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[科技前沿] 正经说个硬的:原子钟

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  • TA的每日心情
    慵懒
    2023-12-6 00:54
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    楼主
     楼主| 发表于 2020-7-22 21:00:00 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
    本帖最后由 七月群山 于 2020-7-22 21:06 编辑
    0 [0 M( y' O$ q9 z/ H. X9 u
    3 ^2 r0 A- Z  S, D$ z( {- k/ N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 u& H8 i. V$ {" O% ]; \
    # E2 y& L" k' }0 f  f' _( G% s  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。
    . Q  V* `- ^' O7 W1 ^: U
    ( z# X8 _1 n2 ]4 @个头、模样大致如此,二十六公斤。
    + m8 j% P1 W. w. k) I9 t1 {  ]  m+ i$ O7 a7 J! x
    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。
    3 l5 F5 \  p; M) |% ^+ f) v% E( P; f/ h8 W! F1 w) R) w) k2 z6 w
    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。& L3 W* t5 X, y4 b

    5 ]5 p" K. H6 E3 t2 j& Q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?
    $ W8 _; r# N" N+ I7 a, o
    " Z. }; L2 ?8 O9 u! Y! z) S# y4 \6 A# o6 T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。  L7 T, Y0 T* W$ g: X

    ( J5 X8 x% O9 X; c9 y: _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!
    , d1 A+ {: ~0 y" B# m8 k6 S# a% W+ m" s- r
    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。
    $ R4 `  b1 t& {+ w7 F
    1 K6 j/ Q; 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。7 x/ _( b; _* w+ y

    - A: L2 Y! i& p4 \6 {说些个大家可能百度不到的。$ o- y- E: _- `) v' P' [( L( ]  F
    % b* T0 ~* g2 j0 q
    ===前方高能===6 s' k5 _, c% c$ _

    7 B5 f" b$ Q# @. M. c8 m3 ]* p& N. ^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。
    . Z; \+ {! Y: l, L. X' |/ Z! e4 t8 s" R( E( i( ?5 K+ B( u6 y
    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。
    4 d$ B% v! g8 P5 [7 d* T- S6 Y8 k7 I( d/ a, F5 x3 F

    3 |# e) w! v9 `" {惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    3 }  j- B8 s: s! s. G$ M2 B2 r' p
    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!0 R4 ?  n, u' g" k7 H
    ' S3 `( c! e2 v% x9 ~/ |
    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。
    2 V( X! |/ s6 ~/ C
    , T1 @! F" Z7 b! I* @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。% |( U% ?+ z! g; u+ b+ P+ N. [

    8 m" ~' G2 d7 k- G1981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。
    ' Q; v* E7 {9 K, K! f
    4 p1 s8 h( {+ j& j$ o4 |% u) n* |2 z$ q1986年,十的负十四次方。- X& P- s0 \. V% @! C7 H! V
    7 k( C/ G& ~7 J2 S9 i
    2003年,十的负十五次方。
    6 ~6 R( X$ J. Z' S' H$ k2 m: o6 I, i/ ]* ^& f8 |1 O8 N5 j) p
    2017年,十的负十六次方。
    0 c$ D7 O+ k; K: L' f
    5 t: Q/ u0 r8 d3 C7 S+ R7 P7 S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。# _7 I7 i& i4 H3 i. }, M! p

    $ ]  }/ A5 e6 S4 |$ Y% s。。。/ T' X  A: T. e+ x

    6 a/ Y0 Q. g1 s( r* n/ t) w8 V3 K  K( B5 i/ i5 B0 {" z
    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 \7 d5 g( C0 J1 i4 s+ b- \5 D
    / Z8 h+ F0 q6 R  d5 G* T

    0 n, w% X8 }; H' q& `) m2 @: T  h, n

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  • TA的每日心情
    开心
    昨天 00:01
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    [LV.Master]无

    沙发
    发表于 2020-7-22 21:54:56 | 只看该作者
    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。1 g" _0 y7 B5 ~6 ], Y! e. `7 Q" o
    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。

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      发表于 2020-7-27 02:47

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  • TA的每日心情
    慵懒
    5 小时前
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    [LV.Master]无

    板凳
    发表于 2020-7-22 21:55:25 | 只看该作者
    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。

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      发表于 2020-8-8 16:40
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      发表于 2020-7-24 00:11
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      发表于 2020-7-23 14:27
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      发表于 2020-7-23 08:39

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    2019-4-29 10:01
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    [LV.8]合体

    地板
    发表于 2020-7-23 07:53:34 | 只看该作者
    电视台的3.58MHz色度副载波和授时台同步,可以代替铯钟。
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  • TA的每日心情

    2021-2-24 23:26
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    [LV.9]渡劫

    5#
    发表于 2020-7-23 08:17:06 | 只看该作者
    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
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  • TA的每日心情
    开心
    3 天前
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    [LV.9]渡劫

    6#
    发表于 2020-7-23 08:47:43 | 只看该作者
    本帖最后由 忧郁金桥 于 2020-7-23 08:49 编辑
    ) q. a2 Q( M. L( t+ v- V; A) v' N- K4 o4 b5 n
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    % g; M0 d/ g- e2 [4 B  j, g看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。9 G8 I3 v3 _( ~$ S5 _
    谢谢,“车旅系列”还能有第2季吗?
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  • TA的每日心情
    慵懒
    5 小时前
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    [LV.Master]无

