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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。. h* l* D# [: J6 \3 ~$ u; ^* L
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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。  J( r2 G; v" w' }

9 ?2 \# d/ t% s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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1 K# ~. q6 M- s  T% l6 M/ i& L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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& }5 n' z; e6 R$ [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。
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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！2 l7 E9 P: J7 C8 B9 C  D0 f( D# j# M4 ?
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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 G' ?$ `* O& b9 c1 S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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0 Y# k/ j5 c1 q* ]说些个大家可能百度不到的。
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4 y$ A3 b: I# V8 ?( r1 u, O===前方高能===" n4 `' b8 F0 Y
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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。5 B2 H$ t6 c! c* b. b* [

+ b5 x5 j( Y& L& n3 n' P% c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。: \8 [2 Q. ~$ j' R# c3 S: R  p

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惠普当年的铯钟，吊打全世界。0 L# {$ [/ T8 \& g, {

4 o$ y  O, `4 x# |! Q1964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！' e; q5 g6 t" q+ k

% @: J) R/ [! v; }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。' o* Y/ l  @; U

% l1 ~3 |/ Y% g* J' E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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5 _* O: }% r9 I1 {' [8 j- |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。; m8 {- l! R; C% M+ G
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1986年，十的负十四次方。
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! r6 p# ^, G5 }% j2003年，十的负十五次方。
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2017年，十的负十六次方。. `9 w2 d2 a/ y9 ?' n1 F
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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。% Z5 ]( _3 Z; b0 X7 q

4 r. _; U* M- ^3 \1 H$ B。。。
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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。
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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。( {& A' ^2 g5 q. N
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
4 A8 Z4 I8 e4 ~4 s+ }1 ?! A: Y. Q/ w, c4 c: q. S2 I" p! F) |! G" x
群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；
! u; O- O- t% q. m3 M1 W看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。; s4 T* u5 z; @/ e3 O1 _
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
- R8 |* x$ Y6 ^7 y/ T9 F7 R) `% x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

0 L9 |7 t$ k9 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。
5 }* z% u- @5 w, w7 r  ]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
  D; `# M1 Q, R; t! g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 b5 i. j0 w" j$ o4 r$ H9 w
他 ...
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短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
1 \7 v0 E1 j# Y- r5071A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 13:350 t( E0 B0 d2 ^' G$ }) z
短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
6 R  _: Z1 v0 t; N' c: w" P5071A好像这两年不好买了
7 c& h& z# J- a5 ^
这个短稳长稳有出处嘛？" P0 \! v: U8 \
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~~
1 c; Z' [; B! z, D9 s: s5 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
: {; {) B: y* M7 y这个短稳长稳有出处嘛？8 A* E) |, H! |0 N; U) C  p: U
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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! B, G' K( o+ Y9 Y7 c- D
$ |6 P  b( s( R没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
) l' `% E/ Q( t. h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
# F, [! d" T7 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。1 y  }8 N/ M! x/ w
他 ...
# E3 p3 t" P# o( x% d
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
  g- ?8 o: s7 _4 g没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
' B- s  R" J) s. S$ B7 t5 T这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...
: Z& `% y) L, y! ]. b0 _0 y' K: 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。
) q; l: L$ Q/ C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。. y$ K2 d9 ]  E8 t; h
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35) b% j' b/ i+ @0 L3 C
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 J. s# y# j/ q$ ?: {, C4 Q冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

3 p4 N3 O: y& r+ b可能高端的铯钟做的更好一些吧2 Z3 Q9 W7 Q( x9 B( T
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* ~: ~: e. J; |, {8 A4 {
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# a5 k$ n5 M/ w# [" V6 G! V
安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部
0 S0 L5 E, w, K3 q- j
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
: b* R) q7 M- r4 @可能高端的铯钟做的更好一些吧( k$ z. t4 Y5 i$ M0 X( L* r; t
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 t9 Z  c) O4 ?0 Z( E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; `0 A! t) Y6 Q# `. m
请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？

* z4 A5 L. S% f1 i: r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  C) ~+ k8 x3 m4 d2 p4 X8 N* C
( O) I. H/ s: a6 s/ G" b
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
& s7 T/ ~  i/ }& X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 ...
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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 11:410 K1 \( e' K$ Z+ k# 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。 ...
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比较可靠的一种方法：3 [/ X& w, v5 h  ^; c- p; V+ 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，这一去一回的时间就知道了，那么就可以测出距离来。* s/ Q4 w2 B+ V1 [
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。
; {- S( [# m; b7 F' R  p* B( ~4 F8 w大概是这么个意思。
1 }7 D5 o( R, v" ~4 ~* b9 n- Y
" Z  F5 J8 _. X$ O, Y2 ~, s0 d9 @% 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
% ^4 M9 ~! I1 G8 s比较可靠的一种方法：/ R# n' C$ \. R' O- _7 }
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 ?6 Z! d& o2 e' e  b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: {: o3 o' T6 N5 [( i8 k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/ T5 d. I  q$ @5 O9 R, g
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 22:310 S5 ?4 ^; a7 Y% G  b5 `
角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说7 o  [, m/ ]- ^9 B  d' a$ o+ u/ r
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 ...
  E" o& ]( ]4 h$ @  s% J
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
1 q" x) X; i& b1 I6 [' w角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说- {5 I, p, @9 ?: l; U  e
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 _. P" {" {! G4 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 13:458 a1 F: H* u0 ]6 [0 l! X
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。

# M7 e/ o8 i& O3 F( S6 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。
$ M! ^& ]- r% o. l- K$ W
  l) R9 j) o; D4 f) F9 l- {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' ?$ _6 A! F% E: i5 G. G
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
" L, v# ~% M. y( I6 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 ...

6 A5 W4 M/ g: q+ K% }* A可以参看这篇：4 V9 O* A. h! P( T
& T  L3 v4 V. I+ n" \1 _9 d' W
http://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html. `% J, T4 @. B# a% z! F3 P/ J

2 L% ^+ \$ k! Q, f) @“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 ^- J! ~; p* ?+ c) B" m7 h# x8 `1 \3 p2 e" R- H
更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：
. z' z: l6 d) h. T! qhttps://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html9 K. z; \6 a! y: T, k$ \

! n3 ^" y; Y0 K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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