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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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$ I* t6 J2 d# g( e3 Z, 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。3 a6 |+ g5 u. L' k, w

  l! _# [3 _; n6 f# j; z" R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。! v0 W. i" k4 ?& }
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个头、模样大致如此，二十六公斤。4 S8 c2 q3 a. I* H

. J, j: d4 e4 k# s6 I, Z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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' O. U+ C, y" F# r9 ?; P0 ]6 v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。2 K: G' H- a9 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？1 J7 }6 _7 j% Q" X7 F
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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。# }5 W8 N+ D) l# X

; _5 q- l! A% L& c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！
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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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3 [  p4 z' i& g6 Q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。+ O+ P, K3 m  b( ^
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说些个大家可能百度不到的。: v, t; s& A3 s% v6 i

) D+ T3 f; [$ m) B  I===前方高能===
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! V2 Z: g: B$ K8 m) i  c' t, A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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7 ^  r# ]7 X5 A0 U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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惠普当年的铯钟，吊打全世界。' X; g3 P5 Q$ \, N) e! o
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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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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。
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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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" }* f, Z, N# \% f/ w1981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。2 x, m* _3 \) \. {
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1986年，十的负十四次方。4 P# T6 i2 |8 p6 q: V

% ]* b6 K# h! y9 e2003年，十的负十五次方。, |+ Y3 W4 ?$ [1 [& U
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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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! I6 C9 E& x0 b6 S' A* 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。
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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。
) ^! P9 i0 u$ j1 K* ]4 d$ R4 M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 - t& [1 S2 b  Y1 {2 F$ D
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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）；) G9 @7 z3 i9 U' _: Y: t
看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。
; X, M. s* R; R. f, m5 E, [1 g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
9 V' [( G% N* d' U* g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
' u+ z' m0 M1 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。
6 ~5 w( f3 z) U( m5 y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( K  o: E6 W# I7 {
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。
/ L3 x5 m; x0 o) H0 Y: \1 G* Y2 K他 ...

( L8 x3 c+ X6 ?$ _+ X+ c# [0 }  u短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好3 T0 l, z7 Y/ |6 V! t$ X
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 13:35
6 \: U$ K+ n0 e& T0 o短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好; u1 h2 s, A3 m) W0 B% G
5071A好像这两年不好买了

" o9 ~; C0 N# h/ E% R这个短稳长稳有出处嘛？
' F# I' v2 d" L* f; T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~~
/ f5 k3 M* U# o6 U- t4 Y0 ]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
% m0 }5 [; k# u" B4 V2 S这个短稳长稳有出处嘛？
# V  k) s# S1 t( P/ _# D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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! N: q6 O# B) K8 l! N0 E9 @- {! N3 [/ \8 R
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
9 H9 S4 D6 P  @( f- s4 \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- c9 j$ ^3 P( w0 [+ U; e& 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。
3 \8 D& v/ A2 W' K; E他 ...
( V& @6 {: d) X; A  c- W# e+ ?+ ~
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
6 Z! a7 I9 ~) k4 `: X& x9 l* E5 ?没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图, _* r8 K2 V( x8 W) t
这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

0 U  }. g. I, d9 t7 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。0 s9 l4 ]) m9 k# y" I
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。0 |9 O6 q5 C! _! w0 O2 W
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35( {+ k, F6 b/ a  {& |
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。
( U; \  I2 m4 K" w冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

: u- N- x* |1 `+ |5 `可能高端的铯钟做的更好一些吧8 I2 X5 ^0 ~) A( r8 b
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
4 N) F- I- A3 i4 H8 @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
, j9 B8 M) Z9 U# s安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

* [0 Q: F* c; M6 N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 11:333 V" x7 g; M/ ^" R1 w
可能高端的铯钟做的更好一些吧
! z$ ?7 J& m# N) q( v: ?% [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
9 r$ n3 }6 A5 |' p+ n1 P. {7 X时间基准据说 ...

: P. @- G( F% I- f. t1 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 00:569 U: V2 c& r/ a4 C2 h
请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？
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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7 g3 a/ K* E6 z% w. v: _

7 r3 e5 y1 x" P2 w8 g$ i* H# x" L: M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 10:299 x( i* w* B( _
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 ...

& ]; x- e7 W. ^! b. J; ~8 r; p$ 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。
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 g. k# X6 h+ ?9 i: [! o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。 ...

8 T3 N3 u. W: q, Y" K; k8 O0 d比较可靠的一种方法：! N% Q3 y8 L. s/ x: n; u5 L4 Z+ L- T
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。1 k. V4 R) x! X0 J9 W& i. m# E$ V5 [
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。
( ], v$ g$ J6 U: X$ K5 b# W2 o3 f大概是这么个意思。
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$ s  f# l' V/ S$ 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 17:077 R# U8 D0 z7 \" C5 p) `/ ~% @$ Y
比较可靠的一种方法：' \' f/ d! s. I8 p4 N4 \
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/ Z8 _- g+ m) Y" Q' o! Q! V* F
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9 W7 u& c; X6 c0 ^$ 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: K- D9 E# i# h5 E$ e
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说' Z! u$ o" l2 q; }
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 K2 b9 ?3 ]' }; t; I  v
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; j/ e5 B7 z' v3 J* N$ ~& p
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说& J' I# w& U' t- c4 t' {: Q' ~
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 ...
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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 [/ N' x0 P  }+ ~, @0 T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。
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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。8 n7 X2 W( M, U+ E/ b% f# V/ a+ p
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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
: ?4 j. c1 X/ G4 ?! B4 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 ...

5 r# b) a' _4 |# j; e* a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 11:201 u% _2 L! b( E" O' 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 ...

& c+ {/ b9 o5 M) Q: U可以参看这篇：7 u5 i2 L4 B5 r& J; s% c7 S

- N% R. g8 l0 F7 i# J, T5 g- Ghttp://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html1 o& i( x4 f0 Q% |& T

/ o6 C# M' o4 V: R“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. ”
8 |$ r+ K3 K6 }$ l! o0 P4 d2 y$ U" ^" \& b2 {1 s, u- s/ s
更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：
  S, C4 [* d/ z7 Jhttps://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html
+ r& k% E# _' Q9 Z0 X$ B9 I' w  o
4 N" Y4 p; O9 j/ a8 J& m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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