    7#
    发表于 2020-7-23 10:41:50 | 只看该作者
    每月37元的工资 ------ 中专起步工资
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  • TA的每日心情
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    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    8#
    发表于 2020-7-23 18:45:06 | 只看该作者
    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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    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:45
    8 D) M% ^. r! o: 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

    - ]; {$ O3 B! {! j* W& c  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。* v+ ~0 j4 l  C1 ]! k0 K
    他家的铯钟在基站上很常见。

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      发表于 2020-8-8 16:41
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    10#
    发表于 2020-7-25 13:35:00 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56' r7 i% d; F. I8 T0 [' N
    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。
    1 d8 o  {* ^9 T) J他 ...
    8 I( U' _  }' u1 c
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    7 w" R9 |5 y7 b( s5071A好像这两年不好买了
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    11#
    发表于 2020-7-25 22:56:14 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-25 13:35$ g- m* b6 d" [1 @/ ~8 D7 Z7 g
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好" L; M9 c  q& K' X9 T5 p6 Y
    5071A好像这两年不好买了
    ( o, ~% |4 ~7 F( d
    这个短稳长稳有出处嘛?
    / x) p: g' S8 d6 F8 d9 ^" c  S( g: 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一半~~0 ~7 d  G; s+ g7 }9 W
    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

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      发表于 2020-7-26 06:29
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    2019-12-31 23:10
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    12#
    发表于 2020-7-26 12:48:09 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-25 22:56
    - b* v2 ^8 u9 ?, `; ^# F4 B这个短稳长稳有出处嘛?
    8 C# {* U+ E# V% L/ 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 ...
      X9 |& V4 W( c7 ~8 t

    9 v7 c( a' `+ N. R+ F6 E: l+ d9 d  ~# h! Q) Y
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    8 z! |$ U! I" O, I4 N9 m+ r6 [* \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。

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    油墨: 5 油菜: 5 给力: 5 涨姿势: 5
      发表于 2020-8-8 16:41
    油墨: 5 油菜: 5
      发表于 2020-7-27 04:48
    给力: 5
      发表于 2020-7-27 03:03
    油菜: 5 涨姿势: 5
    学渣表示看不懂,但不妨碍表示佩服 :)  发表于 2020-7-26 21:12

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  • TA的每日心情
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    4 小时前
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    [LV.Master]无

    13#
    发表于 2020-7-27 03:01:53 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56* G! ^0 x7 R/ b" I$ l. L$ 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。
    8 B  X) M- M$ g. b3 `# t/ z他 ...
    4 c7 C$ F0 E5 l' y: U
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

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      发表于 2020-7-30 11:41
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    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:48
    2 M+ ], q7 |( i; p0 M4 p! j没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
      G1 p# J4 S" q$ j这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    ! }2 G* D# ?3 E; 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。
    # x* F8 u8 X* V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。) Q. S9 Z* L, k5 X6 ~

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      发表于 2020-7-27 04:47
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    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    15#
    发表于 2020-7-27 11:33:16 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
    9 Z! A3 }! i, f" V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。- g: p% o+ Q, C' N% o8 N
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    4 [: ^% o$ m" e0 S& O
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    6 t0 d" d! r4 N& j3 E* z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; V5 q- s9 B( {9 h0 b9 m& c
    时间基准据说用的是铯钟,利用其长稳
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]炼气

    16#
    发表于 2020-7-27 11:34:00 | 只看该作者
    北京阿新 发表于 2020-7-27 03:01
    $ N1 n  o* {$ h- U( O# y. G1 m安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    # z, \" q, J( [; }2 j
    嗯,惠普 - 安捷伦 - 是德,不知道后面怎么变
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  • TA的每日心情
    开心
    2020-9-28 03:33
  • 签到天数: 17 天

    [LV.4]金丹

    17#
    发表于 2020-7-28 00:56:08 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-27 11:33
    1 z9 C' v/ e- h* s9 H( I可能高端的铯钟做的更好一些吧
    + J, I9 [% A# z+ C1 g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 z- i) D* Y5 t3 V( Y, ]9 m时间基准据说 ...

    4 }8 j1 U, k) J$ @+ M请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-4-29 10:01
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    [LV.8]合体

    18#
    发表于 2020-7-28 09:50:08 | 只看该作者
    时间基准就是用铯的9193兆谱线对的。铷是6834兆。
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    19#
    发表于 2020-7-28 10:29:35 | 只看该作者
    陈王奋起挥黄钺 发表于 2020-7-28 00:56
    % Q: g( ^+ P# B% C( r+ V请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    0 R4 x& ?; R/ y5 |6 m1 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* K# C. _; l/ J+ h- ]

    & x. I7 `; M" B. M+ }" F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
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    开心
    2020-9-28 03:33
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    [LV.4]金丹

    20#
    发表于 2020-7-28 11:41:34 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-28 10:29  j) u' B1 V7 ~3 H. g; ~
    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 ...

    ! M9 ~! J& Z1 o- O8 D, S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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