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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 V+ \$ D/ @) ^1 I
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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。* u9 R1 ?- _4 _' {5 i- |; k

- ^( ?, C; f5 H' @1 B% Z8 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。
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个头、模样大致如此，二十六公斤。0 U0 y$ a* L$ z8 k

7 k2 N( ~) k; G% M( ^6 c$ i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。5 \6 G4 E( y6 Q/ o& T1 Z+ A3 i

% ?6 _9 z" H: `3 S6 |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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' ^' l- ]8 f4 {' f/ e1 ]  ]# c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 _8 i" n9 O& I& 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。' g' x% J+ f' B) h% E
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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！$ T4 i' x6 R3 W3 Q+ S9 m- r
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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。+ A) w8 `  M% _

% _+ k( W9 g8 F& J# F1 I( Z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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说些个大家可能百度不到的。) E, T' D. D& R

9 ^7 y5 D8 |6 u" h$ X0 j# h===前方高能===1 b0 O. J. b% v( q3 [; `
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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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6 ]1 I" S/ y# R- F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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) n' V9 {( B: z$ S% \% I* s0 m惠普当年的铯钟，吊打全世界。  C7 c+ i" q0 D/ d8 [8 M
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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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/ `' g0 u) f. I/ w0 c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。3 m9 ?! F, v' u# O8 [7 Q$ @
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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。
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1986年，十的负十四次方。$ b$ H( Z1 ^8 w# m$ p
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2003年，十的负十五次方。
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2017年，十的负十六次方。/ Y- c" p' c% ^; i# N8 ~1 ^

( q9 L/ ^+ \# k. J; m: Z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。% t. B. |- i  _

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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。7 j% u8 b+ o+ T  P' b# ~4 C, U
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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。
0 _' b" i: M0 D! m  V5 ^" f5 V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 ( O5 K9 `! ?: j  X; w1 w+ W$ D9 o7 s& A8 L
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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）；
) B3 t4 X* {5 j: i2 h, ?" @6 x8 l看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。
1 Q7 _2 q0 ^6 t1 t! D4 d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 18:451 t7 j! h" l7 X: w2 t1 R
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。: p. }% ^7 i! D4 E5 E7 `0 {
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
7 ^5 e6 D  B6 Y, ?; 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。9 s4 C$ Y0 Q- v" l/ r- P6 l: K# W
他 ...

6 @4 G2 ~8 A; T5 [( n# U短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
0 v! M1 ^0 W: {$ x! W: }* i5071A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
2 L; q$ _4 T8 P, j短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
/ `8 `2 v: v0 T/ i8 k5 c' C5071A好像这两年不好买了

, O5 u" P0 @' ?0 P. [* E+ W: j6 o这个短稳长稳有出处嘛？
! i6 Q3 I' Z/ n( L. p% N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~~- l2 j& e& s" C7 ^6 y4 e
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
; u3 T- V, S2 c& O$ n0 z: w这个短稳长稳有出处嘛？( R8 t3 Y' C) R0 o" R5 r$ [1 ?
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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% F& N6 f- V( n3 E, g8 @2 Y没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图) U0 j$ H( D. ?, u0 }1 t& \( f
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. G, p% V$ G" K8 z" H$ A; _: R/ 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。, v9 k9 K, M9 ?4 `5 Q2 f
他 ...

: Z3 E7 {9 s+ k; e  r  v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 12:485 j7 @- n0 ?# L; F5 m
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
/ E/ J) U) E% f9 j8 I这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...
0 d4 `+ i. C: M
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。
5 S0 h% f7 I4 I5 E4 p+ v7 L  L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 03:359 b+ ~" u  `+ [$ ]
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。
8 i. I; n; u* l+ ?7 _% P. E- b+ t) t冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

% v" u8 g$ s2 l- z$ I+ T可能高端的铯钟做的更好一些吧9 y: _) r1 J( L+ A' w
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
3 i. m7 Y. y- V, A( ^8 Q' P( m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) p5 C' `2 q) ~& M4 m) P/ q
安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

' v4 S, O; g; ?1 s! f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# @# W$ e6 K' w2 z! d6 t
可能高端的铯钟做的更好一些吧2 h9 h% J3 K1 ^3 ?/ j( I' 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( X5 k. g' j, C( {& r0 ?
时间基准据说 ...

9 Y: c5 S7 G- I; f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) P0 w* d4 B3 |. {- B$ j# s
请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？

- w9 |) T. M, E; J" 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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$ v9 \% r, {8 {4 S+ ~# Q) P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& Z3 a' g. i! `/ N" U3 h8 p& b7 Y7 j
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 ...

3 ^7 L  v0 f: {, j. B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; C, B+ S0 a) S8 z" w, o) R# L
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。 ...

( H) \, R7 |6 T# J* J6 N. M比较可靠的一种方法：6 ?+ L! q8 m/ U. E9 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。8 U7 y5 Z. E& |8 r) [
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。
5 v7 T" J" P; Q" |3 z0 _大概是这么个意思。
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2 R. h2 c9 m: q! Z; X& E- q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; V# L4 B1 U3 Q9 R; }
比较可靠的一种方法：  d. }, l" m) H) x: s' w: \' r/ o
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 ...
3 r4 e; y9 r: C! v/ ]1 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! }) j/ g! g/ {) t) Z+ 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， ...

. f' ^- o  M' ~* t角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说* N+ G7 p7 Y1 {, u; q6 t
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- R# ~, o8 y/ S) _$ E* C
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说6 o" ]+ X% L9 V* n
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 ...
9 G2 N, d" q: X$ M! [9 a# b
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( Z- x+ ~% {% t9 N8 ^0 P
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说. a' z5 Z$ D3 W0 c) a+ a# `% {
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+ C  }# x. j% B$ {* Z& X& i. F0 B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
' ]" G1 {( I: z& ^* l* n: ^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。
3 F8 ^& j, X# ?- d% h8 a
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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( V( R7 ^4 |# r6 x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
; ~, l) o4 N) ~& {" @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 ...
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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% }3 H$ K: k+ e% `, s8 Q2 C
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 ...

9 u+ m+ u) g& R. I可以参看这篇：
, \8 B1 c, C$ w7 S2 B9 j( V& L* }! _$ Z0 B* p
http://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html
# h" K4 E' t7 u9 t5 N# x8 m( z/ H- B* L& G
“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 u9 ^( x9 |3 Z' ?3 C/ G- }% [! {* m

* a9 d/ a, L2 Q+ z! B更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：
9 [5 w/ e# e1 ?3 E4 p" Jhttps://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html4 o/ \* N' Z0 r9 [$ ~# D

5 T; j- U3 I$ P+ Z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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