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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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9 p2 o( u3 S, u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# q1 U3 X; l0 N
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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。0 z# y/ ]# M0 ?, k
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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。$ t- B/ e7 z) f  i
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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。, E7 ~2 {' k6 A) x. r" X

- ]8 X+ e6 d7 \8 w6 F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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9 r  m" H) F! s) k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。0 x. d" \4 d3 G# W9 D5 k

6 d. K1 u' r( H6 N- _. T5 Y% R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！1 ~* b! n2 G- z4 \( M

  T; T' L/ D/ p$ Z" x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。' C4 g# Q& ^- t  w& ?: @% _) u' \
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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。, D4 c! q/ m# m" Z
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说些个大家可能百度不到的。! c6 l/ z  d( i- Q

, f7 r: n; M$ i. x# O===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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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。" q* d/ J7 Z  @9 x8 n- w

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惠普当年的铯钟，吊打全世界。
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4 t, a5 a! U9 f* e: m7 `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。" T* m. u7 s0 T. _( R

' p2 B& `6 Q0 k* ]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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8 K& Q- ]  C/ g8 w" F7 o1981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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! X; ]& C7 S9 d, a) q2 e1986年，十的负十四次方。
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2003年，十的负十五次方。6 C7 e  ~8 h& u3 v/ w. |: z
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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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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。3 t- |& _/ [9 U) j* |/ L  F/ Q
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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。/ n+ z8 [7 U" C+ C' N
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 9 `% ]* l' D( z% r7 u0 U: \* [" i
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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）；
( t+ \- i) Q5 q0 S) B看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。0 f9 w0 D, S2 ?, ^: Y( @/ P
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
# Z) T. Q$ f8 a2 L, e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
( K  g6 Q- ?4 {1 g/ M! t; h& i
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。- u8 G/ j" E. s3 R8 \
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) J: Y' H. O1 x# j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。
/ X" C+ N7 l! G  y; r' j7 w9 k# C他 ...

; X5 M# z. S' x' E) @短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好5 e' L; g8 C% a  v
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 13:358 A* ~  Y4 Q" _. t8 Z
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好& [! C4 O: Q2 B
5071A好像这两年不好买了

/ C5 d. G* _  r这个短稳长稳有出处嘛？
& K9 @  v- c' 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~~- ^( `  U& v  g0 s3 U: U
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 22:565 {+ t# J8 v6 d( a# `/ [# u
这个短稳长稳有出处嘛？. B, L* {2 a) G0 z, z/ P
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 ...
7 w* n) x, r7 m% x9 D: [8 i
& {" H+ B" `0 }. R

9 X0 e: a) _, D) h4 _没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
- `& T7 b% a+ H. K8 r" [( N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/ A# p% e! b5 _0 M! c) 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。% \( ^$ f" D; ]: h. R
他 ...
+ d4 C# ]- [) d; s+ l1 d) d- \
安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部
作者: 红茶冰    时间: 2020-7-27 03:35
radioradio 发表于 2020-7-26 12:48
- ?* g8 ^+ [0 m/ l7 [没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
& \) q0 E* O# o2 @这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

1 I. |& D5 E$ I+ W. W6 i  S. T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。
* |2 C$ u4 e4 h  c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
) f; ^& k& }  ]6 \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* V* e8 N7 M7 a1 A2 ?$ Z冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
9 N+ h' V' m, y/ r- Y& v
可能高端的铯钟做的更好一些吧
7 ^+ b" |( e6 Y) A% u. M  x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
: o0 q/ ^. f3 N: 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 03:015 `# S4 ]. g! v5 w; ~6 ~) |& E
安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

) I5 ?& l/ T* @' _% V( T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% E! m) [6 L% Q$ s- D' e
可能高端的铯钟做的更好一些吧7 g& t9 k; ~7 m1 \  u2 P+ g! k, r
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" p. e6 ?$ m& Y- y5 C6 V# f/ _4 v
时间基准据说 ...

' y- C: v6 h: K2 T: {5 p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
9 E7 u4 E; {) U# Q5 `; p8 i请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？

5 }  K* V2 A; K, C$ h1 Y$ 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
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$ j/ c0 [# _$ V( S* I0 f! X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
! B( \4 A" o, f+ L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 ...

; Y2 G* Z7 L+ Q$ M9 p1 c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& l5 x) ~; ^$ R- r
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。 ...
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比较可靠的一种方法：/ E, C* x3 V) K
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。
$ r% Q6 T1 A+ W. f- H/ D+ a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。
3 g5 S% S  g  q大概是这么个意思。- A2 D0 u5 Z6 Y! @9 ?- ^: R
9 s4 R% T0 ]2 \0 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
* |& Z3 K& B% \比较可靠的一种方法：
) d3 t: _/ O: P+ l& W6 k% [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 ...
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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; [4 m, [" e2 Q  D" t( `
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， ...

& v) `* l7 A& g# X# m角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
+ x1 o/ a  l/ |/ L8 q9 g2 A8 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
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
% U, g. j" W% p$ \1 g5 m8 w( P角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说% i* b4 h6 N4 Z3 ^1 q9 Z- }
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 ...

0 v( c, G1 ~' u0 f( M* m1 u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  X2 M( A2 i% W5 g% b$ p+ D
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
9 ^' z8 \2 t, c# L' V4 Q2 O8 ]6 E( 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 ...
& `! O- g" W1 T& X, F* Z
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, K0 l1 z" X9 t3 @
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。

* v* {0 L6 L- C/ a6 K) 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。
  L) k' ?! |' X* ]$ G* x0 W
) u9 W# ~% I' d2 ?6 ^: ^5 `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
: R- J6 a/ ]8 S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 ...

, [3 I( p( B% c) X& b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
9 b7 b% U% ^) o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 ...
1 X$ ~, ^6 j9 ~0 s8 @
可以参看这篇：
4 X% W4 p+ Q/ G5 e  W! c: g* k/ y  N- c/ X8 g3 B- K. {; b3 T
http://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html
' J3 @+ g6 c/ V$ s" ^
1 h* {9 [% p$ c  C1 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. ”- f! n" Y( D9 v1 E

; x% ~7 H6 _2 Z% r: a! R更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：
0 ~; m" G; D+ [https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html! d4 x, x& J. W. V6 F4 {8 }

2 B& V  ?* S5 r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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