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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 9 s& M7 _( O  T& d+ l3 G- D* k9 K

+ q9 K' i; _" {3 f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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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。
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( T+ M) n( h$ ^) ~" o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。$ \2 G- f( y6 E& a! H% o$ W
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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。
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" x1 q& ]* I5 q$ B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？, Y; b0 U1 r1 w* N! m# H7 J

+ o3 y: w& J" k! c5 H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。
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! S7 h+ \8 ^/ u- e( o! s* {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！- G1 k  Z! J3 K, J
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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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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。6 s* z3 b) @: a3 F! A
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说些个大家可能百度不到的。
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===前方高能===
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: b* S1 [+ b$ X5 L, C) R2 ]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。: y) ~1 l3 H2 v) e

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惠普当年的铯钟，吊打全世界。
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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！1 K2 q4 m* R; |1 z2 ?% n

" p# N! q: o8 \- s1 ?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。5 o7 y& p* O# a

: |: D. d' s) P" W6 i" V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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  b2 s4 E; g" e% v1981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。: e0 m0 x: t& Y
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1986年，十的负十四次方。/ s* ~% ?: ~- g$ V  t5 N

5 x( z6 H& k; P/ R$ d2003年，十的负十五次方。
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# {* ~4 ~9 X0 v3 [4 ^  o0 e2017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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! J& u# [! S7 y. a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。* D- Z* y6 n# B) ]) u% X$ @! R9 `
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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。% n5 P' O$ Q" B4 G, c
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
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+ H6 e$ s; H' h" {8 b群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；$ Z) i6 ]; }& G/ ^9 }( y
看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。
4 \# z8 H& ~1 G! _5 @  t- r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
: o9 R4 M$ Y! Z8 D( ]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
5 W5 m+ s5 j) f8 |' L* ~) Q- |
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 w" K" i  P3 e: O
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
3 K) L9 {4 o0 I( K8 a: G* X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 x3 T$ I/ @( i. W* B9 b
他 ...
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短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
; G/ O& Y# |, m  Y/ c8 i8 _$ W5071A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- c* D0 Z& }  r) p( ~" V; c* G
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好; E7 d* o! K. i4 B5 O' e
5071A好像这两年不好买了

! u+ ^2 m3 o- V7 Z0 D这个短稳长稳有出处嘛？4 b: |& U+ V6 i( o" l
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~~' a) E5 i; {6 [! \2 S
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
& O( ~% x/ C8 Z2 c这个短稳长稳有出处嘛？
3 N4 u; T! |3 o; [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 ...
: j8 E: I+ I0 K$ g+ ]* H; X7 u

7 ]' \7 k" ^; @+ Y
2 h$ U: L- N0 ^) i- e' M没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图6 n9 k. p9 m- d9 L
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 22:565 P0 z- k9 _( L5 `* B/ L4 v6 }
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。5 o7 H2 L: \$ H) m  Z1 D
他 ...
& A, h/ u' X6 k9 `- s1 O0 `
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
" y: j: t; q# X/ R没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
7 S/ a! v1 K2 G! Q这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...
6 b* }6 V( j- R) w5 h" j/ y
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。) k7 ~$ e6 l' G
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。
1 T- ^. [/ A1 [$ g+ R! _. Z9 ?
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35! f5 h$ d7 S1 W) d/ B
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 g+ a  f$ w& `  J/ W5 K6 @
冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

7 ?6 j2 N6 ~$ c( a. S可能高端的铯钟做的更好一些吧
" i) b) D' K" K3 ^) H; U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# D2 v2 q$ a4 ?' 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& r: m0 v; h" L4 W
安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

: h5 Z" o. S& h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, C. u, k+ j! h. X: B2 J" ]
可能高端的铯钟做的更好一些吧
0 z- S+ ^, e* h3 X* L1 v, P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
( |) ?# j9 K: ^9 L; J1 P, }5 s! q% y时间基准据说 ...
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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
1 |. d+ F1 i- S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
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* U1 O, m# J, ?# B- h% Y# s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
! M% f7 G$ S# V. T5 d1 Q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 ...

6 t8 }9 Q& n% b/ \  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。
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
/ D/ E6 Y) e, S) {5 F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。 ...

; f# P- W! Y9 A; E$ I# ^比较可靠的一种方法：
4 `' E! j- n! N1 @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。
* g; O3 V- H+ @3 j1 k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 L$ r5 T2 f/ O8 m" i
大概是这么个意思。! W7 m7 \& v+ A- H8 `

4 G0 s0 J% @  _1 V9 G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& C0 M) d$ B* c2 B
比较可靠的一种方法：+ }7 }% L4 R" Z
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 ...

1 E0 b& d& s2 o4 O8 F: i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
( i  A7 [& h1 }9 T: p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， ...
% g9 P# L/ f# ?) ^7 o* k! i" ?% S1 c; g
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说
6 C2 n# @/ D. t( M5 i, L$ H" L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% P( O, l' G: v- [4 `) m
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说+ f& v: r/ ~# R  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 ...

+ ~3 ~! U  ^& c! H% }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
' Y+ f- w, K- Y: I3 k' Q8 p角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说6 Z6 {- S# g- q/ l# W& v
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  q- J+ S3 w: J/ p: r/ s5 Z/ f/ c
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。
( g6 s( m- p+ i% g0 S) U2 u! ~8 k( 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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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
/ ]* j  `4 ]5 }! ]# 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 ...

% f. k( B5 L0 z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
  T, J1 Q3 Z" }# T0 U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 ...
! f! ^! L' q$ [; u2 N
可以参看这篇：
+ o$ L5 v+ J! E3 x: l* {: M( O( ~( r2 {/ V* C0 w4 t0 U& S% Y
http://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html) o7 B9 q6 A$ [9 d$ a4 N) v
# b) e- T2 j# ^  T" T' H2 E( y
“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. ”
6 H0 Y9 W6 R! ?1 v+ f- i
6 c- @% `- j1 R. G9 L, p9 {; n更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：, x, ?9 }  j. u: g, }
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html3 D3 W7 P3 J3 r* K
# F2 E2 N7 D4 m6 g- 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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