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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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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。
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; D$ r( e* ~% _1 u* Q: [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 W" I; u  [3 ?
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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。
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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。# P  A5 A/ R  l" z
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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。4 t: q( h! f* i! t5 e5 ]& j

+ W; H( B7 q7 @& K! A6 z0 z- @2 [- @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！! ?) x4 h6 l; o- ~9 K" ~7 o
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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。+ i" ^, v: }8 U: @

$ e. R! v, i; \, j8 E2 d6 k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。4 n  `" y" D( a* P9 b
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说些个大家可能百度不到的。
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2 {  {8 H! k$ _. r2 D* J===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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, m9 f$ |4 c- 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。
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, |( \& t- m$ I; J( V( `0 S惠普当年的铯钟，吊打全世界。6 X$ e, O" y8 G  f- ^/ ]

9 B+ \0 G3 t+ Q2 t) J1964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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4 m/ C5 V* H$ k" i4 `+ P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 I% s* E' _3 p! p$ P0 U9 Z
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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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7 V" I  ]* B: K( 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。) p& {6 D( u5 l- o/ J0 j( N0 w

* S, n$ u  ?4 \1986年，十的负十四次方。
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2003年，十的负十五次方。5 v0 ]+ h$ g2 E* L- T) b, B+ b3 @2 r
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2017年，十的负十六次方。& K: w6 d% g# C! l: _
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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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$ \& P4 Q: [/ G" s7 S9 j6 p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。4 ~2 ~" v, g& i8 I) X  [; ^

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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。2 W# V4 s$ B' q
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
" }: u6 P* Q. j9 `7 B& s- a: i7 F) r
群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；
# e- k& X4 b, Z2 g看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。5 q+ p4 u& J5 k- p4 g/ O# }0 y
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
6 u  s: m! Z1 r4 H: k+ j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

9 A6 a% k8 n$ c, T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。% o* r+ H. q' R! e
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
1 _& S. ?' I; x/ e( ?: B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' V3 k/ s) r他 ...
; a% t5 }, n  y$ r
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
  S6 J) f1 b9 @: e0 n5 s. ^3 S5071A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
9 O: Z4 q# p# N* B9 A短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好6 p' }- A+ V( ?5 p$ N& G
5071A好像这两年不好买了

, l+ [$ t! @2 h5 p! b7 P, ]: o# z这个短稳长稳有出处嘛？
2 T' Q" k6 e. M( c" 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 e/ L/ F1 C/ b. B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
  H. M) R1 v' Y5 P这个短稳长稳有出处嘛？% Z9 Z5 ?& J3 Z5 T9 j  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 ...

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( M8 S% f1 R0 W# h. q/ @" L; H- l没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
8 P! o9 l' ~0 b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- T# D5 G2 M. x" N6 f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。
% t3 J6 Z2 F- M9 }5 o! E他 ...
9 k  e! v$ p' b5 c/ h. X2 N9 D1 V5 `* |
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 12:481 F5 e/ }9 B# k. E
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
8 v1 l8 V/ s4 X- {! D* S% ^9 [$ [这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

3 _8 z; P6 q( t: _; w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 O* {2 l* ^8 C* f
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。
3 k/ {5 ]; X& S3 q$ P8 X# u
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35* |' t3 j8 S% `0 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。
# E+ S1 r% k: q/ a; R: @+ s7 v冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

+ W: y6 ?. I7 p5 {: r. Z$ U可能高端的铯钟做的更好一些吧. R/ s$ c2 u7 x4 R9 f% 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
; q- U0 G+ e9 o( q, e+ F2 C& d& X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
8 M4 }6 C5 L( A+ ]1 S  O安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

( a5 G1 j. r6 V% i& Z* F4 M' O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; r1 A; x8 J! p# c6 X  S
可能高端的铯钟做的更好一些吧- r1 H- E) v' c' k
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
, z* b+ e$ ^9 t, ~3 v时间基准据说 ...

+ U- z  \1 k  G2 p- c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
" b# o  |! \. |1 d2 W! A* ^请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？

9 T& R8 }6 H6 g1 m/ {3 R% s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) x+ Z" ?. X1 b& m
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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
8 [5 ^# r5 g) Q( }) a' o/ W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 ...
1 m1 V; H" h) H  Y: }8 k# R/ H* k4 D
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" ?5 m2 w4 }- D) f- P& y/ O" w
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。 ...

. J# s* Z) m+ h6 C7 @) T比较可靠的一种方法：* a1 \$ `6 ^4 O7 W
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。
# ^% X8 ^6 ?* C6 c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。
0 [4 g* ?4 I( \6 h: Y大概是这么个意思。
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. I( ?- j" u* v! x  B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- K0 [* r2 B8 h- |8 [0 ?4 \4 @
比较可靠的一种方法：) j( |  E4 B! U* {0 N9 U! M6 M
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 ...

8 G& |6 L. V2 \6 x. t4 x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
8 R  O+ P& ?8 g+ \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， ...
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角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
8 F0 y$ F, t/ ^! j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# V1 i; N2 q4 R( \0 E
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说3 J% i' p* a" }) K9 U1 p6 M
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 ...
& a7 [) V3 I0 X# j% \7 i+ I
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
$ D3 v7 G  H1 U3 {9 q角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
) W. a8 ]9 @: l9 S. D2 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 ...
/ q7 o; m' k# K9 k9 ], s2 Q
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  S8 H- c- V& b7 x0 Y
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 n) N2 Z$ ~0 c/ U' ?% H3 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。
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( @' z9 l4 n* k- A! p- V) w) p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
) {  ~/ L3 b$ w% M6 v+ u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 J  w9 m. S* V! {  b. X
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
: P$ z$ R1 n! V2 {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 ...
  h1 \1 J$ T+ \  y+ K/ w
可以参看这篇：
' q  T+ i# C" R9 b# {
/ O7 A, ]" d1 H! A0 Shttp://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html' J- h9 @: u  @7 ~* K: o' K

5 i4 P, u! ?) F: }5 y3 ~7 }“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 s1 n7 K. b; p+ l, Q

1 I; O8 d6 s1 B: Z- y* x1 R, ^- N更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：3 S" s1 I+ g; `( }) q* C$ n
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html4 \" c9 I4 a" _- M9 m$ F& E1 i
0 z" q: I. W& J" z) U2 S
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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