I0 g更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：
& |0 m1 S6 m$ Q7 {3 yhttps://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html; v5 Z6 S/ K7 N9 Q
1 H, i! i; a2 E
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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