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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 . Q# g+ K7 B! X' @- L, O3 S6 l

' ]! w  W1 ]$ A) v/ u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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, I/ h$ Q( P* S- c8 w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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' M; p1 N2 F  m& X) g# K& t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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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？+ a" R! b& L$ |! \6 N

! Z6 U$ h( Z% [9 ]  Y# y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。* b0 X* u9 U" ~6 r$ M  I) e

) o1 U" M! R$ v- q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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! a5 V+ C1 d! i4 f4 i" D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。4 w1 ]7 G1 B1 A3 w# T
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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。
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- B0 l- L" B/ ~' a) g  [说些个大家可能百度不到的。
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===前方高能===' T# b4 P6 [3 f% e5 o/ D2 M; h

) [& C' q4 q$ b# g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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. f! z; L& U, Q) w' C/ i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。
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( c+ ?! I, F! w+ [3 A" I1964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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  |+ Y9 M# o* D7 v' C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。1 N/ b/ s; Z3 x; r
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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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" J3 b, i+ Y) o3 k4 q1981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。
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; m: X! g0 k. b( C3 m$ @1986年，十的负十四次方。& a! e8 ?4 I9 e. |. r' ^* p

% _& R) k# Y& J- D# q2003年，十的负十五次方。2 Y! Y! ^7 N5 {  j$ l3 U7 ]

2 ?1 y+ ?* Z5 T2 _' u  [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。" n& P' W' ^9 T; t+ C$ F- Y/ e

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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。  X# a4 M! I* X) J/ g; U& L/ P! X
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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群山兄的文字，总是让人觉得朴实和亲切（大爱车旅系列）；
, t$ x3 o1 X7 H看到最后很感动“香菇”，为自己是中国人感到自豪。- z" ]6 F) q* Y7 m0 s6 \+ v
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
. g/ P/ E* {8 f$ C) m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
7 |; `" d9 |" k6 n, i  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。6 @, Q! s3 ^3 g$ l" y) b
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
' D3 s" o- J" ]4 V4 |8 ~2 d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。
  k7 J% W8 g( j" _( q. q他 ...

! s, V( C+ ?, V) N- O短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好
$ B! I/ O) _8 F; \( e& c! l# ~0 h5071A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
: y% s$ g, H2 Z, v短稳是氢钟最好，长稳是铯钟最好! H+ F5 ^3 s- Q* b2 z
5071A好像这两年不好买了
+ ?4 Z& q# m0 ]4 A, x7 Q
这个短稳长稳有出处嘛？( S: W: r2 j$ O: 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一半~~
# ~" v" O: s, e. `" ~, U$ 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
5 M# Z% u" h" M6 p2 T9 w这个短稳长稳有出处嘛？8 {, i. _0 Z- k
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 ...

" ~, I; r. f/ K0 b" F) R& ]; C& Z- |$ `6 h8 A3 P' b% Z5 ]7 l9 G

- e8 z" c. b7 J. v' V没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
4 C% |. K9 F2 j, s% B4 Z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
/ G6 N7 l8 w' S. \% m: d6 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。+ z$ e3 q0 r& k; i1 h8 G9 e
他 ...
# f$ R/ p0 L2 [4 J: G' V' Y" o6 @
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/ n8 s% ^  M7 y5 j) G! C$ O
没找到合适的文献，偷懒找到一个 stackexchange 上的图
2 o" I' ~* E5 {6 x这个图把意思表达出来了，在天的量级上，氢钟的 ...

6 M% w  Q$ M6 A0 W3 u* t/ H  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。: S& f" n" `/ _8 d
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。
  t: K' ~4 m8 Y: Y; d* S
作者: radioradio    时间: 2020-7-27 11:33
红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35, k9 ?. Z" m( a7 h5 D% `
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。! m) @* M0 s+ V* @9 V* r
冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
- ~$ g- F; K, e7 x- V+ L% K" L% W: P
可能高端的铯钟做的更好一些吧2 h3 z+ K6 n, M% I& ^0 }4 ^0 O
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
/ ?% Z1 f; L4 _* d( p) Q% |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
7 n# S5 w& P0 }, m$ r/ ?安捷伦是惠普分出来的，原来的惠普电子测试和测量部

; I8 r: C: m, i: _" R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
2 j8 [# T% o+ m+ W可能高端的铯钟做的更好一些吧
' h, K7 ?* `5 P/ v0 w: S, \9 z  I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
# U, t4 W1 ]+ U  b5 R) a时间基准据说 ...

  N  r1 Q7 I! b  G' V% q' U4 \' G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+ D/ }# v7 v: {
请教一个问题，原子钟之间如何保持时间同步？

  t1 f1 J& w# N8 u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; L+ N: z& n0 D0 h; o# D
7 _  i6 a4 j& C, k; j
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
7 T; S8 T" X7 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 ...

3 T) ]; _0 A$ B$ h4 i: p5 U9 E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- h! f7 ?5 t9 i' e3 O* Z# \
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。 ...
* @; z6 y. r  D# g2 ^0 H
比较可靠的一种方法：+ ~( O  w# Q8 b- i" b) r8 v: V  }0 K0 L
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 g; p( l% l/ m1 [) C: r, v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。$ A3 ?2 E3 V5 u* V2 y5 |3 A9 `; ^
大概是这么个意思。$ b+ d. b- D* E/ ]5 O

2 G: b1 R. U6 K2 x7 {3 s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
; c* R9 y. W1 s2 R$ d+ s4 {$ [* r3 _比较可靠的一种方法：
% S$ {! D+ J; H  g1 s) b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 @$ Y7 O1 t3 V8 z, R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+ Y$ q7 x0 O1 q, F7 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， ...

6 m/ v) l& s3 Y* S) _* d. \8 |角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说. c2 F' T! w: ]
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
! r" U# y" I# |  l; {角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说% x+ ]3 K3 Y  c$ m2 w
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 ...

9 h. T7 G3 c4 W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
" W6 S, @* F6 b0 j# g# D角反射器反射后，卫星收到的信号强度不好说9 S2 {# D4 s+ L2 l+ \, 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 ...
5 A1 [. h' b3 k# h
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
# a! D. ?5 m  @$ |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。
2 O# L$ N# c9 X# P( \( |4 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
8 f4 n+ z2 N9 N8 ~4 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 ...

1 N0 S" h0 N0 u; m  f' A- q, D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
  _  m1 c+ l# ~& @3 e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 ...
. N2 M( b- Y' j
可以参看这篇：9 V& {# D# y' c: i/ F7 t1 z
& O( O  O- _3 K3 u9 x6 y( L! r: M
http://blog.sciencenet.cn/blog-306503-905400.html, Y0 j. Z; B9 x* @. i

+ L; ]7 N# T6 p8 G“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. ”5 H& W7 Q# W5 p; [* |
2 j" B- e7 e8 V1 F5 n+ y1 O% N0 V
更专业的关于时间比对的科普性的可以参考这篇：5 ?4 e& c4 v0 S+ I  V
https://wenku.baidu.com/view/f0c ... 3a87c241288a6e.html
+ M9 b% i/ g) A5 z8 N* r: w. @
) o1 U: X2 r$ m1 C1 \1 j' L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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